Kolmanda põlve akadeemik Andres Öpik püüab kinni halbu molekule

Tiit Kändler

Kui te tahate kinni püüda kala, siis valite paraja konksu. Kui tahate kätte saada liblikat, siis tuleb abiks liblikavõrk, kuid pole sellist konksu või liblikavõrku, mis püüaks kinni vaid ühe liigi kalu või liblikaid. Hiirelõksu võib sabapidi jääda kinni ka kass. Ometi on Tallinna tehnikaülikooli teadlased ehitanud sellised lõksud, mis püüavad kinni just säherdusi molekule või koguni elusolendite rakke, nagu parasjagu vaja. Nende lõksude nimeks on molekulaarselt jäljendatud polümeerid, mis kujutavad enesest väga õhukesi kilesid, millele on kantud lõksu ülesannet täitvad augukesed – mälupesad, mis haaravad kinni vaid sihitavaid molekule. Nii on näiteks valmis ehitatud kiled, mis seovad inimese immuunsüsteemi toimimiseks olulise, veres eristatava immunoglobuliini. „Kui me sellise immunoglobuliiniga rikastatud nanoosakese viime haigestunud organismis õigesse paika, aitab see haigusest jagu saada,” ütleb Tallinna tehnikaülikooli professor, keemia-materjalitehnoloogia teaduskonna dekaan Andres Öpik.

Kolmanda põlvkonna akadeemik
Möödunud aasta 4. detsembril valis Eesti Teaduste Akadeemia üldkogu Andres Öpiku akadeemikuks tehnikateaduste alal. Öpik on teadlane, kelle puhul tuleb ilmtingimata lisada eesnimi. Sest Andres Öpik on teaduste akadeemia ajaloos esimene akadeemikute kolmanda põlve esindaja – tema isa, energeetikateadlane Ilmar Öpik (1917–2001) oli akadeemik aastast 1967 ja tema vanaonu astronoom Ernst Öpik (1993–1985) TA asutamisest 1938 kuni selle likvideerimiseni 1940. aastal.
Tallinna polütehnilise instituudi 1970. aastal lõpetanud Andres Öpikut on pooljuhtide omaduste kallutamine tarviliku rakenduse jaoks sobilikus suunas alati huvitanud. Töö on olnud edukas: 1985. aastal pälvis Andres Öpik Eesti NSV teaduspreemia suure kollektiivi seas, 2006. aastal riigi teaduspreemia akadeemik Enn Mellikovi juhitud neljaliikmelises töörühmas päikeseelementide uute materjalide ja konstruktsioonide uurimise eest. Päikesevalguse tõhusamaks kinnipüüdmiseks ja elektriks muundamiseks loodud materjalid suunasid Öpiku mõtted sellele, kuidas saaks kinni püüda päikesevalguse osakestest footonitest hoopis suuremaid osakesi. Näiteks molekule, mis teevad meile muret saastunud vees, või koguni vähihaige kehas laiutavaid vähirakke.
Küsitlen Andres Öpikut tema kabinetis, tehnikaülikooli poole sajandi vanuses neljandas korpuses, mis kolme aasta eest on saanud moodsa moe ja kus töötavad materjalitehnoloogid. Aknast paistab lumine ülikoolilinnaku hoone, kus asuvas laboris katsetatakse nutikaid kilesid ja mida me peagi ka vaatama läheme.

Kust tuli teie huvi ehitada lõksud just nimelt orgaanilistele, looduslähedastele polümeerkiledele?
Andres Öpik: Alul uurisin ma klassikalisi defektseid struktuure, täpsemalt, nende elektrijuhtivust kõrgetel temperatuuridel. Minu töö oli eksperimentaalne, pärast arvutati, kas tulemus vastab teooriale. Akadeemik Viktor Palm ütles mulle, et kuulake, arvutustulemused sõltuvad ju konstantidest ja kui te neid saate valida, siis suudate need valida sellised, et saate pea alati soovitud tulemuse. Suurtele arvutajatele olen nüüd ka ise öelnud, et sõltuvalt sellest, kui palju on konstante, saate soovitud tulemuse või pole arvutuse tulemused tegelikkuses realiseeritavad.
Minu idee sai alguse, kui 1983. aastal Soomes järeldoktorantuuris olles sattusin elektrit juhtivatele polümeeridele. See oli tollal suuri lootusi äratav teema, loodeti valmis teha näiteks polümeerakud, isegi Neste rahastas uuringuid. Ameeriklane Alan Heeger, jaapanlane Hideki Shirakawa ja uusmeremaalane Alan MacDiarmid said elektrit juhtivate polümeeride avastamise eest 1970. aastatel hiljem, 2000. aastal Nobeli keemiaauhinna.
Minu idee oli juhtida nende materjalide omadusi sama metoodikaga, nagu tegime klassikaliste anorgaaniliste pooljuhtmaterjalidega. Midagi tuli ka välja, kuigi erinevus mu eelmistest objektidest oli väga suur. Kristalliline materjal on võrratult paremini kirjeldatav kui elektrit juhtiv polümeer.
Kuna mõõtsime elektrijuhtivuse käitumist, siis tekkis mul kinnisidee, et elektrit juhtivad polümeerid ja klassikalised fototundlikud materjalid oleks tulus omavahel kokku viia, kiht-kihina koos kasutada – nende vahel tekib pooljuhtiv üleminek, milles footonid saavad elektronid lahti lüüa ja nõnda saaks päikesevalgusest ehk tõhusamalt elektrit teha.
Umbes samal ajal, 1990. aastatel hakkas praegune akadeemik Enn Mellikov uurima päikesepatareideks sobivaid kihilisi struktuure, minu mõte oli elektrit juhtivad polümeermaterjalid ühe kihina päikesepatareisse sokutada. Päikeseelemendi eesmärk on, et footonid löövad tõhusalt lahti elektronid ja augud, nõnda et need ei rekombineeruks, kokku ei saaks, selleks et hävida. Meil õnnestus eesmärk saavutada ja tänapäevani teeme materjale, milles elektrit juhtiv polümeer on päikesevalguse neelaja üheks kihiks. Selle idee eest saimegi riigi teaduspreemia.

Kui suur oli nende elementide kasutegur?
Tulemus oli, et kasuteguri saime endisest suurema, umbes kümne protsendi lähedusse. Kuid on suur vahe, kas saad selle suurel patareil või kaks korda kahe sentimeetri suurusega elemendil.

Viimastel aastatel olete tegelnud hoopis molekulide püüdmisega, kuid kiledest ei ole ikkagi pääsenud.
Meie saame oma kiled lahusest vurrpindamise teel. Polümeeride lahus tilgutatakse alusele, mis pannakse pöörlema ja siis jaotub tilk pindpinevuse poolt pinnast kinni hoides mööda ketast laiali. Polümeeri saamiseks vajalikud osised ehk monomeerid on saadaval, meie polümeerime need ahelateks. Ahelad on omavahel seotud keemiliste sidemetega, nõnda et tekib võrk ja saame elektrit juhtivast polümeerist maatriksi.

Mis on just nimelt teie panus?
Meie sattusime kavala tehnilise võtte peale, et kasutame kullast kontaktiga piesoelektrilist kvartskristalli, mille resonantssagedus on 10 megahertsi, ja see sagedus sõltub kile peal olevast massist. Kui kilele midagi kinni jääb, siis mass muutub ja me saame seda muutumist pidevalt jälgida ning selle põhjal oletada, mis füüsikaliselt või keemiliselt toimuda võib.
Pärast mõõdame ka kile takistust, mis näitab struktuurseid muutusi. Selletõttu olemegi valinud elektrit juhtiva polümeeri. Polümeeri peale kanname õhukese kullakihi, see on vajalik kontaktiks. Meie eesmärk pole mitte uurida polümeeri, vaid tekitada polümeeri kindlat laadi pesad, mis krabavad kinni kindlat laadi molekule. Selleks et need pesad tekitada, kasutatakse samu molekule, mida hiljem kinni püüda tahame.
Me peame teadma, mida me püüda tahame. Seame enesele eesmärgi ja siis valmistame vajalike pesadega kiled. Meie meetodi originaalsus ongi piesoelektrilise kvartskristalli kasutamine. Nõnda saame seda protsessi paremini jälgida ja juhtida. Me oleme püüdnud ka kaht liiki molekule, tekitanud kaht liiki pesasid.

Kuidas need pesad tehakse?
Tuleb võtta maatrikspolümeer, siis tuleb otsida sihtmolekulil olevad sidumisvõimelised rühmad ja kinnitada polümeerile külge neid sihtmolekule siduvad rühmad. Need rühmad peavad olema ühised, sobituma üksteisega. Nõnda kinnitub molekuli siduv rühm polümeerile ja seob ka sihtmolekuli. Lõpuks peame leidma lahusti, mis lõikab polümeeri küljest sihtmolekulid lahti.
Me peame need ju kätte saama ja mitte lõhkuma pesasid, mis püüaksid edaspidi sihtmolekule.
Mida lihtsam lahusti, seda parem – etanool, metanool. Peaasi, et pesa ära ei lõhu.

Kas te näete pidevalt, kui palju on sihtmolekule plaadile püütud?
Jah, me paneme selle sentimeetrise läbimõõduga plaadi lahusesse, kus meie püütavad molekulid on sees, ja kui püüduri küljes on kvartskristall, siis saame kogu aeg näha, seirata, mis toimub. Lahuses on jälgimine üpris keeruline. Ühel hetkel saabub küllastus, pesad on täis, see juhtub umbes kümne, viieteistkümne minutiga.
Me võrdleme jäljendamiseta kuldplaati ja tsentritega plaate omavahel, sellest vahest leiame sidumise kasuteguri.

Kui palju on maailmas teadlasi, kes molekulaarselt jäljendatud polümeeridega tegelevad?
Uurijate seltskond ei ole eriti suur, neid tegutseb Rootsis, Prantsusmaal, Saksamaal, tavaliselt osaleb konverentsidel neli-viissada inimest, kui näiteks sünteetiliste metallide seltskond on kolm-neli korda suurem.
Meie teeme koostööd Budapesti tehnikaülikooliga, teine partner on Saksamaal Berliinis asuv suur Helmholzi materjalide- ja energiakeskus. Meie teadlane Vitali Sõritski viibib paar kuud aastas Helmholzi keskuses kohal, sest meil on päris hea oskusteave. Oskame polümeeril toimuvat mõõta piesoelektilise kristalliga nii lahuses kui ka õhu käes. Sellist asja ei viitsi suured keskused leiutama hakata. Nõnda oleme mitmeaastase koostööga saanud tulemusi, mida oleme avaldanud ajakirjas Advanced Functional Materials.

Kas teie meetod on kasutatav ka inimese raviks?
Jah, molekulaarselt jäljendatud polümeeride meetod on kasutatav ka meditsiinis. Looduslikud ühendid, millega inimesi ravitakse, pole jäljendamine. Meie saame jahtida näiteks ühte valku. Valgud on suured molekulid, aga kui teeme polümeervõrgu, siis saavad selles paremini liikuda väikesed molekulid, suured molekulid liikuda ei saa. Üritame neid siduda pinnale tillukeste varrastega, saavutada pindmist jäljendamist. Varraste vahel liiguvad suured molekulid kergemini.
Nii oleme teinud immunoglobuliiniga. Seda seob neurotransmitterist dopamiinist tehtud polümeer, polüdopamiin. Me tahame jõuda selleni, et viia immunoglobuliini seotuna organismi sisse. Immunoglobuliin on organismi immuunsüsteemi osis, mis eritub verre, et võidelda haigust tekitavate võõrkehade vastu. Üks asi on vaadata, kui palju on veres immunoglobuliini. Kui aga immuunsüsteem seda piisaval hulgal ei tooda, siis saaks meie meetodiga immunoglobuliini organismile juurde anda.

Kas süstimisest ei piisaks?
Kui me oma biotundlikesse süsteemidesse paneme sisse ka magnetiliselt tundlikud osakesed, siis me saame välise magnetvälja abil viia nendele kantud ravivaid molekule organismis sinna, kuhu tahame – haigestunud koha peale. Polüdopamiini võrgul istuv immuno­globuliin on olemuselt nanoosake. Seda saab põhimõtteliselt organismi viia. Oleme nanoosakestega töötanud, tundub, et sel mõtet on. Kuid seda on väga raske inimesel katsetada. Peab tegutsema näiteks koos vähiuurijatega.

Kas saate ka välja arvutada, milliste keemiliste püüdurite abil vajalikke molekule kilele lõksu püüda?
Jah, meil on ka üks andekas rehkendaja, kes eksperimenti ei tee, vaid arvutab. On võimalik välja arvutada funktsionaalseid rühmi, mis oleksid sobilikud sihtmolekuli püüdmiseks. Kuid teine asi on selliseid rühmad valmis teha – selleks on vaja head orgaanilist sünteesi ja bioorgaanilist sünteesi. Meil on lootust, et saame oma rühmale täienduseks päris hea orgaanilist sünteesi valdava kaastöölise.

Sirbi poolt soovime teile siis: molekul lõksu!