Apulaisprofessori Juha Siitonen tiesi jo lapsena aikovansa kemistiksi

Siitonen ilmoitti jo nelivuotiaana vanhemmilleen haluavansa isona professoriksi. Hän teki jo lapsena erilaisia kemiallisia kokeita lasipurkeissa, yksinkertaisilla kaupasta saatavilla aineilla. Yläasteella Siitonen oli koonnut jo suhteellisen mittavan kotilaboratorion, ja hän oli lukion loppuun mennessä opiskellut laajasti yliopistokemiaa ja suorittanut yliopistotason harjoitustöitä itsenäisesti omilla välineillään.

Ennen nykyisen tehtävänsä alkua Siitonen työskenteli kolmen vuoden ajan Yhdysvalloissa Rice Universityssä opettavana tutkijatohtorina sekä orgaanisen kemian yliopistolehtorina. Nyt Siitonen johtaa Aalto-yliopistossa kokeellisen ja teoreettisen orgaanisen synteesin (ETOS) tutkimusryhmää.

"Me tutkimme synteesiä, aineiden valmistamisen tiedettä. Lähes kaikki nyky-yhteiskunnassa käytetyt aineet muoveista lääkkeisiin ovat kulkeutuneet jonkinlaisen kemiallisen muokkauksen läpi. Oikeastaan kaikki meidän moderni teknologiamme on kiinni siitä, että me pystymme valmistamaan molekyylejä", Siitonen sanoo.

ETOS-tutkimusryhmä jatkaa Aalto-yliopiston pitkiä perinteitä luonnonaineiden kokonaissynteesin parissa. Professuurin aikaisempi haltija, professori Gustaf Komppa, kehitti kamferin ensimmäisen totaalisynteesin vuonna 1903. Tätä saavutusta pidetään maailman ensimmäisenä todellisesti monimutkaisen luonnonaineen synteesinä.

Siitonen etsii uusia, nokkelampia tapoja valmistaa molekyylejä

Luonnonaineet ovat luonnosta eristettyjä molekyylejä, yksittäisiä orgaanisia yhdisteitä, joita eliöt tuottavat esimerkiksi itsepuolustuksen myrkyiksi tai vaikkapa väriaineiksi. Olemme päivittäin tekemisissä tällaisten luonnoaineiden kanssa esimerkiksi kahvipavuissa esiintyvän alkaloidin, kofeiinin, muodossa.

Siitonen mainitsee, että noin puolet käyttämistämme lääkkeistä sekä useat hyödyntämistämme materiaaleista ovat luonnosta peräisin olevia aineita, joita olemme hieman muokanneet tai ottaneet sellaisinaan käyttöön, koska evoluutio on hienontanut kyseiset aineet toimimaan erittäin tehokkaasti miljardien vuosien saatossa. 

"Biologisesti aktiiviset molekyylit siis eristetään häviävän pienissä määrissä luonnosta ja sitä kautta niiden rakenne tunnetaan tarkasti. Synteettisen kemian haasteena on tämän jälkeen se, että osaammeko valmistaa kopion tällaisesta molekyylistä laboratoriossa niin, että ainetta ja sen johdannaisia saadaan tuotettua riittäviä määriä jatkotutkimuksia varten? Koska nämä molekyylit ovat kemialliselta rakenteeltaan hyvin monimutkaisia ja niillä on lääke- ja materiaalitieteellisesti merkittäviä sovelluksia, me synteetikot käytämme niitä ikään kuin tutkimusalustoina uuden kemian keksimisessä", Siitonen kertoo.

Molekyylien valmistuksen työkalut ovat Siitosen mukaan niin kehittyneitä, että periaatteessa mikä tahansa aine voidaan nykyisin valmistaa, kunhan prosessiin käytetään tarpeeksi aikaa, rahaa ja resursseja. Ongelma tietysti on se, että emme voi polttaa resursseja nykyiseen tahtiin, joten kemistien on kehiteltävä nokkelampia toteutustapoja.

"Voisimmeko esimerkiksi suunnitella koko valmistusprosessin niin, että kymmenen kemiallisen reaktion sijaan tarvittaisiinkin vain kaksi, tai voisimmeko kehittää sellaisia reaktioita, jotka muodostavat halutun molekyylin yhdellä askeleella melkein kerralla valmiiksi hyvin halvoista ja yksinkertaisista lähtöaineista? Juuri tältä tasolta me yritämme ratkoa aineiden valmistuksen ongelmia."

Tavoitteena aineiden toiminnan perinpohjainen ymmärrys

Siitonen kertoo olevansa kemian lisäksi erittäin kiinnostunut myös matematiikasta, fysiikasta ja ohjelmoinnista. Laaja kiinnostus eri tieteenaloja kohtaan on edesauttanut Siitosen työn kehittymistä ja on ollut jopa vaatimus tutkimuksen teolle.

Siitonen mainitsee esimerkkinä koulusta tutun havainnollistuksen, jossa kuvataan lähtöaine A, reaktiotuote B ja näitä yhdistävä reaktionuoli, joka kuvaa uuden aineen syntymistä.

"Mitä siellä nuolen sisällä oikeastaan tapahtuu? Meidän tutkimusryhmämme tavoite on yrittää ymmärtää miten aineet vuorovaikuttavat kemiallisissa reaktioissa, sitä miksi aineet reagoivat keskenään tietyllä tavalla. Eivät ne reaktiossa muodostuvat uudet aineet vain jotenkin pölähdä esiin, vaan lähtöaineet vuorovaikuttavat toisiinsa kanssa kvanttimekaanisesti. Ja jotta molekyyleille voidaan rationaalisesti suunnitella reaktioita, on työssä osattava soveltaa fysiikan työkaluja, kuten kvanttimekaniikkaa ja termodynamiikkaa", Siitonen sanoo.

Siitosella on aina lapsesta asti ollut myös tekniikan alan tutkijalle ominainen taipumus purkaa laitteita osiin ja siten löytää syvällisempi ymmärrys niiden toiminnasta. Hän suunnittelee ja rakentelee nykyäänkin sähkölaitteita synteettisen kemian tutkimukseen sekä opetuksen tueksi.

"Periaatteessa teemme samaa myös puhtaan kemian parissa, eli me puramme aineiden väliset reaktiot osiin ja mallitamme supertietokoneilla suoritetuilla kvanttikemiallisilla laskuilla mitä ne aineet oikeastaan tekevät, millaisia tapahtumia on mahdollista saada aikaan. Ja voimme käyttää sitten malleista saatua ymmärrystä kokeellisen synteesisuunnitteluprosessin apuna."

Ongelmanratkaisutaitojen kehittäminen on opiskelun ydin

Siitonen kehottaa opiskelijoita ajattelemaan yliopisto-opintojensa syvempää merkitystä ja erityisesti sen sosiaalisia aspekteja. Miksi meillä ylipäätään on yliopisto ja mikä sen tavoite on opiskelijan ja opiskelijayhteisön kannalta?

"Yliopistossa me voimme ratkoa ja pohtia ongelmia, jotka ovat niin hankalia, ettei niitä tulisi ratkottua muualla. Näitä ratkaisuja voidaan sitten käyttää soveltavan tutkimuksen tukipilareina. Kun opiskelija valmistuu meiltä ja menee vaikkapa lääketeollisuuteen töihin, hän on usein se asiantuntija, jonka puoleen käännytään, kun kukaan muu ei osaa ratkaista ongelmaa."

Siitosen mukaan opiskelujen tärkein anti onkin monipuolisten ongelmanratkaisutaitojen kehittäminen, erityisesti ryhmätilanteissa. Tärkeää on, että opiskelija oppii purkamaan monimutkaiset ongelmat osiin, analysoimaan niitä erilaisilla tavoilla ja ymmärtämään niiden laajemman kontekstin.

"On tärkeää oppia lähestymään monimutkaiseltakin vaikuttavia ongelmia kiinnostavina haasteina, sen sijaan että kokisi ne ylitsepääsemättöminä esteenä. Minulla meni kauan tällaisen itsevarmuuden kehittämiseen tutkijana ja haluan nyt aktiivisesti ohjata opiskelijoita kohti tällaista ajattelutapaa. Nykyään jos kohtaan ongelman, jota en aluksi osaa lainkaan ratkaista, ajattelen, että onpas mielenkiintoinen juttu. Ja usein kun ongelmaa vain yhdessä muiden kanssa systemaattisesti tutkii ja miettii tarpeeksi monelta kannalta, ratkaisu löytyy."

Kuka?

• Filosofian tohtori (Jyväskylän yliopisto, 2018), Aalto-yliopiston Kemian tekniikan korkeakoulun orgaanisen kemian apulaisprofessori.
• Työskenteli ennen Aaltoa kolmen vuoden ajan Texasin Rice Universityssä opettavana postdoc-tutkijana ja orgaanisen kemian yliopistolehtorina.
• Harrastaa aktiivisesti kuvataidetta – piirtää, maalaa ja lukee taidehistoriaa käsitteleviä teoksia. On kiinnostunut tieteen ja taiteen maailmojen liittymäpinnoista. Muita harrastuksia ovat mm. juokseminen ja elektroniikkarakentelu.