Assessment and control of Bacillus cereus emetic toxin in food

Despite of improving levels of hygiene, the incidence of registered food borne disease has been at the same level for many years: there were 40 to 90 epidemics in which 1000-9000 persons contracted food poisoning through food or drinking water in Finland. Until the year 2004 salmonella and campylobacter were the most common bacterial causes of food borne diseases, but in years 2005-2006 Bacillus cereus was the most common. Similar developement has been published i.e. in Germany already in the 1990´s. One reason for this can be Bacillus cereus and its emetic toxin, cereulide. Bacillus cereus is a common environmental bacterium that contaminates raw materials of food. Otherwise than salmonella and campylobacter, Bacillus cereus is a heat resistant bacterium, capable of surviving most cooking procedures due to the production of highly thermo resistant spores. The food involved has usually been heat treated and surviving spores are the source of the food poisoning. The heat treatment induces germination of the spore and the vegetative cells then produce toxins. This doctoral thesis research focuses on developing methods for assessing and eliminating risks to food safety by cereulide producing Bacillus cereus. The biochemistry and physiology of cereulide production was investigated and the results were targeted to offer tools for minimizing toxin risk in food during the production. I developed methods for the extraction and quantitative analysis of cereulide directly from food. A prerequisite for that is knowledge of the chemical and physical properties of the toxin. Because cereulide is practically insoluble in water, I used organic solvents; methanol, ethanol and pentane for the extraction. For extraction of bakery products I used high temperature (100C) and pressure (103.4 bars). Alternaties for effective extraction is to flood the plain food with ethanol, followed by stationary equilibration at room temperature. I used this protocol for extracting cereulide from potato puree and penne. Using this extraction method it is also possible also extract cereulide from liquid food, like milk. These extraction methods are important improvement steps for studying of Bacillus cereus emetic food poisonings. Prior my work, cereulide extraction was done using water. As the result, the yield was poor and variable. To investigate suspected food poisonings, it is important to show actual toxicity of the incriminated food. Many toxins, but not cereulide, inactivate during food processing like heating. The next step is to identify toxin by chemical methods. I developed with my colleague Maria Andesson a rapid assay for the detection of cereulide toxicity, within 5 to 15 minutes. By applying this test it is possible to rapidly detect which food was causing the food poisoning. The chemical identification of cereulide was achieved using mass spectrometry. I used cereulide specific molecular ions, m/z (+/-0.3) 1153.8 (M+H+), 1171.0 (M+NH4+), 1176.0 (M+Na+) and 1191.7 (M+K+) for reliable identification. I investigated foods to find out their amenability to accumulate cereulide. Cereulide was formed high amounts (0.3 to 5.5 microg/g wet wt) when of cereulide producing B. cereus strains were present in beans, rice, rice-pastry and meat-pastry, if stored at non refrigerated temperatures (21-23C). Rice and meat pastries are frequently consumed under conditions where no cooled storage is available e.g. picnics and outdoor events. Bacillus cereus is a ubiquitous spore former and is therefore difficult to eliminate from foods. It is therefore important to know which conditions will affect the formation of cereulide in foods. My research showed that the cereulide content was strongly (10 to 1000 fold differences in toxin content) affected by the growth environment of the bacterium. Storage of foods under nitrogen atmosphere (> 99.5 %) prevented the production of cereulide. But when also carbon dioxide was present, minimizing the oxygen contant (< 1%) did not protect the food from formation of cereulide in preliminary experiments. Also food supplements affected cereulide production at least in the laboratory. Adding free amino acids, leucine and valine, stimulated cereulide production 10 to 20 fold. In peptide bonded form these amino acids are natural constituents in all proteins. Interestingly, adding peptide bonded leucine and valine had no significant effect on cereulide production. Free amino acids leucine and valine are approved food supplements and widely used as flawour modifiers in food technology. My research showed that these food supplements may increase food poisoning risk even though they are not toxic themselves.

Microbial life and deposits in paper machine circuits

Väitöskirjani käsittele mikrobien ja erilaisten kemikaalien rooleja saostumien ja biofilmien muodostumisessa paperi- ja kartonkikoneilla. "Saostuma" tässä työssä tarkoittaa kiinteän aineen kertymää konepinnoille tai rajapinnoille konekierroissa, jotka on tarkoitettu massasulppujen, lietteiden, vesien tai ilman kuljetukseen. Saostumasta tulee "biofilmi" silloin kun sen oleellinen rakennekomponentti on mikrobisolut tai niiden tuotteet. Väitöstyöni työhypoteesina oli, että i. tietämys saostumien koostumuksesta, sekä ii. niiden rakenteesta, biologisista, fysikaalis-kemiallisista ja teknisistä ominaisuuksista ohjaavat tutkijaa löytämään ympäristöä säästäviä keinoja estää epätoivottujen saostumien muodostus tai purkaa jo muodostuneita saostumia. Selvittääkseni saostumien koostumista ja rakennetta käytin monia erilaisia analytiikan työkaluja, kuten elektronimikroskopiaa, konfokaali-laser mikroskopiaa (CLSM), energiadispersiivistä röntgenanalyysiä (EDX), pyrolyysi kaasukromatografiaa yhdistettynä massaspektrometriaan (Py-GCMS), joninvaihtokromatografiaa, kaasukromatografiaa ja mikrobiologisia analyysejä. Osallistuin aktiivisesti innovatiivisen, valon takaisinsirontaan perustuvan sensorin kehittämistyöhön, käytettäväksi biofilmin kasvun mittaukseen suoraan koneen vesikierroista ja säiliöistä. Työni osoitti, että monet paperinvalmistuksessa käytetyistä kemikaaleista reagoivat keskenään tuottaen orgaanisia tahmakerroksia konekiertojen teräspinnoille. Löysin myös kerrostumia, jotka valomikroskooppisessa tarkastelussa oli tulkittu mikrobeiksi, mutta jotka elektronimikroskopia paljasti alunasta syntyneiksi, alumiinihydroksidiksi joka saostui pH:ssa 6,8 kiertokuitua käyttävän koneen viiravesistä. Monet paperintekijät käyttävät vieläkin alunaa kiinnitysaineena vaikka prosessiolot ovat muuttuneet happamista neutraaleiksi. Sitä pidetään paperitekijän "aspiriinina", mutta väitöstutkimukseni osoitti sen riskit. Löysin myös orgaanisia saostumia, joiden alkuperä oli aineiden, kuten pihkan, saippuoituminen (kalsium saippuat) niin että muodostui tahmankasvua ylläpitävä alusta monilla paperi- ja kartonkikoneilla. Näin solumuodoiltaan Deinococcus geothermalista muistuttavia bakteereita kasvamassa lujasti teräskoepalojen pintaan kiinnittyneinä pesäkkeinä, kun koepaloja upotettiin paperikoneiden vesikiertoihin. Nämä deinokokkimaiset pesäkkeet voivat toimia jalustana, tarttumisalustana muiden mikrobien massoille, joka selittäisi miksi saostumat yleisesti sisältävät deinokokkeja pienenä, muttei koskaan pääasiallisena rakenneosana. Kun paperikoneiden käyttämien vesien (raakavedet, lämminvesi, biologisesti puhdistettu jätevesi) laatua tutkitaan, mittausmenetelmällä on suuri merkitys. Koepalan upotusmenetelmällä todettu biofilmikasvu ja viljelmenetelmällä mitattu bakteerisaastuneisuus korreloivat toisiinsa huonosti etenkin silloin kun likaantumisessa oli mukana rihmamaiseti kasvavia bakteereja. Huoli ympäristöstä on pakottanut paperi- ja kartonkikoneiden vesikiertojen sulkemiseen. Vesien kierrätys ja prosessivesien uudelleenkäyttö nostavat prosessilämpötilaa ja lisäävät koneella kiertävien kolloidisten ja liuenneiden aineiden määriä. Tutkin kiertovesien pitoisuuksia kolmessa eriasteisesti suljetussa tehtaassa, joiden päästöt olivat 0 m3, 0,5 m3 ja 4 m3 jätevettä tuotetonnia kohden, perustuen puhdistetun jäteveden uudelleen käyttöön. Nollapäästöisellä tehtaalla kiertovesiin kertyi paljon orgaanisesti sidottua hiiltä (> 10 g L-1), etenkin haihtuvina happoina (maito-, etikka-, propioni- ja voi-). Myös sulfaatteja, klorideja, natriumia ja kalsiumia kertyi paljon, > 1 g L-1 kutakin. Pääosa (>40%) kaikista bakteereista oli 16S rRNA geenisekvenssianalyysien tulosten perusteella sukua, joskin etäistä (< 96%) ainoastaan Enterococcus cecorum bakteerille. 4 m3 päästävältä tehtaalta löytyi lisäksi Bacillus thermoamylovorans ja Bacillus coagulans. Tehtaiden saostumat sisälsivät arkkeja suurina pitoisuuksina, ≥ 108 g-1, mutta tunnistukseen riittävää sekvenssisamanlaisuutta löytyi vain yhteen arkkisukuun, Methanothrix. Tutkimustulokset osoittivat että tehtaan vesikiertojen sulkeminen vähensi rajusti mikrobiston monimuotoisuutta, muttei estänyt liuenneen aineen ja kiintoaineen mineralisoitumista.

Ravinnon hiilihydraattien glykemiaindeksin vaikutus keskiglukoosipitoisuuteen ja glukoosikäyrän alaiseen pinta-alaan henkilöillä, joilla on heikentynyt glukoosinsieto

Johdanto Korkeat aterianjälkeiset veren glukoosipitoisuushuiput ovat haitallisia verisuonille jo ennen varsinaisten diabeteskriteerien täyttymistä. Valitsemalla alhaisen glykemiaindeksin (GI) hiilihydraatteja ruokavalioon, voidaan veren glukoosipitoisuutta alentaa diabeetikoilla. Tyypin 2 diabeteksen lisääntymisen takia on tarpeellista etsiä keinoja ehkäistä sairauden puhkeamista riskiryhmissä. Glukoosimonitorilla on mahdollista seurata aiempaa tarkemmin glykemiaindeksin vaikutusta veren glukoosipitoisuuteen. Tavoitteet Selvittää, miten korvaamalla ruokavalion tavanomaiset hiilihydraatit joko korkean tai alhaisen GI:n hiilihydraateilla voidaan vaikuttaa vuorokauden keskiglukoosipitoisuuteen. Lisäksi tavoitteena oli selvittää, voidaanko vain hiilihydraattien laatua muuttamalla, puuttumatta niiden määrään tai muuhun ruokavalioon, vaikuttaa glukoosiaineenvaihduntaan henkilöillä, joilla on heikentynyt glukoosin sieto. Tutkittavat ja menetelmät Tutkimus toteutettiin satunnaistettuna vaihtovuorokokeena, jossa tutkittavina oli 56 51-73-vuotiasta henkilöä, joista naisia oli 41 ja miehiä 15. Tutkittavilla oli heikentynyt glukoosinsieto tai ruokavaliohoitoinen tyypin 2 diabetes. Tutkittavat korvasivat ruokavalionsa päähiilihydraatit 7-10 vuorokauden ajaksi glykemiaindeksiltään joko alhaiseksi (GI = 38) tai korkeaksi (GI = 72) arvioiduilla tutkimushiilihydraateilla. Kolmen viimeisen vuorokauden ajaksi tutkittaville asennettiin glukoosimonitoriin kytketty ihonalainen sensori, joka mittasi kudosnesteen glukoosipitoisuutta ja tutkimusjaksojen lopuksi tutkittaville tehtiin oraalinen glukoosirasituskoe. Tulokset Alhaisen GI:n ruokavaliolla kahden vuorokauden glukoosikäyrien alainen pinta-ala oli pienempi kuin korkean GI:n ruokavaliolla (16487 vs. 17270 mmol/l*48h; p = 0,009, n = 47). Vastaavasti kahden vuorokauden keskiglukoosipitoisuudet olivat 5,7 mmol/l ja 6,0 mmol/l, p = 0,009, n = 47. Glykosyloitunut hemoglobiini oli alhaisen GI:n ruokavalion jälkeen pienempi (5,33% vs. 5,38 %, p = 0,017, n = 53). Tutkittavien paino pieneni kummallakin ruokavaliolla; alhaisen GI:n ruokavaliolla 1,02 kg ja korkean GI:n ruokavaliolla 0,31 kg (p alle 0,001, n = 56). Vaikutusta plasman paastoglukoosiin ja seerumin paastoinsuliiniin ei ollut. Johtopäätökset Korvaamalla ruokavalion päähiilihydraatit alhaisen GI:n hiilihydraateilla, voidaan pitkäaikaista glukoositasoa pienentää ja näin ollen mahdollisesti ehkäistä heikentyneen glukoosinsiedon kehittymistä tyypin 2 diabetekseksi. Koska paastoglukoosipitoisuus ja paastoinsuliinipitoisuus eivät muuttuneet, lienee erityisesti aterianjälkeisillä glukoosihuipuilla merkitystä elimistön pitkäaikaiselle glukoositasolle henkilöillä, joilla on heikentynyt glukoosinsieto.

Sianlihan tuotantoon vaikuttavat tekijät vuosina 1995-2006

Ennen Suomen EU-jäsenyyttä kansallisen maatalouspolitiikan yksi päätavoitteista oli elintarvikeomavaraisuus. Tavoitteen saavuttamiseksi Suomessa oli maatalouspolitiikan osalta käytössä hintatukijärjestelmä, jossa yksi pääasiallisista tuotannon ohjauskeinoista oli tavoitehinnat, joilla valtiovalta pyrki vaikuttamaan tuottajahintoihin. Tavoitehintojen avulla tuottajat pystyivät ennakoimaan tulevan hintatason ja näin siirtämään tuotantoaan taloudellisesti kannattavimpaan suuntaan. Tästä oli kuitenkin seurauksena kotimaisen elintarvikeomavaraisuuden ylittyminen varsinkin eläinkunnan tuotteiden osalta. Vuonna 1994 lihatuotteiden yhteenlaskettu omavaisuus oli 110 prosenttia. Sianlihan osalta omavaisuus oli hieman tätä suurempi, 114 prosenttia. Suomen liityttyä EU:n jäsenmaaksi vuonna 1995 tavoitehinnoista luovuttiin ja samalla tuottajahinnat putosivat. Korvaukseksi tuottajahintojen pudotuksesta tuottajille alettiin maksaa suoria tulotukia. Tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää mitkä tekijät vaikuttivat sianlihan tuotantopäätöksiin maatalouden muuttuneessa toimintaympäristössä ja miten yhteisen maatalouspolitiikan uudistukset vaikuttivat sianlihan tarjontaan. Tutkimuksen tarkasteluaikavälinä olivat vuodet 1995 2006. Tutkimuksen tavoitteena oli myös tuotantoon vaikuttavien tekijöiden pohjalta ennustaa sianlihan tuotantoa vuoteen 2013. Tuotantopäätöksiin vaikuttavia tekijöitä tarkasteltiin regressio-analyysin avulla, jotta saataisiin selville sianlihan tuotantoa parhaiten selittävät tekijät. Tutkimuksen aikasarja-aineisto poimittiin maa- ja metsätalousministeriön tietopalvelukeskuksen (Tike:n) ja tilastokeskuksen julkaisemista ja ylläpitämistä tilastoista. Sianlihan tuotantoon vaikuttavien tekijöiden ennusteisiin tutkimuksessa käytettiin sekä kansainvälisten että kotimaisten taloustutkimuslaitosten ja organisaatioiden ennusteita. Tutkimuksen teoreettinen viitekehys muodostui yrityksen teoriasta, tarjontateoriasta ja aikavälin merkityksestä tarjontaan. Tuotantomallin estimoinnin tuloksena sianlihan tuotantoon vaikuttivat vuosien 1996 2006 aikana sianlihan tuotannon tuottavuuden kasvua kuvaava teknologiamuuttuja, neljällä neljänneksellä viivästetty sianlihan tuottajahinta ja tuotantotuet yhteenlaskettuna, kolmella neljänneksellä viivästetty vehnän tuottajahinta, kahdeksalla neljänneksellä viivästetty sianlihan tuotanto, kahdella neljänneksellä viivästetty porsaan välityshinta ja kuudella neljänneksellä viivästetty investointituet. Sianlihan tuotantomallin selitysasteeksi saatiin 0,91. Estimoidulla tuotantomallilla ennustettiin sianlihan tuotannon kehitystä vuosina 2007 2013. Perusskenaariossa tuotannon ennustettiin muuttuvan vuodesta 2007 eteenpäin samalla tavalla kuin vuosina 1995 2006 keskimäärin. Perusskenaarion lisäksi tuotantomallilla simuloitiin tuotantotukien ja investointitukien dekoplauksen vaikutusta sianlihan tuotantoon. Tuotantotukien dekoplauksen myötä sianlihan tuotanto laskisi 177 milj. kiloon vuonna 2009, mutta nousisi 193 milj. kiloon vuonna 2013. Investointitukien dekoplauksen myötä tuotanto laskisi 176 milj. kiloon vuonna 2009 ja nousisi vuoteen 2013 mennessä 191 milj. kiloon. Suurimman pudotuksen aiheutti kuitenkin vehnän tuottajahinnan nousu vuosien 2006 ja 2007 aikana, jonka seurauksena sianlihan tuotanto laskisi jo vuonna 2008 180 milj. kiloon.

Kaksikertasironnan simulointi

Mahdollisimman tarkka tieto varatun hiukkasen energianmenetyksestä sen kulkiessa näytteessä on usein hyvin olennaista varteenotettavien tutkimustulosten aikaansaamiseksi monilla eri fysiikan suuntautumisaloilla. Aihe onkin hyvin laajalti tutkittu. Kehityksen kuitenkin edetessä yhä pienempiin mittasuhteisiin ja tarkempiin arvoihin on tärkeää, että myös ionien energianmenetyksestä väliaineessa saadaan yhä tarkempaa tietoa. Takaisinsirontaspektrometriassa tarkastellaan näytteestä sironneita ammusioneja. Takaisinsironnan avulla voidaan tunnistaa näytteen sisältämät alkuaineet, selvittää syvyysjakauma ja näytteen alkuaineiden suhteelliset runsaudet. Menetelmään liittyvät ilmiöt ovat varsin monimutkaisia ja niiden teoreettinen mallintaminen siten haasteellista. Kun tavoitteena on simuloida mahdollisimman tarkasti tilannetta, jossa kiihdytetty ioni etenee näytteessä ei analyyttinen ratkaisumalli välttämättä ole paras vaihtoehto. Tilannetta kuvaamaan onkin kehitetty useita eri laskennallisia menetelmiä. Tässä työssä tarkasteltiin sitä kuinka paljon kaksikertasironnan huomioon ottaminen vaikuttaa tuloksiin takaisinsirontaa simuloitaessa. Useimmat takaisinsironnan mallinnusohjelmat ottavat huomioon ainoastaan yksikertasironnan. Tämä on varsin ymmärrettävää, sillä jo toisen sirontatapahtuman huomioon ottaminen ja mallintaminen analyyttisesti lisää huomattavasti simulaation laskutapahtumien lukumäärää ja hidastaa siten itse simulaatiota. Työtä varten kirjoitettiin ohjelma, jolla simuloituja tuloksia verrattiin sekä näytteistä mitattuihin että toisella simulaatio-ohjelmalla tuotettuihin spektreihin. Vertailusta kävi selvästi ilmi kaksikertasironnan merkitys takaisinsirontaa simuloitaessa. Yksikertasironnan tuoma informaatio päättyy energiaan, jolla näytteen takareunasta sironnut ioni havaitaan ilmaisimessa. Toisen sirontatapahtuman huomioon ottaminen tuo lisäinformaatiota etenkin spektrin häntäalueella. Laaditulla ohjelmalla pystyttiin nyt käsittelemään ainoastaan erikoistapausta, jossa ionisuihku ammuttiin kohtisuoraan näytteeseen. Looginen jatkotoimenpide työn parissa olisi laajentaa ohjelma käsittämään muutkin ionisuihkun tulokulmat.

Satelliitti-instrumentti IASI ja sen sovellukset sääpalvelulle

IASI on vuodesta 2007 käytössä ollut satelliitti-instrumentti Metop-polaarisatelliitissa. IASI-mittauksista johdettuja lopputuotteita ovat mm. lämpötilan ja kosteuden pystyprofiilit, pilven ylärajan lämpötila ja paine sekä eri hivenkaasujen pitoisuudet. Tämä työ on alkua IASI:n käyttöönotolle Ilmatieteen laitoksella. Työssä selvitetään IASI:n lämpötilaprofiileiden ja pilven ylärajan paineen soveltuvuutta sääpalvelulle vertailemalla niitä jo käytössä oleviin sääpalvelun työkaluihin. IASI-mittauksista johdettuja lämpötilaprofiileita verrataan Ilmatieteen laitoksen operatiivisiin pintaluotauksiin. Lisäksi tarkastellaan IASI:n lämpötilaprofiileiden vaikutusta paikallisen analyysi- ja ennustustyökalu LAPS:in lämpötila-analyysiin. IASI:n pilven ylärajan lämpötiloja verrataan AVHRR-radiometrista johdettuihin pilven ylärajan lämpötiloihin. IASI:sta ja AVHRR:stä johdetut keskimääräiset lämpötilat olivat lähes samat alapilville. Yläpilville ja osittain läpinäkyville cirrus-pilville lämpötilaero oli noin 5 Celsius-astetta. IASI:n lämpötilaluotaukset osoittautuivat käyttökelpoisiksi etenkin keski- ja ylätroposfäärissä (350 - 600 hPa), jossa IASI:n antama lämpötila erosi pintaluotauksen lämpötilasta vain noin +-1 Celsius-astetta. IASI:n lämpötilaluotausten suurin ongelma on mittausten katkeaminen pilven ylärajaan. IASI-luotauksilla oli suuri vaikutus LAPS-lämpötila-analyysiin mallin koko alueella, mutta vertailuaineiston puutteessa ei voida varmasti sanoa onko vaikutus positiivinen vai negatiivinen. Tulokset ovat lupaavia. IASI:n lämpötilaluotaukset ja pilven ylärajan lämpötila vaikuttavat käyttökelpoisilta sääpalvelun tarpeisiin.

Mittauslaitteiston suunnittelu piidiodien vuotovirtamittauksiin matalissa lämpötiloissa

Tässä työssä on suunniteltu mittauslaitteisto ja toteutettu diodien vuotovirtamittaukset matalissa lämpötiloissa. Suunnittelun pääpaino oli tuottaa mittauslaitteisto, joka kestäisi mittausolosuhteitten matalan lämpötilan (80 K) ja toisaalta myös lämpötilavaihtelut huoneen lämpötilasta mataliin lämpötiloihin. Lisäksi mittauslaitteiston oli kestettävä myös tutkimusprojektin myöhemmissä vaiheissa mukaan tulevaa protonisäteilytystä, mikä asetti omat valintaperusteensa materiaaleille. Mittauslaitteiston kohinaa pyrittiin vaimentamaan kontaktipintojen kultapinnoitteilla ja kiinnittämällä huomiota virtajohtimien eristyksiin. Työssä mitattiin erilailla prosessoitujen piidiodien vuotovirtoja eri lämpötiloissa. Mitatut diodit olivat sekä etukäteen säteilytettyjä että säteilyttämättömiä ja työn yhtenä päämääränä oli verrata säteilytyksen vaikutuksia vuotovirran lämpötilakorrelaatioon. Diodien piimateriaaleja oli valmistettu magneettisella Czochralski-menetelmällä sekä Float Zone-menetelmällä, lisäksi osaa diodeista oli muokattu erilaisilla lämpökäsittelyillä parempien säteilynkesto-ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Mittauksissa diodin lämpötila laskettiin jäähdytyslaitteistolla systeemin minimilämpötilaan ja diodin ominaiskäyrä mitattiin välillä 0-450 V. Lämpötilaa nostettiin asteittain ja ominaiskäyrät mitattiin määrätyissä lämpötiloissa, minkä jälkeen tuloksia verrattiin teoreettisiin arvioihin vuotovirran lämpötilakäyttäytymisestä. Tulosten perusteella voidaan todeta teoreettisten arvojen vastaavan kokeellisia, mittauslaitteiston erottelukyvyn kynnykselle asti (10-11A), mutta tämän jälkeen mahdollinen lämpötilan laskun aiheuttama virranlasku hukkuu mittalaitteiston kohinan sekaan. Säteilytettyjen diodien kohdalla lämpötilan laskeminen madalsi vuotovirtaa 6 dekadia huoneenlämmöstä 190 K lämpötilaan, kunnes mittauskynnys ylittyi. Säteilyttämättömillä diodeilla vuotovirta oli jo huoneenlämpötilassa erittäin pientä ja lämpötilan laskiessa minimiarvoonsa vuotovirta pieneni n. 2 dekadia, kunnes mittalaitteiston mittatarkkuus tuli vastaan.

Pentapeptidirakenteiden yleisimmät yhtäläisyydet

Proteiinit ovat elämälle välttämättömiä orgaanisia yhdisteitä, jotka koostuvat yhdestä tai useammasta aminohappoketjusta. Proteiinien toiminnan määrää niiden kolmiulotteinen rakenne, joka taas riippuu pitkälti proteiinien aminohappojärjestyksestä, sekvenssistä. Proteiinien tunnettujen sekvenssien määrä kasvaa DNA-sekvensoinnin tuloksena selvästi nopeammin kuin selvitettyjen kolmiulotteisten rakenteiden, konformaatioiden, määrä. Proteiinien rakenteitakin tunnetaan jo lähes 45 000, joten niiden tilastollisella analyysillä on yhä merkittävämpi osuus uusien proteiinien rakenteen määrittämisessä, ennustamisessa ja suunnittelussa. Työssä etsittiin pentapeptidejä (viiden aminohapon pituisia ketjuja), joilla on sama konformaatio kaikissa tunnetuissa proteiinien rakenteissa. Näitä rakennuspalikoita voisi käyttää suoraviivaisessa proteiinien suunnittelussa halutun kolmiulotteisen rakenteen aikaansaamiseksi. Aineistona käytettiin proteiinitietopankin joulukuussa 2007 sisältämiä rakenteita, joihin kuului lähes 45 000 proteiinin kolmiulotteista rakennetta. Aineiston laajuuden takia rakennuspalikoita etsittiin kahdessa vaiheessa vertailemalla pentapeptidien rakenteen keskeisten atomien (CA, CB, O, C ja N) sijaintia proteiinien aminohappoketjuissa. Työssä löytyi yli 9000 rakennuspalikkaa, pentapeptidiä, joista jokaisella oli sama konformaatio yli 12 eri rakennetiedostossa, niissä ilmoitettujen tarkkuuksien rajoissa. Löydetyistä rakennuspalikoista 48:lla oli täysin sama konformaatio kaikkialla, mistä ne löydettiin. Näistä useimmin esiintyneitä voi käyttää suoraan proteiinien rakenneanalyysissä valmiina kolmiulotteisen rakenteen osina. Eri konformaatioihin laskostuvia identtisiä pentapeptidejä löytyi yli 266 000 kappaletta. Rakennuspalikoiden stabiiliudesta johtuen ne saattavat olla tärkeitä proteiinien fysikaalisen mallinnuksen tutkimus- ja vertailukohteina. Käytännön kannalta työn lupaavin tulos oli se, että rakennuspalikoita löytyi eri vasta-aineiden rakennetiedostoista. Ehkäpä juuri vasta-aineita voitaisiin suunnitella työssä esitetyillä menetelmillä.

Organic contaminants - occurrence and biological effects in the Baltic Sea

The Baltic Sea was studied with respect to selected organic contaminants and their ecotoxicology. The research consisted of analyses of total hydrocarbons, polycyclic aromatic hydrocarbons, bile metabolites, hepatic ethoxyresorufin-O-deethylase (EROD) activity, polychlorinated biphenyls (PCBs) and organochlorine pesticides (OCPs). The contaminants were measured from various matrices, such as seawater, sediment and biota. The methods of analysis were evaluated and refined to comparability of the results. Polyaromatic hydrocarbons, originating from petroleum, are known to be among the most harmful substances to the marine environment. In Baltic subsurface water, seasonal dependence of the total hydrocarbon concentrations (THCs) was seen. Although concentrations of parent polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in sediment surface varied between 64 and 5161 ug kg-1 (dw), concentrations above 860 ug kg-1 (dw) were found in all the studied sub-basins of the Baltic Sea. Concentrations commonly considered to substantially increase the risk of liver disease and reproductive impairment in fish, as well as potential effects on growth (above 1000 ug kg-1 dw), were found in all the studied sub-basins of the Baltic Sea except Kattegat. Thus, considerable pollution in sediments was indicated. In bivalves, the sums of 12 PAHs varied on a wet weight basis between 44 and 298 ug kg-1 (ww). The predominant PAHs were high molecular weight and the PAH profiles of M. balthica differed from those found in sediment from the same area. The PAHs were both pyrolytic and petrogenic in origin, and a contribution from diesel engines was found, which indicates pollution of the Baltic Sea, most likely caused by the steadily increasing shipping in the area. The HPLC methods developed for hepatic EROD activity and bile metabolite measurements proved to be fast and suitable for the study of biological effects. A mixed function oxygenase enzyme system in Baltic Sea perch collected from the Gulf of Finland was induced slightly: EROD activity in perch varied from 0.30 14 pmol min-1 mg-1 protein. This range can be considered to be comparable to background values. Recent PAH exposure was also indicated by enhanced levels (213 and 1149 ug kg-1) of the bile metabolite 1-hydroxypyrene. No correlation was indicated between hepatic EROD activity and concentration of 1-hydroxypyrene in bile. PCBs and OCPs were observed in Baltic Sea sediment, bivalves and herring. Sums of seven CBs in surface sediment (0 5 cm) ranged from 0.04 to 6.2 ug kg-1 (dw) and sums of three DDTs from 0.13 to 5.0 ug kg-1 (dw). The highest levels of contaminants were found in the most eastern area of the Gulf of Finland where the highest total carbon and nitrogen content was found and where the lowest percentage proportion of p,p -DDT was found. The highest concentrations of CBs and the lowest concentration of DDTs were found in M. balthica from the Gulf of Finland. The highest levels of DDTs were found in M. balthica from the Hanö Bight, which is the outer part of the Bornholm Basin close to the Swedish mainland. In bivalves, the sums of seven CBs were 72 108 ug kg-1 (lw) and the sums of three DDTs were 66 139 ug kg-1 (lw). Results from temporal trend monitoring showed, that during the period 1985 2002, the concentrations of seven CBs in two-year-old female Baltic herring were clearly decreased, from 9 16 to 2 6 ug kg-1 (ww) in the northern Baltic Sea. At the same time, concentrations of three DDTs declined from 8 15 to 1 5 ug kg-1 (ww). The total concentration of the fat-soluble CBs and DDTs in Baltic herring muscle was shown to be age-dependent; the average concentrations in ten-year-old Baltic herring were three to five-fold higher than in two-year-old herring. In Baltic herring and bivalves, as well as in surface sediments, CB 138 and CB153 were predominant among CBs, whereas among DDTs p,p'-DDD predominated in sediment and p,p'-DDE in bivalves and Baltic herring muscle. Baltic Sea sediments are potential sources of contaminants that may become available for bioaccumulation. Based on ecotoxicological assessment criteria, cause for concern regarding CBs in sediments was indicated for the Gulf of Finland and the northern Baltic Proper, and for the northern Baltic Sea regarding CBs in Baltic herring more than two years old. Statistical classification of selected organic contaminants indicated high-level contamination for p,p'-DDT, p,p'-DDD, p,p'-DDE, total DDTs, HCB, CB118 and CB153 in muscle of Baltic herring in age groups two to ten years; in contrast, concentrations of a-HCH and g-HCH were found to be moderate. The concentrations of DDTs and CBs in bivalves is sufficient to cause biological effects, and demonstrates that long-term biological effects are still possible in the case of DDTs in the Hanö Bight.

Radical Enhanced Atomic Layer Deposition of Metals and Oxides

Atomic Layer Deposition (ALD) is a chemical, gas-phase thin film deposition method. It is known for its ability for accurate and precise thickness control, and uniform and conformal film growth. One area where ALD has not yet excelled is film deposition at low temperatures. Also deposition of metals, besides the noble metals, has proven to be quite challenging. To alleviate these limitations, more aggressive reactants are required. One such group of reactants are radicals, which may be formed by dissociating gases. Dissociation is most conveniently done with a plasma source. For example, dissociating molecular oxygen or hydrogen, oxygen or hydrogen radicals are generated. The use of radicals in ALD may surmount some of the above limitations: oxide film deposition at low temperatures may become feasible if oxygen radicals are used as they are highly reactive. Also, as hydrogen radicals are very effective reducing agents, they may be used to deposit metals. In this work, a plasma source was incorporated in an existing ALD reactor for radical generation, and the reactor was used to study five different Radical Enhanced ALD processes. The modifications to the existing reactor and the different possibilities during the modification process are discussed. The studied materials include two metals, copper and silver, and three oxides, aluminium oxide, titanium dioxide and tantalum oxide. The materials were characterized and their properties were compared to other variations of the same process, utilizing the same metal precursor, to understand what kind of effect the non-metal precursor has on the film properties and growth characteristics. Both metals were deposited successfully, and silver for the first time by ALD. The films had low resistivity and grew conformally in the ALD mode, demonstrating that the REALD of metals is true ALD. The oxide films had exceptionally high growth rates, and aluminium oxide grew at room temperature with low cycle times and resulted in good quality films. Both aluminium oxide and titanium dioxide were deposited on natural fibres without damaging the fibre. Tantalum oxide was also deposited successfully, with good electrical properties, but at slightly higher temperature than the other two oxides, due to the evaporation temperature required by the metal precursor. Overall, the ability of REALD to deposit metallic and oxide films with high quality at low temperatures was demonstrated.

Syntheses and Self-Assembling Characteristics of Amphiphilic Star Diblock Copolymers

Uusien polymeeripohjaisten teknologioiden ja materiaalien myötä räätälöityjen polymeerien tarve on kasvanut. Viime vuosituhannen lopussa kehitetyt kontrolloidut polymerointimenetelmät ovat avanneet uusia mahdollisuuksia paitsi monimutkaisten polymeerien synteesiin, myös itsejärjestyvyyteen perustuvien funktionaalisten nanorakenteiden suunnitteluun ja valmistukseen. Nämä voivat jäljitellä luonnossa esiintyviä rakenteita, joita muodostavat esimerkiksi lipidit ja proteiinit. Itsejärjestyvät molekyylit ovat usein amfifiilisiä eli ne koostuvat hydrofiilisistä ja hydrofobisista osista ja polymeereissä nämä osat voivat olla omina lohkoinaan, jolloin puhutaan amfifiilisistä lohko- tai blokkikopolymeereistä. Riippuen järjestyneiden rakenteiden koostumuksesta ja muodosta, amfifiilisiä blokkikopolymeerejä on tutkittu tai jo käytetty nanoteknologiassa, elastomeereissä, voiteluaineissa, pinta-aktiivisina aineina, lääkkeenannostelussa, maaleissa, sekä elektroniikka-, kosmetiikka- ja elintarviketeollisuudessa. Tavallisimmin käytetyt amfifiiliset blokkikopolymeerit ovat olleet lineaarisia, mutta viime aikoina tutkimus on suuntautunut kohti monimutkaisempia rakenteita. Tällaisia ovat esimerkiksi tähtipolymeerit. Tähtimäisissä polymeereissä miselleille tyypillinen ydin-kuori-rakenne säilyy hyvin alhaisissakin polymeerikonsentraatioissa, koska polymeeriketjut ovat kiinni toisissaan yhdessä pisteessä. Siten ne ovat erityisen kiinnostavia tutkimuskohteita erilaisten hydrofobisten orgaanisten yhdisteiden sitomiseksi ja vapauttamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu amfifiilisten tähtipolymeerien itsejärjestymistä vesiliuoksissa sekä kokeellisesti ja tietokonesimulaatioin. Työ koostuu kahdesta osasta: tähtipolymeerien synteesistä makrosyklisillä initiaattoreilla ja amfifiilisten tähtimäisten blokkikopolymeerien ominaisuuksien tutkimisesta.

Novel Organo-Noble-Gas Hydrides

Noble gases are mostly known as inert monatomic gases due to their limited reactivity with other elements. However, the first predictions of noble-gas compounds were suggested by Kossel in 1916, by von Antropoff in 1924, and by Pauling in 1930. It took many decades until the first noble-gas compound, XePtF6, was synthesized by Neil Bartlett in 1962. This was followed by gradual development of the field and many noble-gas compounds have been prepared. In 1995, a family of noble-gas hydride molecules was discovered at the University of Helsinki. These molecules have the general formula of HNgY, where H is a hydrogen atom, Ng is a noble-gas atom (Ar, Kr, or Xe), and Y is an electronegative fragment. The first molecular species made include HXeI, HXeBr, HXeCl, HKrCl and HXeH. Nowadays the total number of prepared HNgY molecules is 23 including both inorganic and organic compounds. The first and only neutral ground-state argon compound, HArF, was synthetized in 2000. Helium and neon are the only elements in the periodic table that do not form neutral, ground-state molecules. In this Thesis, experimental preparation of eight novel xenon- and krypton-containing organo-noble-gas hydrides made from acetylene (HCCH), diacetylene (HCCCCH) and cyanoacetylene (HCCCN) are presented. These novel species include the first organic krypton compound, HKrCCH, as well as the first noble-gas hydride molecule containing two Xe atoms, HXeCCXeH. Other new compounds are HXeCCH, HXeCC, HXeC4H, HKrC4H, HXeC3N, and HKrC3N. These molecules are prepared in noble-gas matrices (krypton or xenon) using ultraviolet photolysis of the precursor molecule and thermal mobilization of the photogenerated H atoms. The molecules were identified using infrared spectroscopy and ab initio calculations. The formation mechanisms of the organo-noble-gas molecules are studied and discussed in this context. The focus is to evidence experimentally the neutral formation mechanisms of HNgY molecules upon global mobility of H atoms. The formation of HXeCCXeH from another noble-gas compound (HXeCC) is demonstrated and discussed. Interactions with the surrounding matrix and molecular complexes of the HXeCCH molecule are studied. HXeCCH was prepared in argon and krypton solids in addition to a Xe matrix. The weak HXeCCH∙∙∙CO2 complex is prepared and identified. Preparation of the HXeCCH∙∙∙CO2 complex demonstrates an advanced approach to studies of HNgY complexes where the precursor complex (HCCH∙∙∙CO2) is obtained using photolysis of a larger molecule (propiolic acid).

Atomic Layer Deposition of Electroluminescent ZnS, SrS, and BaS Thin Films

The light emitted by flat panel displays (FPD) can be generated in many different ways, such as for example alternating current thin film electroluminescence (ACTFEL), liquid crystal display (LCD), light emitting diode (LED), or plasma display panel (PDP) technologies. In this work, the focus was on ACTFEL devices and the goal was to develop new thin film processes for light emitting materials in ACTFEL devices. The films were deposited with the atomic layer deposition (ALD) method, which has been utilized in the manufacturing of ACTFEL displays since the mid-1980s. The ALD method is based on surface-controlled self-terminated reactions and a maximum of one layer of the desired material can be prepared during one deposition cycle. Therefore, the film thickness can be controlled simply by adjusting the number of deposition cycles. In addition, both large areas and deep trench structures can be covered uniformly. During this work, new ALD processes were developed for the following thin film materials: BaS, CuxS, MnS, PbS, SrS, SrSe, SrTe, SrS1-xSex, ZnS, and ZnS1-xSex. In addition, several ACTFEL devices were prepared where the light emitting material was BaS, SrS, SrS1-xSex, ZnS, or ZnS1-xSex thin film that was doped with Ce, Cu, Eu, Mn, or Pb. The sulfoselenide films were made by substituting the elemental selenium for sulfur on the substrate surface during film deposition. In this way, it was possible to replace a maximum of 90% of the sulfur with selenium, and the XRD analyses indicated that the films were solid solutions. The polycrystalline BaS, SrS, and ZnS thin films were deposited at 180-400, 120-460, and 280-500 °C, respectively, and the processes had a wide temperature range where the growth rate of the films was independent of the deposition temperature. The electroluminescence studies showed that the doped sulfoselenide films resulted in low emission intensity. However, the emission intensities and emission colors of the doped SrS, BaS, and ZnS films were comparable with those found in earlier studies. It was also shown that the electro-optical properties of the different ZnS:Mn devices were different as a consequence of different ZnS:Mn processes. Finally, it was concluded that because the higher deposition temperature seemed to result in a higher emission intensity, the thermal stability of the reactants has a significant role when the light emitting materials of ACTFEL devices are deposited with the ALD method.

Kemian ylioppilaskokeen tehtävät summatiivisen arvioinnin välineenä

The main purpose of the research was to illustrate chemistry matriculation examination questions as a summative assessment tool, and represent how the questions have evolved over the years. Summative assessment and its various test item classifications, Finnish goal-oriented curriculum model, and Bloom’s Revised Taxonomy of Cognitive Objectives formed the theoretical framework for the research. The research data consisted of 257 chemistry questions from 28 matriculation examinations between 1996 and 2009. The analysed test questions were formulated according to the national upper secondary school chemistry curricula 1994, and 2003. Qualitative approach and theory-driven content analysis method were employed in the research. Peer review was used to guarantee the reliability of the results. The research was guided by the following questions: (a) What kinds of test item formats are used in chemistry matriculation examinations? (b) How the fundamentals of chemistry are included in the chemistry matriculation examination questions? (c) What kinds of cognitive knowledge and skills do the chemistry matriculation examination questions require? The research indicates that summative assessment was used diversely in chemistry matriculation examinations. The tests included various test item formats, and their combinations. The majority of the test questions were constructed-response items that were either verbal, quantitative, or experimental questions, symbol questions, or combinations of the aforementioned. The studied chemistry matriculation examinations seldom included selected-response items that can be either multiple-choice, alternate choice, or matching items. The relative emphasis of the test item formats differed slightly depending on whether the test was a part of an extensive general studies battery of tests in sciences and humanities, or a subject-specific test. The classification framework developed in the research can be applied in chemistry and science education, and also in educational research. Chemistry matriculation examinations are based on the goal-oriented curriculum model, and cover relatively well the fundamentals of chemistry included in the national curriculum. Most of the test questions related to the symbolism of chemical equation, inorganic and organic reaction types and applications, the bonding and spatial structure in organic compounds, and stoichiometry problems. Only a few questions related to electrolysis, polymers, or buffer solutions. None of the test questions related to composites. There were not any significant differences in the emphasis between the tests formulated according to the national curriculum 1994 or 2003. Chemistry matriculation examinations are cognitively demanding. The research shows that the majority of the test questions require higher-order cognitive skills. Most of the questions required analysis of procedural knowledge. The questions that only required remembering or processing metacognitive knowledge, were not included in the research data. The required knowledge and skill level varied slightly between the test questions in the extensive general studies battery of tests in sciences and humanities, and subject-specific tests administered since 2006. The proportion of the Finnish chemistry matriculation examination questions requiring higher-order cognitive knowledge and skills is very large compared to what is discussed in the research literature.

Aspects and Applications of Pulse Sequence Design for Solution-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy

NMR spectroscopy enables the study of biomolecules from peptides and carbohydrates to proteins at atomic resolution. The technique uniquely allows for structure determination of molecules in solution-state. It also gives insights into dynamics and intermolecular interactions important for determining biological function. Detailed molecular information is entangled in the nuclear spin states. The information can be extracted by pulse sequences designed to measure the desired molecular parameters. Advancement of pulse sequence methodology therefore plays a key role in the development of biomolecular NMR spectroscopy. A range of novel pulse sequences for solution-state NMR spectroscopy are presented in this thesis. The pulse sequences are described in relation to the molecular information they provide. The pulse sequence experiments represent several advances in NMR spectroscopy with particular emphasis on applications for proteins. Some of the novel methods are focusing on methyl-containing amino acids which are pivotal for structure determination. Methyl-specific assignment schemes are introduced for increasing the size range of 13C,15N labeled proteins amenable to structure determination without resolving to more elaborate labeling schemes. Furthermore, cost-effective means are presented for monitoring amide and methyl correlations simultaneously. Residual dipolar couplings can be applied for structure refinement as well as for studying dynamics. Accurate methods for measuring residual dipolar couplings in small proteins are devised along with special techniques applicable when proteins require high pH or high temperature solvent conditions. Finally, a new technique is demonstrated to diminish strong-coupling induced artifacts in HMBC, a routine experiment for establishing long-range correlations in unlabeled molecules. The presented experiments facilitate structural studies of biomolecules by NMR spectroscopy.