Előfizetés a lapra

Fehérjefizika

A hét kutatója, biofizika, biológia, fehérje, interjú, orvosbiológia

2015/04/29

Ha annak idején a gimnazista Dér Bandit valaki megkérdezte, mi akarsz lenni, bizonyára azt válaszolta: fizikus. Akkor aligha gondolhatott arra, hogy kutatói pályája két tudományág, a fizika és a biológia házasságával teljesedik ki. Az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biológiai Intézete biomolekuláris elektronika csoportjának vezetője végzős fizikushallgatóként került az intézménybe. Dér András időközben megtanulta a biológiát, beleásta magát a fehérjekutatás rejtelmeibe, olyannyira sikeresen, hogy az e területen elért eredményeiért és a hazai bioelektronikai oktatás megteremtéséért Akadémiai Díjban részesült.

– Tudjuk, a tudomány fejlődésével a kutatók a világ egyre kisebb szeletét veszik górcső alá, így egyre több speciális szakterület keletkezik. Sokak számára ismeretlen ez a szóösszetétel: fehérjefizika. Hogyan került a látószögébe ez a terület?

– Az SZBK-ba kerülvén a szintén fizikus Keszthelyi Lajos, majd Ormos Pál kutatásaiba kapcsolódtam be, akik a fehérjék elektromos tulajdonságait vizsgálták.

– A laikus számára érdekesen hangzik, hogy az elektromosságnak lényeges szerepe van az élő szervezetek, a fehérjék működésében. Miért fontos ezeknek a fogalmaknak a megismerése?

– Alapvető biológiai folyamat egyebek között a biológiai energiaátalakítás. A kutatók régóta kíváncsiak arra, hogyan alakítja át a sejt a külső energiát saját maga számára fölhasználható biológiai energiává. Azt tudjuk, hogy ez a folyamat együtt jár elektromos jelenségekkel, amelyek visszavezethetők a sejtmembránon keresztül történő töltéstranszportra.

– Egy icipici sejt elektromosságát hogyan lehet mérni?

– A 70-es években mindez csak hipotézis volt, a Nobel-díjas Mitchell szerint minden egyes élő sejt – legyen az növényi, állati vagy emberi – hasonló módon alakítja át a külső energiát biológiai energiává. Ezeknek a hasonló folyamatoknak a közös része az úgynevezett protontranszport, illetve az ezt végrehajtó pumpafehérje, amelynek működését elektromos mérésekkel lehet követni a legközvetlenebb módon. Mi erre dolgoztunk ki speciális módszert.

– Hogy el tudjuk képzelni: az elektromosság méréséhez elektródákra van szükség, melyek aszimmetrikusak, negatív és pozitív töltésűek. A sejtben is keletkezik feszültség, amely mérhető?

– A sejtben, a membránban vannak olyan fehérjék, amelyek képesek ionokat pumpálni a membránon keresztül, így a fal két oldala közt feszültség keletkezik. A pumpák feltöltik elektromosan a membránt. Ez energia, ki lehet sütni: a kisülés folyamán más fehérjemolekulák igen nagy energiatartalmú ATP-t szintetizálnak. Ez aztán eljut a szervezet minden részébe és ez működteti az egész szervezetet.

– Hogyan lehet ezt a folyamatot nyomon követni atomi szinten? Ebben segít a biológiának a fizika tudománya?

– A fizikusok a legapróbb részleteket figyelik meg: a biológiai jelenségeket atomi szinten a fizika módszereivel vizsgáljuk. A molekuláris elektromos áram időbeli lefolyását, változását mérjük. Ha például a legegyszerűbb protonpumpáló membránfehérje, a bak­te­rio­ro­dop­szin elnyel egy fotont, ez a gyors folyamat lassabb változásokat indít el a fehérjében, melynek során átpumpálódik a proton a membránon. Mi azt vizsgáljuk, hogyan működik ez a protonpumpa. A biológus általában megelégszik annak megállapításával, hogy pumpál, a fizikus arra is kíváncsi, hogy miként. Megállapítottuk, hogy több lépésben „préselődik” át a proton a membránon keresztül, s meg tudtuk határozni a lépéshosszakat illetve, hogy a fehérjemolekula szerkezete eközben hogyan változik atomi szinten.

– Miért fontos ezt tudnunk?

– Ha ezt megértjük, célzottan be is tudunk avatkozni a molekula működésébe. Ha mondjuk, kicserélünk benne valamit, meg tudjuk változtatni a molekula tulajdonságait úgy, hogy hasznunkra váljon.

– Például az egészségügyben, a gyógyításban?

– Az elektromos jelenségek nemcsak a biológiai energiaátalakításban játszanak szerepet, hanem az információátvitelben is. Az iontranszportáló membránfehérjék „összjátékán” alapul az idegsejtek működése is. A megfelelően módosított bak­te­rio­ro­dop­s­zint – illetve a hozzá hasonló iontranszportáló membránfehérjéket, a rodopszinokat – be lehet ültetni idegsejtekbe, amelyeket így fénnyel tudunk szabályozni: blokkolni vagy ingerelni. A Parkinson-kór kezelésekor például jelenleg, ha nem használnak a gyógyszerek, az agytörzsbe mélyen elektródákat vezetnek, és ott ingerlik a megfelelő agyterületet, hogy megszűnjék a remegés. Az új módszer, az optogenetika nem igényli az elektródák beültetését, helyette célzottan, a megfelelő agyterületen génsebészeti úton juttatnak rodopszinokat az idegsejtekbe, melyeket fénnyel tudnak vezérelni. Előnye az, hogy a környező idegsejteket nem ingerlik, a fényt az agyba bevezető optikai szálak vékonyabbak, mint az elektródák, így lényegesen kevesebb a mellékhatásuk.

 Az egyelőre német, svájci és amerikai laboratóriumokban végzett állatkísérletek nagyon bíztatóak, és reményt keltőek a módszer szemészeti alkalmazásának kilátásai is. Maku­la­de­ge­ne­rá­ció esetén, ha a retina felső rétege elpusztul, de az alatta lévő idegsejtek, amelyek az ingerületet elvezetik az agyba, épek, ezekbe bele lehet ültetni génsebészeti módszerekkel a ro­dop­szinokat, ezáltal a kísérleti állat visszanyeri a látását. Az optogenetika, ez az új kutatási és gyógyító eljárás az utóbbi évek legjelentősebb módszertani fölfedezése a neu­ro­bi­o­ló­giá­ban. Az agyterületek szelektív stimulálásával hamarosan kezelni lehet nemcsak a Parkinson-kórt, hanem más idegi eredetű betegséget is, mint például a skizofréniát vagy a depressziót.

– E kutatási eredmények elérésében a fizika segített a biológiának. A fordítottjára is van példa?

– Igen, legalábbis ezt szeretnénk bizonyítani a bakteriorodopszin fo­to­ni­kai alkalmazását célzó kísérleteink segítségével. A modern információtechnikában a fotonika egyre több területen átveszi a hagyományos elektronika szerepét. Itt az információt nem az elektromos áram hordozza, hanem a fény, melyet drótok helyett miniatűr optikai „kábelekkel” továbbítanak. Ilyen elven alapul például internetcsomópontokban az információelosztás. A fotonikai áramkörök passzív elemeit tehát optikai szálak, az aktívakat – a tranzisztorok optikai megfelelőit – pedig különleges optikai tulajdonságokkal rendelkező anyagokból készült kapcsolóelemek helyettesítik. A szegedi egyetem lézerlaborjának munkatársaival közösen sikerült megmutatnunk, hogy az általunk készített bak­te­rio­ro­dop­szin­ala­pú fotonikai kapcsoló a csúcstechnológiában használtnál is gyorsabb működésre képes. A fehérjealapú kapcsolás elvét Magyarország után az USA-ban szabadalmaztattuk.

– További terveiben milyen biológiával kapcsolatos kutatások szerepelnek?

– A különböző szöveteket elválasztó, jellemzően egy sejtrétegből álló hártyák – például a tüdő, a bélepitélium vagy a vér-agy gát endotéliális sejtjei – hasonlóan fontos szerepet töltenek be az életfunkciókban, mint alacsonyabb szervezettségi szinten a sejtmembránok. E hártyák elválasztó vagy összekötő funkciójának hibája számos betegség, mint az érelmeszesedés, az infarktus, a vesebaj, allergia, tumoráttét, gyulladások kiváltó oka lehet. Egyre több kísérleti bizonyíték utal arra, hogy ezeknek a betegségeknek a kialakulása a sejtréteg elektromos tulajdonságainak megváltozására vezethető vissza. Ezért – korábbi kutatási tapasztalatokra és az intézetünkben folyó mik­ro­flui­di­kai fejlesztésekre alapozva – neu­ro­bio­ló­gus kollegákkal közösen olyan csiplaboratóriumi modellrendszert terveztünk, amely lehetővé teszi ezeknek a sejtrétegeknek a komplex bio­elekt­ro­ni­kai vizsgálatát. A most induló kutatásoktól hosszabb távon az orvosi gyakorlatban is hasznosítható eredményeket remélünk.

 CHIKÁN ÁGNES

2015/12