Az élet molekuláris építőelemeinek eredete a tudomány egyik alapkérdése. Néhány kisméretű fehérjeépítő aminosavat, köztük a glicint, már meteoritokban és üstökösökben is kimutattak. Ez azt sugallja, hogy egyes prebiotikus molekulák földönkívüli eredetűek is lehetnek. Viszont továbbra sem ismerjük, hogyan kapcsolódhatnak az aminosavak egymáshoz – rövidláncú peptideket alkotva – asztrofizikai körülmények között. Rácz Richárd fizikus, a HUN-REN Atommagkutató Intézet tudományos munkatársa a Kísérleti Molekulafizikai Kutatócsoport tagja. Kutatói munkája során plazmadiagnosztikával, ion–felület kölcsönhatásokkal és asztrokémiai vizsgálatokkal foglalkozott. Jelenlegi kutatásainak középpontjában a világűrben zajló fizikai és kémiai folyamatok, valamint reakciók laboratóriumi modellezése áll.

 

– Milyen sikerélmény vagy tanári hatás irányította a mostani pályára? Kik voltak a gimnáziumi és az egyetemi oktatói, akikre szívesen gondol vissza, és milyen útravalót kapott tőlük?

– Ez még középiskolában történt. Akkoriban jogász szerettem volna lenni, és egyáltalán nem készültem tudományos pályára. Az érdeklődésem a természettudományok iránt teljesen átlagos volt, sőt beállítottságom szerint inkább lázadó bölcsész voltam. Aztán valami történt. A fizikatanárunk a debreceni Irinyi János Szakközépiskola és Gimnáziumban, Tóth Albertné Aranka néni, olyan ponton talált el az óráival és a szemléletmódjával, ami kíváncsivá tett a tantárgyra, amelyet addig szinte észre sem vettem. Utólag már tudom, hogy nemcsak fizikát tanított. Megmutatta a szellemi kihívások szabadságát, a természet iránti alázatot és a kreatív gondolkodás erejét. Egyre jobban érdekelt a fizika, versenyekre jártam, majd az OKTV-n elért eredményem felvételi nélkül bejutást jelentett a Debreceni Egyetem fizikus szakára. Az egyetemen szerettem a tanáraimat, de még akkor sem voltam biztos benne, hogy tudományos munkatársként szeretnék dolgozni. Aztán jött a gazdasági válság, a cégek létszámstopot vezettek be, én pedig (talán kicsit kényszerből) jelentkeztem a debreceni Atommagkutató Intézetbe fiatal kutatónak. Felvettek, és azóta is ott dolgozom – csak már nem vagyok fiatal. A mai napig a problémamegoldás motivál. Az a folyamat, amikor egy nehéz kérdésre még senki nem tudja a választ, és egy csapat közösen, kreatívan gondolkodva próbál közelebb jutni a megoldás-hoz. A középiskolai fizikatanárom tanítása az igazi útravaló: „Kenyéren és vízen nem is olyan nehéz. Kenyér kell hozzá, meg víz. No meg némi ismeret a célról, hogy megérje kenyéren és vízen”.

– Nemrég jelent meg egy közleménye a Nature Astronomy-ban. Ebben azt írják le, hogy az aminosavak vízmentes közegben, rendkívül szélsőséges körülmények között is egymáshoz kapcsolódhatnak. Hogyan született meg ez a feltételezés?

– A háttérben egy régóta nyitott kérdés áll: hogyan juthatunk el az egyszerű szerves molekuláktól a biológiailag fontos összetettebb molekulákig még az élet megjelenése előtt? Az elmúlt évtizedekben egyre több bizonyíték gyűlt össze arra vonatkozóan, hogy az aminosavak nemcsak a Földön, hanem a világűrben is kialakulhatnak. Aminosavakat kimutattak meteoritokban, üstökösök anyagában, és számos olyan csillagközi kémiai folyamatot ismerünk, amelyek ezek létrejöttéhez vezethetnek. A következő logikus kérdés azonban az volt, hogy mi történik az aminosavakkal a kialakulásuk után. A biológiában az aminosavak peptidkötésekkel kapcsolódnak össze, így peptideket és fehérjéket alkotnak. A csillagközi tér extrém hideg, ritka és sugárzásnak kitett környezet, ezért sokáig nem volt egyértelmű, hogy ilyen körülmények között az aminosavak képesek lehetnek-e egymással összekapcsolódni. A kutatás egyik alapgondolata az volt, hogy a csillagközi jégszemcsékben folyamatosan jelenlévő ionizáló sugárzás olyan reaktív köztes állapotokat hozhat létre, amelyek lehetővé teszik az aminosavak összekapcsolódását a világűr szélsőséges körülményei között is.

– Az interdiszciplináris kutatásban három ország négy intézményének mintegy tizenhat tudományos munkatársa vett részt. Hogyan osztották fel a teendőket és kinek mi volt a hozzájárulása a közös munkához?

– A mai tudományban egy ilyen jellegű kutatás gyakorlatilag elképzelhetetlen nemzetközi együttműködés nélkül. A kérdés annyira összetett, hogy egyetlen kutatócsoport sem rendelkezik az összes szükséges szakértelemmel és műszerparkkal. A projektben részt vevő kutatócsoportok eltérő kompetenciákat hoztak a közös munkába. Voltak kollégák, akik a kísérleti asztrokémiai berendezések fejlesztésében és működtetésében rendelkeztek kiemelkedő tapasztalattal, mások a sugárkémiai folyamatok modellezésében, míg megint mások a tömegspektrometriás és spektroszkópiai adatok értelmezésével járultak hozzá a kutatáshoz. A munka koordinációja a mai nemzetközi kutatási gyakorlatnak megfelelően rendszeres online megbeszéléseken, közös adatmegosztással és folyamatos szakmai konzultációk révén történt.

Egy ilyen projektben a publikáció megjelenése valójában csak a folyamat utolsó lépése; a kutatók gyakran éveken keresztül dolgoznak együtt, mire a végső eredmény megszületik. A szerzői sorrend meghatározásánál a munkához való hozzájárulás mértéke a mérvadó. Az első szerző az a kutató, aki a munka operatív részében a legnagyobb szerepet vállalta és részt vett a kísérletekben, az adatelemzésben, valamint a kézirat elkészítésében. Az utolsó szerző a projektet vezető kutató. A köztes szerzők sorrendje a hozzájárulások mértékét tükrözi. A legfontosabb azonban az, hogy az eredmény valódi csapatmunka eredménye. A publikációban szereplő egyetlen ábra mögött is gyakran több intézmény és több szakterület összehangolt munkája áll.

– Viszonylag alacsony 10–1000 keV közötti energiatartalmú protonokkal sugározták be a glicin molekulákat. Ez az energiatartalom 4-7 nagyságrenddel nagyobb a peptidkötés képződésének aktiválási energiájánál. Felmerül tehát a kérdés: azért választották az enyhébb körülményeket, hogy a peptidkötés kialakulhasson, de a képződött dipeptid ne bomoljon el?

– A kísérletben valójában két különböző protonenergia-tartományhoz tartozó reprezentánst alkalmaztunk, amelyek két különböző asztrofizikai környezetet modelleztek. A 10 keV-es protonnyaláb elsősorban a fiatal csillagok környezetében jelen lévő részecskesugárzást, illetve a napszélhez hasonló alacsonyabb energiájú protonok hatását reprezentálta. Ezek a részecskék a protoplanetáris korongok és a csillagközi jégszemcsék fejlődésében játszhatnak fontos szerepet.

Az 1 MeV-es protonnyaláb ezzel szemben a galaktikus kozmikus sugárzás nagyobb energiájú komponensének laboratóriumi modellje volt. A csillagközi térben jelen lévő kozmikus protonok energiája rendkívül széles tartományt fed le, és a MeV-es nagyságrend már jól reprezentálja azokat a részecskéket, amelyek hosszú idő alatt jelentős sugárkémiai átalakulásokat idézhetnek elő a jégszemcsékben.

Fontos hangsúlyozni, hogy ezek a protonok nem úgy vesznek részt a reakcióban, mint egy klasszikus kémiai reakciópartner. Nem arról van szó, hogy egyetlen glicinmolekula megkapja a teljes 10 keV-et vagy 1 MeV-et. A proton az anyagon áthaladva energiáját nagyon sok ionizációs és gerjesztési esemény során adja le. Ennek eredményeként másodlagos elektronok, szabad gyökök, ionok és gerjesztett állapotok keletkeznek, amelyek végül a megfigyelt kémiai reakciókat hajtják végre.

A peptidképződés tehát nem közvetlenül a proton energiájából következik be, hanem abból a komplex sugárkémiai környezetből, amelyet a protonnyaláb a jégben hoz létre.

– A módszertani részben írták, hogy az asztrofizika és asztrokémia célját szolgáló jégkamrában 1 MeV-os protonbesugárzást végeztek. Ez más nagyságrendű energiatartalom, miért volt szükség ilyen energiájú protonsugár alkalmazása?

– A csillagközi térben a kozmikus sugárzás rendkívül széles energiatartományban fordul elő. A protonok energiája a néhány keV-es tartománytól egészen a gigaelektronvolt energiákig terjedhet. A laboratóriumi asztrokémiai kísérletekben általában nem az a cél, hogy a teljes energiaspektrumot reprodukáljuk, hanem hogy olyan részecskéket válasszunk, amelyek hasonló sugárkémiai hatást váltanak ki az anyagban, mint az asztrokémiai környezetben jelenlévők. Tulajdonképpen nem egy konkrét kozmikus proton energiáját próbáltuk „utánozni”, hanem a kozmikus sugárzás által létrehozott kémiai hatásokat modelleztük. Ez bevett gyakorlat az asztrokémiai és sugárkémiai kísérletekben.

– Milyen többletinformációt nyújtott az, hogy deuterált glicinnel (is) végeztek kísérleteket? Ennek a műszeres analízis szempontjából volt jelentősége? Mi a valószínűsége annak, hogy a deutérium a világűr körülményei között is szerepet játsszon?

– A deuterált glicin alkalmazásának elsődleges célja valóban az analitikai bizonyítás megerősítése volt. A kísérlet során két különböző analitikai módszert alkalmaztunk. Az infravörös spektroszkópia (FTIR) segítségével már a besugárzás során megfigyeltük, hogy a spektrumokban új amidkötésekre utaló sávok jelennek meg. Ez fontos eredmény volt, mert arra utalt, hogy a glicinmolekulák között új kémiai kapcsolódás alakult ki.

Ugyanakkor az FTIR önmagában nem képes egyértelműen megmondani, hogy pontosan milyen molekula keletkezett. Az úgynevezett amid I és amid II sávok valóban amidkötések jelenlétére utalnak, de egy amidkötés még nem feltétlenül jelent peptidet. Számos más amidtartalmú szerves molekula is hasonló infravörös jelet adhat. Ezért volt szükség ex situ tömegspektrometriás vizsgálatokra.

A deuterált glicin itt „izotópos címkeként” működött. A deutérium a hidrogén nehezebb izotópja, ezért a belőle felépülő molekulák tömege néhány atomtömeg-egységgel nagyobb. Ha valóban glicilglicin keletkezik a besugárzás során, akkor a deuterált glicinből létrejövő glicilglicin tömegspektrumbeli csúcsának pontosan az elméletileg várható mértékben kell eltolódnia.

A kísérletben ezt sikerült megfigyelnünk. A normál glicinből származó glicilglicinhez tartozó csúcs mellett megjelent a deuterált glicinből származó, megfelelően nagyobb tömegű glicilglicin-csúcs is. Ez már sokkal erősebb bizonyíték, mint az FTIR-mérés önmagában

Másképpen fogalmazva: az FTIR kimutatta, hogy új amidkötéseket tartalmazó termékek keletkeznek, míg a deuterált mintával végzett tömeg-spektrometria erős bizonyítékot szolgáltatott arra, hogy ezek között valóban megtalálható a glicilglicin, vagyis a legegyszerűbb dipeptid.

A deutériumnak ugyanakkor asztrokémiai jelentősége is van. A csillagközi molekulafelhők rendkívül alacsony hőmérsékletű környezetében számos molekula deutériumban feldúsulhat, és már valóban megfigyeltek sok deutériumtartalmú vegyületet az űrben. A jelen kísérletben azonban a deutérium szerepe elsősorban nem asztrofizikai, hanem analitikai volt.

–Hogyan látja a munka folytatását? Milyen lehetőségeket tartogat még ez a projekt? Például jelezték, hogy a besugárzás hatására összetettebb molekulák is keletkeznek. Folyamatban van-e az azonosításuk?

– Véleményem szerint ez a tanulmány amellett, hogy megválaszol egy kérdést, újabbakat is vet fel. A munka legfontosabb eredménye nem pusztán az, hogy glicilglicin keletkezett, hanem az, hogy sikerült bizonyítani a peptidképződés első lépését olyan körülmények között, amelyek a csillagközi jégszemcséket modellezik. A következő nagy kérdés az, hogy a folyamat megáll-e a dipeptideknél vagy folytatódhat-e tovább?

Kialakulhatnak-e tripeptidek? Létrejöhetnek-e rövid oligopeptidek? Működik-e ugyanez más aminosavakkal is, vagy a glicin valamilyen szempontból speciális eset?

A tömegspektrumokban egyébként valóban számos további csúcs jelent meg, amelyeket egyelőre nem sikerült teljes bizonyossággal azonosítani. Ezek között további amidtartalmú, potenciálisan biológiailag érdekes komplex szerves molekulák is lehetnek. Tágabb értelemben pedig a legizgalmasabb kérdés az, hogy a csillagközi térben kialakulhat-e egy folytonos kémiai útvonal az egyszerű szerves molekuláktól az aminosavakon és peptideken át egyre komplexebb prebiotikus rendszerek felé. Ez természetesen még nagyon távoli cél, de a mostani eredmény ennek az útnak egy fontos állomását jelenti.

Lőwy Dániel

Az interjú a Nemzeti Innovációs Ügynökség közreműködésével készült.