Gábor Dénes Nobel-díjas találmányát, a holográfiát egy nemzetközi kutatócsoport alkalmazta nanokristályok mágnesességének vizsgálatára – ezen kutatásban Pósfai Mihálynak, a Pannon Egyetem Környezettudományi Intézet egyetemi tanárának is fontos szerepe volt. A módszer újfajta betekintést nyújt a negyven éve felfedezett mágneses baktériumok életébe: a természetes vizekben és ezek üledékeiben élő szervezetek mágneses ásványaik segítségével találják meg az optimális helyüket. Pósfai Mihály idén március 15-én Széchenyi-díjat kapott a munkásságáért.
– Honnan indult a kutatása?
– Az élőlényekben képződő mágneses nanokristályokkal kapcsolatos kutatási témám egy furcsa véletlen nyomán indult el. Még a ’90-es években posztdoktori kutató voltam Amerikában, az Arizona State University-n. Elsősorban azt vizsgáltam nagyfelbontású elektronmikroszkópiával, hogy milyen kristályhibák vannak például a szulfidásványokban. Abban az időben megjelent a Science folyóiratban egy NASA-kutatók által írt cikk, amelyben azt állították, hogy életnyomokat találtak egy Marsról érkezett kődarabban. Ebben a 4 milliárd éves meteoritban több olyan jelenséget megfigyeltek, amelyeket együttesen az egykori marsi élet bizonyítékaként értékeltek. Egyik megállapításuk szerint olyan speciális alakú és méretű vas-oxid és vas-szulfid nanokristályok vannak a meteoritban, amelyek a Földön a mágneses baktériumok sejtjeiből ismertek. Ezért feltételezték, hogy a Marson is volt élet, mégpedig mágneses baktériumok formájában. Ez a következtetés akkor is erős kétségeket ébresztett bennem, de azóta még inkább úgy gondolom, hogy megfigyeléseik nem bizonyítják, hogy a Marson volt élet. Szervetlen körülmények között is képződhettek ezek a kristályok. Viszont a cikk ráirányította a figyelmet a mágneses baktériumokra. Addig soha nem is hallottam a létezésükről, ami nem is olyan nagy csoda, mert 1975-ben fedezték fel őket. A cikk kapcsán szerveztek egy összejövetelt az egyik NASA kutatóközpontban, amelyen ott voltak ennek a tanulmánynak a szerzői, de mellettük a mágneses baktériumok szakértői is, akikkel azóta is együtt dolgozunk. Kiderült, hogy a mágneses baktériumokban képződő ásványokkal kapcsolatban sok tudományos kérdés még válaszra vár. És mivel én korábban hasonló ásványokkal dolgoztam, adódott a lehetőség, hogy ezeket a bioásványokat vizsgáljam. Nagyon érdekelt a téma, egyrészt az interdiszciplinaritása miatt, másrészt mert nagy kihívás ezeket a nanométeres kristályokat megfelelő mérési módszerekkel elemezni, vizsgálni.
– Említette, hogy ez egy interdiszciplináris kutatás. Milyen tudományterületről jövő kutatók vesznek részt a munkában?
– Nekem geológus diplomám van az ELTE-ről, de már a szakdolgozatomat is ásványok kristályszerkezetéről írtam. Tehát engem elsősorban az ásvány érdekel a témában, pontosabban az, hogyan tud a baktérium előállítani ilyen szigorúan szabályozott méretű és alakú kristályokat. De a kutatásban biológusok is vannak, akik azzal foglalkoznak, hogy hol élnek ezek a baktériumok, milyen a metabolizmusuk, mely gének szabályozzák azokat a fehérjéket, amelyek szerepet játszanak a kristályok kiválasztásában. A fizikusok számára a mágneses baktériumok egy nagyszerű természetes laboratóriumi rendszert jelentenek, amelyben különböző alakú, méretű, elrendeződésű mágneses nanokristályok mágnesessége vizsgálható. Érdekes a téma a nanotechnológia számára is, mert a mágneses baktériumoktól megtanulható, hogyan lehet laboratóriumban szabályozott méretű, alakú, összetételű mágneses kristályokat előállítani, amelyeknek sokféle technológiai alkalmazása lehet. Ugyanakkor a kőzetmágnességgel foglalkozó geofizikusok számára is érdekes a téma, hiszen a mágneses baktériumok vizes környezetben élnek – tavakban, tengerekben, folyókban –, és amikor elpusztulnak a sejtek, akkor a bennük lévő mágneses kristályok az üledékbe kerülnek, befolyásolva annak a mágneses tulajdonságait.
– A mágnesesség hasznos a baktérium számára?
– Igen. Jelenlegi ismereteink szerint arra használja a baktérium a mágneseket, hogy a sejt egyfajta iránytűként viselkedjék. Passzívan orientálódik a földi mágneses tér vonalaival párhuzamosan. A mágneses tér iránya az adott szélességi körnek megfelelő szögben dől a Föld felszínéhez képest, és a baktérium ezen irány mentén le-föl úszkál (hacsak nem az egyenlítőn él a baktérium, ahol a mágneses indukcióvonalak párhuzamosak a felszínnel). Ennek azért van jelentősége, mert a legtöbb mágneses baktérium mikroaerofil, ami azt jelenti, hogy azon a szinten tud élni, ahol éppen elfogy az oldott oxigén. Például a Balaton üledékében ez a szint az iszap felső néhány milliméterében található, itt érzik jól magukat a mágneses baktériumok, míg a Fekete-tengerben ez az úgynevezett oxikus-anoxikus átmeneti zóna a vízben van, körülbelül 50 méter mélységben. A baktériumok annyira kicsik, hogy pusztán a gravitáció révén nem érzékelik, merre van lefelé meg fölfelé. Ezért ha nincs bennük mágnes, akkor egy háromdimenziós keresési problémával állnak szemben. Viszont ha mágnesesek, és kénytelenek orientálódni a földi indukcióvonalakkal párhuzamosan, akkor ezt a háromdimenziós keresési problémát egydimenziósra redukálják, hiszen egy vonal mentén le-föl liftezve gyorsabban megtalálják a megfelelő szintet. Lehetnek egyéb evolúciós előnyei is annak, hogy van bennük mágnes, de egyelőre még bizonytalanok az ismereteink, hogy mi egyébre használhatják ezeket a vas-oxid vagy vas-szulfid kristályokat a mágneses baktériumok.
– Mit tekint a legfontosabb eredményének ezen a területen?
– Amikor elkezdtem ezzel a témával foglalkozni, még nem volt ismert, hogy a vas-szulfidot kiválasztó baktériumokban milyen ásvány van. Többféle vas-szulfid létezik, van köztük mágneses és nem mágneses. Az irodalomban egymásnak ellentmondó eredmények voltak. Ezt a kérdést sikerült nekem tisztázni, 1998-ban a Science-ben jelent meg egy cikkünk a témáról.
Szintén fontosnak tartom, hogy mi kezdtünk először elektronholográfiát alkalmazni a baktériumokban lévő nanokristályok mágneses tulajdonságainak a vizsgálatára. Ez főleg egy angol kollégám, Rafal Dunin-Borkowski nevéhez fűződik, aki ennek a módszernek a szakértője. A holográfiát Gábor Dénes találta fel, ezért kapott Nobel-díjat az 1970-es években. De csak az elmúlt 20 évben lettek alkalmasak az eszközeink arra, hogy ezt a technikát elektronmikroszkópban használjuk. Sok minden más mellett arra is jó ez a technika, hogy egyrészt láthatóvá tudjuk tenni a nanokristályok mágneses indukcióját, másrészt mennyiségileg meg tudjuk mérni a különböző mágneses tulajdonságokat. Amikor az elektronholográfiát először használtuk mágneses baktériumok vizsgálatára, világrekordnak számított, hogy 30-40 nanométeres kristályok mágnesességét meg tudtuk mérni vele. A mai napig együttműködöm azzal a csoporttal, amelyben ennek a módszernek a szakértői dolgoznak.
A mostani új, Vonderviszt Ferenc professzorral közös témánk röviden: a mágneses baktériumok a kristályok méretét, alakját, összetételét bizonyos fehérjékkel szabályozzák, amelyekről ma már elég sokat tudunk biológiai kísérletek révén. Célunk, hogy a kristályok kiválásában szerepet játszó biológiai makromolekulák egyes darabjait beépítsük nanoszálas fehérjékbe, ezzel olyan sablont hozva létre, amelyen kiválhat a mágneses vas-oxid. Reményeink szerint ezzel a módszerrel elő tudunk majd állítani mágneses nanoszálakat, amelyeknek érdekes gyakorlati alkalmazásai is lehetnek.
BAJOMI BÁLINT
2016/16
