A világ nem elég

A kémia forradalma minden eddiginél hatékonyabb módszerhez juttatta a vegyészeket. A kombinatorikus kémia módszereivel nyolc hónap alatt előállíthatnánk egy 245 aminosavból álló fehérje összes változatát. A világegyetem minden anyaga sem lenne elég az elméletileg lehetséges variánsok elkészítéséhez, igaz, az emberiség amúgy is csak néhányat tudna hasznosítani e csillagászati mennyiségű molekulából – mondta a Mindentudás Egyetemének e heti előadásán Furka Árpád professzor.

A nagy sorozatú műszaki termékek előállítására az iparban már régóta alkalmazzák a futószalagot és az automatizálást. Ennek köszönhetően ugrásszerűen növekedett a termelékenység, és csökkentek a költségek. Tízezer autót nem is lehet egyedi kisipari módszerekkel előállítani. Ugyanez a helyzet a vegyészetben is: egy-egy új gyógyszer kifejlesztéséhez is mintegy tízezer új vegyületet kell előállítani és megvizsgálni. E vegyületeket sokáig egyenként állították elő, és így végezték a hatásvizsgálatokat is. Ennyi vegyület előállítása azonban olyan nagy munka, amely indokolná az ipari szervezési módszerek bevezetését.
Mindaddig senki sem gondolt erre, amíg az 1980-as években meg nem jelent a kombinatorikus kémia, amely fordulatot hozott a gyógyszerkutatásban. Az egyszerű, könnyen megérthető, minimális költséggel megvalósítható alapvető kombinatorikus módszer Magyarországon, az Eötvös Loránd Tudományegyetemen született.

Az eredeti módszert peptidek előállítására fejlesztettük ki – mondta előadásában Furka Árpád professzor. Az élővilágban előforduló összes peptid és fehérje mindössze húszféle aminosavegységből épül fel, pedig némelyik fehérje akár több száz alegységből is állhat. Az egyes fehérjék abban különböznek egymástól, hogy molekuláikban melyik aminosav hány példányban van jelen, illetve hogy milyen sorrendben kapcsolódnak a láncban. A legegyszerűbb peptidek csupán néhány, láncszerűen egymáshoz kapcsolódó aminosavat tartalmaznak.

1963-ban egy amerikai professzor, R. B. Merrifield új módszert dolgozott ki a peptidek szintézisére, amely sokkal hatékonyabbnak bizonyult a hagyományos, úgynevezett oldatfázisú eljárásnál. A szilárdfázisú szintézis kidolgozásáért Merrifield 1984-ben Nobel-díjat kapott. A módszer lényege, hogy a szintézis szilárd hordozó, finomszemcsés műgyanta felületén történik. A műgyanta egy grammjában körülbelül tízmillió szemcse van, s a felületükön és a belsejükben olyan atomcsoportok, úgynevezett funkciós csoportok vannak, amelyek lehetővé teszik, hogy kémiai kötéssel aminosavakat vagy más vegyületeket kapcsolhassunk hozzájuk.
Például egy három aminosavból álló, úgynevezett tripeptid szintézisekor az első aminosavat a szemcsés hordozóhoz kapcsolják, ehhez a másodikat, majd a harmadikat. Ha a szintézis célja egy tripeptid létrehozása volt, akkor lehasítják a hordozóról a kész peptidet. További aminosavak kapcsolásával természetesen hosszabb láncot is elő lehet állítani.

A szilárdfázisú módszer előnye, hogy kapcsoláskor az aminosavakat és az egyéb reagenseket nagy feleslegben lehet alkalmazni, ezáltal teljesebb átalakulást lehet elérni, s a fölösleget a reakció végén szűréssel el lehet távolítani. A lehasított peptid oldata szintén szűréssel választható el, s ebből a termék bonyolult tisztítási eljárások mellőzésével viszonylag tisztán elkülöníthető.
Az új kombinatorikus módszer ötletének megszületésére Furka professzor így emlékezett vissza: „1964–65-ben egyéves kanadai tanulmányúton vettem részt az albertai egyetem biokémiai tanszékén. Kutatócsoportunknak sikerült meghatároznia egy 245 aminosavból álló fehérje, a kimotripszinogén–B aminosavsorrendjét. Miután visszatértem Budapestre, kíváncsi lettem, hány lehetséges aminosavsorrend közül választottuk ki a helyes sorrendet. Más szóval: a 245 aminosavegységből álló fehérjéknek hány eltérő aminosavsorrendjük lehet.”
A számítás egyszerű: 20245, vagyis húsznak a 245. hatványa. Ez akkora szám, amelyben egy 6-os után 318 nulla következik. De ha valami csoda folytán a világegyetem teljes anyagát 245 aminosavból álló fehérjékké lehetne alakítani, méghozzá úgy, hogy mindegyikből egyetlen molekula készüljön, a lehetséges fehérjemolekulákat tartalmazó vegyülettárnak csak a töredéke készülhetne el a világegyetem anyagából. Sőt a belátható világegyetem elemi részecskéinek mennyiségét egy olyan szám fejezi ki, amelyben az egyes után „csak” 88 nulla van.
A lehetséges peptidek számát – minthogy kevesebb egységből állnak – egyszerűbb kiszámolni. A két aminosavból álló peptidekből 400, a három aminosavból állókból 8000, a négytagúakból 160 ezer, az öt aminosavegységből álló peptidekből pedig 3 millió 200 ezer különböző variáns hozható létre. A hexapeptidek száma 64 millió, a heptapeptideké 1 milliárd 280 millió.

E számok korántsem annyira félelmetesek, mint a lehetséges fehérjéké, előállításuk azonban így is hosszadalmasnak ígérkezik. Pedig közöttük bizonyára sok olyan van, amelyek tulajdonságai hasznosak lehetnek számunkra. E még nem létező peptidtárakra úgy is tekinthetünk, mint kitermelésre váró aranytelérekre. Furka professzor úr hasonlata aligha véletlen, hiszen – mint elmondta – Erdélyben, egy Abrudbányához közeli kis faluban született, ahol aranyat bányásztak, és gyermekként látta, milyen óriási meddőhalmok maradnak vissza az arany kivonása után. Visszatérve a peptidkémia szépségeire, arról beszélt, hogy annak idején elgondolkozott, milyen jó lenne, ha teljes peptidtárakat lehetne előállítani, és a peptideket egyenként vizsgálhatnák, melyik mire hasznosítható. Abban az időben a peptidek előállításának egyetlen lehetősége a Merrifield-szintézis volt, amellyel egyszerre egy peptidet lehetett előállítani. A láncot naponta egy-egy aminosavval tudták meghosszabbítani, teljes peptidtárak előállításáról még álmodni sem lehetett.

Furka professzor úr első ötlete szerint az összes lehetséges peptidet úgy lehetne előállítani, ha a szilárdfázisú szintézisben az egyes lépésekben felhasznált egy-egy aminosavat a húsz természetes aminosav keverékével helyettesítenék. A szintézis eredménye a teljes peptidtár lett volna. Mivel az egyes aminosavak reakciókészsége eltérő, a különféle peptidek nagyon különböző mennyiségben képződtek volna, és ez akadálya lehetett volna a hatásvizsgálatoknak. Az igazi megoldás gondolata olyan pillanatban született meg, amikor éppen egyáltalán nem foglalkozott a problémával. 1982 tavaszán Kunágotán arra ébredt, hogy megvan a tökéletes megoldás. Később bebizonyosodott, hogy néhány nap alatt elő lehet állítani több millió peptidet. A módszer elterjedt az egész világon, ma is számos laboratóriumban használják split-mix vagy split and pool szintézis néven.
A magyarul megosztásos-keveréses eljárásnak nevezhető módszer a Merrifield-féle szilárdfázisú szintézisen alapul; annak kapcsolási lépéseit három egyszerű művelettel helyettesítik. A szilárd hordozót annyi egyenlő adagra osztják, ahány aminosavból szeretnék felépíteni a peptidtárat. Ha teljes peptidtárral dolgoznak, akkor húsz adaggal kezdik a szintézist. A következő lépésben mindegyikhez más-más aminosavat kapcsolnak, majd az adagokat alaposan összekeverve egyesítik. E műveleteket addig ismételgetik, amíg a peptidek elérik a kívánt hosszúságot, majd a terméket lehasítják a hordozóról.

A szintézis kivitelezéséhez saját tervezésű készüléket konstruáltak, amely voltaképpen légszivattyúhoz csatlakoztatott fémcső, amely egy rázógépre van szerelve. A csőhöz 21 szűrővel ellátott üvegcső csatlakozik, ezekbe mérik be a hordozó oldószerrel elkevert egyenlő adagokat, majd mindegyik csövecskébe más-más aminosav oldatát juttatják a kapcsolást segítő reagensekkel együtt. A csöveket addig rázatják, amíg az aminosavak hozzá nem kapcsolódnak a hordozóhoz. Ezután szívatással eltávolítják az oldott kiindulási anyagok feleslegét, a szűrőn maradó gyantát többször átmossák, majd egy nagyobb edényben alaposan öszszekeverik. Ezután kezdődik a szintézis következő lépése. Az újabb készülékek persze már programozhatók, számítógépes vezérléssel működnek, és minden műveletet automatikusan végeznek el.

A legegyszerűbb esetben két aminosavat tartalmazó dipeptideket építenek fel, és mindkét lépésben csupán három aminosavat kötnek a szilárd hordozóhoz. Az első lépésben három új anyag képződik: a három aminosav hordozóhoz kötött változata. A hordozó szétosztása és a keverés után mindhárom anyag jelen van mindhárom mintában. A második kapcsolási lépésben mindhárom anyag egy-egy aminosavval hosszabbodik, ezáltal a három mintában összesen kilenc új anyag, kilenc dipeptid lesz. (Ha még egy lépéssel megtoldjuk a szintézist, összesen 27 tripeptidhez jutunk, a negyedik kapcsolási lépésben 81 tetrapeptid keletkezik.)

A kilenc dipeptid között minden olyan aminosav-sorrendű peptid jelen van, amely a három kiindulási aminosavból előállítható. Éppen ez a megosztásos-keveréses módszer lényege: minden lehetséges szerkezeti kombináció létrejön, függetlenül az aminosavak és a kapcsolási lépések számától. Sőt kiindulási anyagokként aminosavak helyett más szerves vegyületeket is használhatunk.

A módszer tehát egyike a kombinatorikus eljárásoknak, amelyek minden egyéb trükk nélkül lehetővé teszik az összes lehetséges szerkezeti variáns létrehozását.
A megosztásos-keveréses peptidszintézis során a hordozót egyenlő adagokra osztják, és az adagokhoz aminosavkeverék helyett egyetlen aminosavat kapcsolnak. Ennek fontos következményei vannak: az előbbi teszi lehetővé, hogy a vegyülettár egyes molekulái egyenlő mennyiségben képződjenek, az utóbbi pedig kiküszöböli az aminosavak eltérő reakciókészségéből eredő hibákat, mert az aminosavaknak nem kell „versenyezniük” egymással.

Abban az időben, amikor a módszer elve megszületett, az ismert szerves vegyületek száma, tehát azoké, amelyeket a szerves kémikusok addig előállítottak vagy leírtak, mintegy tízmillió volt. A split-mixszel egy hét alatt mintegy 64 millió peptidet lehetett előállítani. Az első kapcsolási lépésben még csak három új anyag keletkezik, a másodikban 3 • 3, pedig csupán egy-egy kapcsolás történik. A következő lépésben 27 tripeptid, majd 81 tetrapeptid jön létre. Eközben 3 + 3 + 3 + 3 = 12 egyedi kapcsolási művelet megy végbe. A keletkezett vegyületek száma viszont a kapcsolások számának szorzata: 3 • 3 • 3 • 3 = 81. Más szóval: míg a befektetendő munka a kapcsolási lépések számával lineárisan, a képződő vegyületek száma exponenciálisan nő.
A hatékonyságot – ismét csak a peptideknél maradva – az előadó gyakorlati példával is szemléltette: ha minden kapcsolási lépésben húsz aminosavval dolgoznának, és ezt a húsz-húsz kapcsolást mindennap elvégeznék (ez nem különösebben megerőltető, ha minden művelet párhuzamosan zajlik húsz reakcióedényben), a napok múlásával így változna az előállított peptidek száma:

1. nap 20 aminosav
2. nap 400 dipeptid
3. nap 8 000 tripeptid
4. nap 160 000 tetrapeptid
5. nap 3 200 000 pentapeptid
6. nap 64 000 000 hexapeptid
7. nap 1 280 000 000 heptapeptid

Papíron könnyű folytatni a sort, de a valóságos szintézis során már olyan nagy anyagmennyiségeket és oldószertérfogatokat kellene megmozgatni, ami messze meghaladná a laboratóriumi léptéket. Az előállítandó új vegyületek számát már nem az emberi munkaidő, hanem a szükséges anyagmennyiségek korlátozzák. Egy vegyésznek mindössze 245 napot kellene arra áldoznia, hogy a kimotripszinogén–B összes rokon vegyületének fehérjetárát előállítsa. Sajnos a világegyetem anyaga, beleértve magát a vegyészt is, sokkal előbb elfogyna, mintsem a tár elkészülne.
A megosztásos-keveréses módszernek egy másik fontos sajátsága is van. Mivel minden lépésben csak egyetlen aminosavat kapcsolnak a már meglévő szakaszokhoz, nincs lehetőség arra, hogy a hordozóanyag egyes szemcséin egynél többféle molekula képződjön. Az, hogy egy tetszőlegesen kiválasztott szemcsén mely vegyület, például milyen aminosav-sorrendű peptid képződik, attól függ, hogy az egyes reakciólépéseket megelőző lépésekben a szemcse mikor melyik adagba került, és ott milyen aminosav kapcsolódott hozzá. Ennek eredményeképp nem képződik két azonos aminosav-sorrendű peptid. Mielőtt ezeket lehasítanák a hordozóról, nem keverékként, hanem egyedi vegyületekként vannak jelen. Az egy szemcse, egy vegyület sajátság nagyon megkönnyíti a hatásos vegyület kiválasztását.
A megosztásos-keveréses eljárással olyan technika került a vegyészek kezébe, amely szinte korlátlan számú új vegyület szintézisét teszi lehetővé. A technika hasznosítására seregnyi új vállalatot alapítottak, s az óriáscégek – elsősorban gyógyszerkutatók – sok millió dolláros befektetésekkel hozták létre új, kombinatorikus részlegeiket. A kombinatorikus kémia önálló tudományággá fejlődött, az Egyesült Államokban a stratégiailag fontos tudományok közé sorolják. Megalakult a Kombinatorikus Tudományok Európai Társasága is, amelynek első szimpóziumát 2001-ben Budapesten rendezték meg. A kutatók többsége mégis úgy tartja, hogy még csak a fejlődés kezdetén vagyunk. Az eddigi legfőbb eredmény – túl az igen jelentős gyakorlati hasznon – az a szemléletváltás, amely a kutatók gondolkodásmódjában végbement. Ezt támasztja alá, hogy e gondolkodásmód kezd átszivárogni más tudományágakba, például az anyagtudományokba és a biológiába is.

A fenti szöveg a május 26-án elhangzott előadás rövidített, szerkesztett változata.
Az előadás megtekinthető május 31-én (szombaton) a Duna Televízióban 13.10-től, június 1-jén (vasárnap) 13.10-től az MTV-n, valamint 22.15-től az M 2-n.
A Mindentudás Egyetemének következő előadása június 2-án 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.