Hasonlóképpen, egy kávéskanálnyi homok és a legmodernebb Pentium csip atomi összetételét tekintve is parányiak a különbségek. Vagy ha kevéske föld, víz és levegő atomjait kissé átcsoportosítjuk, akár egy fürt szőlőt is kaphatunk. Mindezek a példák nyilvánvalóan mutatják, hogy ugyanazokat az atomokat ügyesen elrendezve értékes és hasznos dolgokat állíthatunk elő, másféle elrendezésben pedig értéktelen és számunkra haszontalan dolgokhoz jutunk. Rendkívül fontos tehát, hogy képesek legyünk az anyag szerkezetének, az anyagot felépítő részecskék elrendeződésének befolyásolására. Ezt a képességet nevezzük technológiának.
Nanotechnológiának általános értelemben a 100 nm alatti mérettartományban működő technológiákat hívjuk: ez a molekulák birodalma. A nanométeres méretskála megfelel a hajszálvastagság százezred részének – ezerszer kisebb még a baktériumok méreténél is. Azonban nem a parányi méretek jelentik benne az igazi újdonságot, hanem hogy ebben a mérettartományban lehetővé válik az eddigiektől gyökeresen eltérő, újfajta megközelítés: építkezés az atomokból és molekulákból.
Az anyagot felépítő részecskék elrendeződésének precíz kontrolljára egészen a legutóbbi időkig nem voltunk képesek. Amit eddig csináltunk, az sokkal inkább tekinthető irányított rombolásnak, mintsem jól kézben tartott építkezésnek.
A nanotechnológia egyik kiemelt célja, hogy kontrollált módon, atomokból és molekulákból építkezve hozzon létre parányi gépezeteket, amelyek lehetőleg rendelkeznek az önszerveződés képességével, azaz olyan gépezeteket, amelyek alkatrészeikből spontán módon, mindenféle külső beavatkozás nélkül összeállnak.
Manapság gyakran halljuk, hogy a nanotechnológia a jövő ígérete, a XXI. század technológiája. Pedig nem új dolog, ősidők óta létezik, hiszen az élő szervezetek valójában nanotechnológiát alkalmaznak, bennük elsősorban fehérjékből felépülő, önszerveződésre képes molekuláris gépezetek működnek.
A fehérjék az élet molekulái, az élő szervezetek legfontosabb anyagai. A nukleinsavak mellett talán a legbonyolultabb molekulák, amelyeket ismerünk. Első pillantásra egy fehérje több ezer vagy akár több tízezer – elsősorban C, H, O, N és S – atom rendezett halmaza.
A fehérjék valójában láncmolekulák (lineáris polimerek), amelyek húszféle aminosav összekapcsolódásával jönnek létre. Minden aminosav azonos vázból és egy ahhoz csatlakozó egyedi oldalláncból épül fel. Az aminosavak azonos részeiken keresztül peptidkötéssel egymáshoz kapcsolódva alkotják a fehérjék polipeptidláncait, amelyek általában több száz aminosavból állnak. A polipeptidláncok váza periodikus szerkezet, amelyet a kapcsolódó oldalláncok tesznek változatossá.
Miért érdekesek a fehérjék? Mert, amint azt az élő szervezetek esetében láthatjuk, önszerveződő molekuláris gépezetek építhetők belőlük. Az önszerveződés alatt azt értjük, hogy az egyes fehérjealegységek (alkatrészek) képesek felismerni egymást, meghatározott módon egymáshoz kapcsolódni s minden külső beavatkozás nélkül létrehozni az adott szupramolekuláris struktúrát. Az élő szervezetekben található molekuláris gépezetek rendkívül változatos funkciók ellátására képesek. Találhatók közöttük molekuláris vegyi üzemek, energiaátalakítók, motorok, jelfelismerők és jelátalakítók, információt feldolgozó rendszerek, multifunkcionális gépezetek, programvezérelt összeszerelők.
Az enzimek olyan fehérjemolekulák, amelyek képesek egy-egy adott kémiai reakciót akár több milliárdszorosára felgyorsítani. Az enzimek sokszor egymáshoz kapcsolódva, egymással együttműködve összetett rendszereket alkotnak, amelyek végtermékeiket egymásnak átadva bonyolult reakciósorozatok véghezvitelére képesek.
Az élő szervezetekben többféle energiaátalakító rendszerrel találkozhatunk, amelyek a fényenergia, kémiai és mechanikai energia egymásba alakítását végzik. A fotoszintetikus reakciócentrumok például nagy hatékonysággal alakítják át a fényenergiát kémiai energiává. Az így nyert energia végül energiadús vegyületek (ATP, NADH) formájában tárolódik. Az izmokban pedig kémiai energia felhasználásával történik a mechanikai munkavégzés.
Valójában a sejtekben található energiaátalakítók közé tartoznak a molekuláris motorok is. Lineáris motorként működik többek között a kinezin fehérje, amely a sejtek vázát alkotó mikrotubulusok mentén haladva képes hasznos terhet szállítani. A molekula két lábdoménjével felváltva lépeget, minden egyes lépéshez egy-egy energiadús ATP molekula elbomlása biztosítja az energiát. Fejrészén keresztül képes specifikusan felismerni és megkötni a szállítandó célmolekulát. Ma már a kinezin mozgásának molekuláris részleteiről is sokat tudunk. A kinezin lépéseinek hossza 8 nm, átlagos mozgási sebessége 160 nm/s. A mai legmodernebb méréstechnikákkal akár egyetlen – például fluoreszcens festékkel megjelölt – molekula mozgása is megbízhatóan nyomon követhető. Számos egyéb lineáris motorként működő fehérjét ismerünk, az izmok működése is azon alapul, hogy a miozin molekulák képesek mozogni az aktin szálak mentén.
De fehérjékből nemcsak lineáris, hanem rotációs (forgómozgást végző) motorok is építhetők. Hadd beszéljek ennek kapcsán kicsit saját kutatásainkról is. A baktériumok mozgásszervei a flagellumok, amelyeknek sejtmembránba ágyazott része magában foglal egy parányi, 50 nm átmérőjű molekuláris motort. Minden egyes motorhoz egy-egy 5–10 nm hosszúságú helikális filamentum csatlakozik, amely a flagellin fehérje több tízezer kópiájából épül fel. Ezek a helikális filamentumok a baktérium úszása során egyetlen nagy helikális köteggé állnak össze, amely tengelye körül forogva mintegy propellerként hajtja előre a baktériumot. A flagelláris motorok morfológiájukat tekintve nagyon hasonlítanak az ember által készített elektromotorokhoz, hengerszimmetrikus szerkezetűek, álló és forgó részből állnak. Ezeket azonban nem elektronok, hanem protonok hajtják. Akár 100 ezres percenkénti fordulatszám elérésére is képesek, ami többszörösen meghaladja az F–1-es versenyautók motorjainak fordulatszámát. Hatékonyságukat jellemzi, hogy egyetlen körülforduláshoz csupán 500–1000 protont használnak fel.
Vajon mi teszi alkalmassá a fehérjéket önszerveződő molekuláris gépezetek építésére? A válasz kissé paradox: mert a fehérjék megfelelően nagyok, s ugyanakkor elég kicsik is. Kiterjedt felszínükön több könnyen felismerhető régió található, amelyeken keresztül specifikusan képesek más fehérjékhez (molekulákhoz) kapcsolódni. A fehérje-kölcsönhatásokban részt vevő kontaktfelszínek alakjukat és kölcsönhatási mintázatukat tekintve is komplementerek egymással. Ennek eredménye az, hogy csak a meghatározott partnerrel, szigorúan meghatározott szerkezetű komplexumot alkotva jön létre a kölcsönhatás. Ugyanakkor a fehérjék kis mérete miatt a véletlenszerű hőmozgások (Brown-mozgás) nagyon intenzívek, másodpercenként több tízmilliárdnyi relatív konformáció kipróbálására nyújtanak lehetőséget. Ez magyarázza, hogy a fehérjealapú molekuláris gépezetek alegységei miként képesek a megfelelő módon, minden külső beavatkozás nélkül gyorsan összekapcsolódni.
A nanotechnológia alapvető célkitűzése, hogy alulról, atomokból, illetve molekulákból építkezve hozzon létre működőképes rendszereket. Az élő szervezetek példája azt mutatja, hogy a fehérjék kiválóan alkalmasak önszerveződő molekuláris gépezetek építésére. Miként használhatnánk fel őket saját céljainkra?
A fehérjék nanotechnológiai alkalmazásának kézenfekvő módja a természetes fehérjék célzott módosítása. Ilyenkor megpróbáljuk úgy megváltoztatni a természetes fehérjék tulajdonságait, hogy általunk kívánt funkciók ellátására legyenek képesek. Az egyes fehérjék aminosavsorrendjét meghatározó információt a DNS-molekula egy darabja tárolja, amelyet génnek nevezünk. Az élő szervezetekben található fehérjéket, pontosabban azok aminosav-szekvenciáit ma már képesek vagyunk a génsebészet módszereivel szinte tetszés szerint átalakítani. A problémát inkább az jelenti, hogy minél több aminosavat cserélünk ki, annál kevésbé tudjuk megjósolni a módosítások térszerkezeti következményeit.
A génsebészet nem más, mint a nanotechnológia már jól működő formája. Segítségével képesek vagyunk tetszés szerint megváltoztatni és átalakítani egy DNS-molekula nukleotidsorrendjét. Persze ebben nem csak a mi ügyességünk rejlik: valójában a baktériumoktól kölcsönözzük azokat a molekuláris eszközöket (fehérjéket), amelyek segítségével egy kiszemelt DNS-darab elvágható vagy éppen összeforrasztható, lemásolható és sokszorozható. Egy kiszemelt gén nukleotidsorrendjét átalakítva tetszés szerint megváltoztathatjuk az általa kódolt fehérje aminosavsorrendjét is, vagy akár gyökeresen új fehérjéket állíthatunk elő.
A módosított fehérjék jelenlegi nanotechnológiai alkalmazásai alapvetően két csoportba sorolhatók: egyrészt specifikus molekulafelismerő képességüket kihasználva bioszenzorok alapelemeiként érzékelési feladatokra használhatjuk őket, másrészt önszerveződő képességüket kiaknázva kiválóan alkalmazhatóak molekuláris objektumok építésére.
Konkrét nanotechnológiai alkalmazásként hadd mutassam be, hogy miként hozhatunk létre rendezett kvantumpöttymintázatokat módosított fehérjék segítségével. A kvantumpötty néhány nanométeres átmérőjű parányi fémsziget. A kvantummechanika szerint egy parányi fémpötty elektromos és optikai tulajdonságait (színét, gerjeszthetőségét) elsősorban annak mérete s nem pedig anyagi minősége határozza meg. A méret precíz kontrollja révén tehát az elektromos és optikai tulajdonságok is precízen szabályozhatók. Egy-egy ilyen fémszigetecske memóriaelemként funkcionálhat, amely akár egyetlen elektronnal vezérelhető. Kémiai úton rendkívül nehéz pontosan azonos méretű kvantumpöttyöket előállítani, fehérjék segítségével azonban egészen egyszerűen megvalósítható (animáció). A vérben található ferritin fehérje a vasatomok megkötését és tárolását végzi. 24 azonos alegységből áll, amelyek rendelkeznek az önszerveződés képességével, és spontán módon üreges, labdaszerű képződményt formálnak. A ferritin fémkötési tulajdonságainak génsebészeti módosításával különféle fémek specifikus felismerésére és megkötésére képes ferritinvariánsokat állíthatunk elő, például olyanokat, amelyek arany vagy éppen nikkel megkötésére képesek. A ferritingömböcskék az alegységek közötti pórusokon keresztül oldatban begyűjtik a megfelelő fémionokat, s a belsejükben szigorúan meghatározott méretű fémgömb alakul ki. A fehérjék kristályosíthatóságát kihasználva a fémmagot tartalmazó ferritin molekulákból alkalmas felületen rendezett mintázatokat, úgynevezett kétdimenziós kristályokat hozhatunk létre. Végezetül a fehérjeburkot eltávolítva (UV- vagy hőkezeléssel) rendezett kvantumpöttymintázathoz jutunk.
Az élő szervezetekben található molekuláris gépezetek ámulatba ejtő tulajdonságai sejtetik a fehérjealapú nanotechnológia távlatait. A gyökeresen új megközelítési módból adódóan minden korábbit felülmúló technológiai áttörés várható. Különösen nyilvánvaló ez a gyógyászat területén, ahol a ma használatos módszerek alkalmatlansága, a molekuláris megközelítés fontossága magától értetődő. Milyen más lesz majd, ha a rákos daganatok kivagdosása helyett képesek leszünk a DNS-szinten való beavatkozásra. Ha tudunk majd fehérjékből olyan parányi molekuláris gépezeteket konstruálni, amelyek a vérbe juttatva megtalálják a beteg sejteket, s bennük kijavítják a DNS-hibákat, amelyek a problémát okozzák.
Várakozások szerint a XXI. század a molekuláris biológia és a nanotechnológia évszázada lesz. Egyre nyilvánvalóbb, hogy a fehérjék mindkét területen meghatározó szerepet játszanak majd. A fehérjék olyan kivételes tulajdonságokkal rendelkező anyagok, amelyek kiválóan alkalmasak önszerveződő molekuláris rendszerek építésére. Érdemes ellesnünk az élő szervezetektől a fehérjealapú molekuláris gépezetek szerveződési elveit, megfejteni működésük mechanizmusát, hogy a magunk kedve szerint építhessünk talán még a természetben megfigyelhetőknél is lenyűgözőbb képességű nanoméretű eszközöket.
A fenti szöveg a 2004. október 11-i Mindentudás Egyetemén elhangzott előadás rövidített változata. Az előadás megtekinthető október 16-án 9.40-kor a Duna Televízió, október 17-én 13.50-kor az MTV, valamint 21.55-kor az M 2 műsorán. A következő előadás október 18-án 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Kozma László termében (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2.) Szántay Csaba Gyógyszereink és a szimmetria címmel.
origo.hu
Eltűnt pásztói nőt keres a rendőrség
