Az emberiség fejlődésének történetét az ember két alapvető törekvése kíséri végig. Az egyik: alkalmazkodása környezetéhez, a másik: térbeli terjeszkedése. Törekvéseinek elérésére eszközöket készít és építkezik. Az embert térbeli terjeszkedésekor először a saját dimenzióihoz képest a nagy méretek és a távolságok izgatták. Épített óriási piramisokat, több mint 3000 kilométer hosszú nagy falat. Az elmúlt évszázadokban épített oszlopokat, tornyokat, templomokat, óriás épületeket és hidakat. Ezek az építmények ma is időtállóak, megcsodálhatjuk őket és gondolkodhatunk építésük technológiáján.
Delhiben ma is áll a híres, 1600 éve felállított vasoszlop – kérdést adva fel ezzel a kutatóknak, akik az időtálló vasfelületet eredményező korai eljárást szeretnék megfejteni. A delhi vasoszlopot – valójában győzelmi emlékművet – a Gupta-korban (II. Csandra [375–473]) készítették. A „Sors keze” nevet is viselő oszlopot az V. században vitték Delhibe. Az oszlop mintegy 7 méter magas, átmérője az oszlop tetején 30 centiméter, alján 48 centiméter, súlya pedig 6 tonna. Csodálatos színárnyalatokat – a kékesfeketétől a barnásvörösig – figyelhetünk meg rajta.
Az ember a nagy távolságok bűvöletében behajózta a tengereket, új földrészeket fedezett fel, és az elmúlt évszázadban kilépett a világűrbe. A távoli bolygók megfigyelésére óriási optikai és rádiótávcsöveket épített. Meglátogatta a Holdat, automatákat küldött a Naprendszer több bolygója köré. Két Voyager űrszonda az elmúlt 27 év alatt több mint kilencven Nap–Föld távolságra került a Földtől, és nemrégen még vehetők voltak jeleik. Negyvenezer év múlva másfél fényévre lesznek a Földtől, elhaladnak az első csillag mellett, és mintegy 300 000 év múlva 4,3 fényév távolságban haladnak el az égbolt legfényesebb csillaga, a Szíriusz mellett.
A kis méretek felé az elmúlt évszázadban fordult a figyelmünk. A törpe méretek, a „nanotartomány” az elmúlt ötven évben került az érdeklődés középpontjába.
Megismertük az atomok és elemi részek világát, a természetben előforduló biológiai molekulák és az élő sejtek szerkezetét. Az atomi és molekuláris megfigyelésre mikroszkópot, elektronmikroszkópot és pásztázó tűszondás mikroszkópokat építettünk. Megdöbbentő eredményre jutunk, ha meggondoljuk, hogy az ember jelenleg méretének 22 nagyságrendjét felölelő térrészen tevékenykedik és építkezik.
Az elmúlt ötven év alatt eszközeinket egyre kisebb méretben szeretnénk előállítani. Jól jellemzi ezt a törekvést rádióinkhoz vagy számítógépeinkhez felhasznált eszközeink méretcsökkenése. A rádiócsövek 10 centiméter nagyságúak voltak, centiméter nagyságúak voltak a tranzisztorok, és az 1961-ben megjelent első integrált áramkörök is már több száz tranzisztort tartalmaztak négyzetcentiméterenként. Negyven évvel később már ott tartunk, hogy a processzorokba integrált tranzisztorok nagysága 100 nanométer, és ebben az évben az Intel kifejlesztett egy processzort, amelyen 15 centiméter sugarú korongon 125 millió tranzisztort helyezett el, amit működtetni képes. Ha megfigyeljük a megtett utat, láthatjuk, hogy a nagyméretűtől a kisméretű felé haladva a kicsinyítés során elértük a vírusok méreteit. Vírus nagyságú eszközöket vagyunk képesek készíteni kicsinyítéssel.
Az utóbbi évtizedekben érdekes gondolat született. Miért ne lennénk képesek a fordított úton haladni, és elindulni a kicsitől, a molekulától, és tranzisztort, nanomotort vagy biomolekulát, esetleg vírust építeni molekulákból?
A kémia alapvető megoldandó feladata választ adni arra a kérdésre: melyek azok a lépések, amelyek elvezetnek az anyag komplexitásának növekedéséhez? A huszadik század végén az élet kémiai folyamataiból ellesett megoldások mesteri utánzása a kémia fejlődésének új távlatot nyitott, létrehozta a kémia új fejezetét, a szupramolekuláris kémiát, más néven nanokémiát, a nem kovalens kémiai kötéssel kapcsolódó molekulák halmazainak kémiáját.
A nanokémia létrejöttéhez számos dolog együttes fejlődésére volt szükség. Az életfolyamatok komplex kémiai jelenségeinek feltárása, a molekuláris kulcs–zár kapcsolatok megértése mellett szükséges volt a molekuláris önszerveződés és alkalmazkodóképesség jelenségének felismerése.
Szerves és szervetlen molekulák a világűrben zord körülmények között is keletkeznek. A távoli planetáris ködökben és csillagközi molekuláris felhőkben eddig mintegy 120 molekulát észleltek rádiótávcsövekkel. Az észlelt molekulák között vannak a szén-monoxid, a szén-dioxid, a víz, az alkoholok (metanol, etanol), a formaldehid, az ecetsav és a poliaromás szénhidrogének is. 1994-ben a tejútrendszer közepéhez közeli, tőlünk 26 000 fényév távolságra levő Nyilas (Sagittarius) B, szilícium-oxid mikrorészecskékből álló, fényévnyi átmérőjű csillagközi porfelhőben megfigyelték a legegyszerűbb aminosav, a glicin jelenlétét, majd 2000-ben a glikolaldehidet is ugyanitt találták meg.
A glikolaldehid 2 szénatomot, 2 oxigénatomot és 4 hidrogént tartalmazó monoszaharid cukormolekula. A 3 szénatomot tartalmazó hasonló cukormolekulával reakcióba lépve 5 szénatomot tartalmazó gyűrűs monoszaharid, ribóz keletkezik, amelynek szerepe van a DNS felépítésében. A felfedezések megerősítik azt az elképzelést, hogy az alapvető prebiotikus molekulák, mint az egyszerű aminosav és cukormolekulák, a csillagközi kozmikus por részecskéin keletkeznek, majd később az üstökösök és aszteroidák szállítják azokat a fiatal bolygók felszínére.
A rendezettség mindig valamilyen szerkezetet jelent. A molekulák az élő anyagban nem véletlenszerűen helyezkednek el, szerkezetük funkciójukhoz, feladatukhoz igazodik. A szervezettség a tulajdonságok létrehozására szolgáló optimális mechanizmusokat, algoritmusokat jelent. Gondoljunk csak a DNS Watson és Crick által fél évszázada megfejtett gyönyörű, célszerű szerkezetére. A két kettős csavart képző cukorfoszfátvázat a négy bázis, a timin, adenin, citozin és guanin úgy kapcsolja össze, hogy az adenin csak a timinnel, a citozin csak a guaninnel alkot párokat. Ez az alapja az információtárolásnak és a molekula biológiai szintézisében szerepet játszó molekuláris felismerésnek is.
A biológiai szupramolekulák mindegyike önszerveződéssel alakul ki. Az önszerveződés az alapvető hajtóereje ezeknek a feladatukhoz célszerűen kialakuló szupramolekuláknak. Az élő anyag nagy molekuláinak fontos tulajdonsága az önjavító képesség: meghibásodásuk esetén törekszenek eredeti állapotuk visszaállítására. A baktériumok, a sejtek, de a náluk egyszerűbb szervezet, a DNS-molekula is osztódással pontos másaikat hozzák létre. Ez a tulajdonság a reprodukció, az egyik legizgalmasabb tulajdonság. Reprodukcióra képes szupramolekulák kémiai felépítése a molekuláris építészet egyik nagy kihívása. A DNS- molekula reprodukciójának mechanizmusa maga a tökéletes szervezettség.
Az út a molekuláris építkezésben az egyszerű anyagi építőelemektől – az atomoktól, az elektronoktól – a komplex anyagi rendszerekig, a naprendszerekig, a galaxisokig, az élő és gondolkodó anyagig az anyag önszerveződésén keresztül vezet. Tehát a kicsitől a nagy felé építkezés technológiáját az önszerveződés jelenségének felhasználására kell alapoznunk.
Mit is értünk önszerveződésen? Az önszerveződés olyan folyamat, amelyben valamely rendszer – általában a környezetével kapcsolatban álló nyílt rendszer – alkotórészei közötti kapcsolatok külső okok nélkül megerősödnek, és az anyag rendezettsége növekszik.
Bár maga a fogalom molekuláris jelenségekre alapozva jött létre, az önszerveződés jelensége nem korlátozott a molekulahalmazokra. Bármilyen méretű anyagi komponensek, a molekuláktól a galaxisokig, képesek önszerveződésre, ha bizonyos feltételek teljesülnek. Az önszerveződésen alapul az oszcilláló kémiai reakció és az autokatalízis jelensége is. Spontán önszerveződő folyamat a biológiában a membránok, a sejtek és a különböző szervek kialakulása, de maga az élet folyamata, a növekedés és a fejlődés is.
A molekuláris önszerveződés folyamata során a molekulák vagy a molekulák valamely részei spontán, nem kovalens vagy gyenge kovalens erők hatására halmazokba rendeződnek. Az önszerveződő molekuláris halmazok – szupramolekulák – szerkezetét a létrehozó molekuláik szerkezete, alakja és a molekuláris kapcsolatokat kialakító erők határozzák meg. Az illeszkedést lehetővé tevő alak tulajdonképpen taszítóerőt képvisel. Tehát az önszerveződésben a vonzóerők mellett a taszítóerőknek is szerepük van. Klasszikus példája a taszítóerők által létrehozott önszerveződésnek a kanadai folyókon leúsztatott farönkök spontán szerveződése. Hasonló mintázatot mutat a szilíciumhordozóra leválasztott ezüst nanohuzalok elektronmikroszkópos képe is.
Az önszerveződéssel kialakult molekuláris halmazok egyensúlyi vagy metastabilis állapotban vannak még akkor is, ha maga a folyamat általában távol van az egyensúlytól. A molekuláris önszerveződés jól ismert volt a kémiában, az anyagtudományokban és a biológiában még jóval azelőtt, hogy az önszerveződés jelenségének kutatása önálló tudományterületté, a kémiai szintézis stratégiájává vált volna. Molekuláris kristályok képződése, kolloidok és lipidmembránok, fázisszeparált polimerek vagy önszerveződött molekuláris monorétegek létezése ugyanolyan jól ismert, mint a polipetidláncok csavarodása a proteinekben.
Jól illusztrálja az önszerveződés jelenségét G. Whitesides professzornak (Wisconsini Egyetem) a diákjai számára készített demonstrációs kísérlete. Polimerolvadékba stroncium-ferrit mágneses kompozitot adagolt, majd háromszög alakú, mindhárom oldalán azonos pólusú, állandó mágnesekkel körülvett konténerbe öntötte, majd a mintákat megfagyasztva olyan kis mágneses oldalú mintákat nyert, amelyek minden oldala azonos polaritású mágnesként viselkedik. Északi vagy déli sarkú, az alkalmazott állandó mágnesek polaritásától függően. Különböző színre festve az „északi” és „déli” mágneseket, lassan keringtetett vízben úsztatva, azok bizonyos idő elteltével önszerveződéssel szabályos mintázatba tömörültek. A demonstrációs példában az összefüggő alakzat kialakulásához a kötést a mágneses erő, az illeszkedést a minták alakja biztosította.
Milyen erők vezérlik a molekuláris önszerveződést? A szerves molekulák többnyire kovalens kémiai kötéssel összekapcsolódó szén-, hidrogén-, oxigén-, nitrogén-, foszfor- és kénatomokból állnak. Ezek közül a molekuláris kapcsolatok kialakításában kiemelkedő szerepük van a magányos elektronpárokkal rendelkező nitrogén-, oxigén- és kénatomoknak. A magányos elektronpárok erős kölcsönhatást képesek kialakítani más molekulák nitrogén-, oxigén- vagy kénatomjaihoz kovalens kémiai kötéssel kapcsolódó hidrogénatomokkal, illetve fématomokkal vagy fémionokkal. Az első esetben hidrogénkötésről, a másodikban datív vagy koordinációs kötésről beszélünk.
A kölcsönhatásban az elektronpárral részt vevő atomok az elektrondonorok, az azt befogadók az elektronakceptorok. A nitrogén-, oxigén- és kén- vagy a fématomok mintegy mágnesként megjelölik a molekulákat. Ez a megjelölés az egyik alapja a molekuláris felismerésnek. Természetesen ha a molekula több erős kölcsönhatásra képes donor, illetve akceptor atomi centrummal rendelkezik, akkor a megjelölés többpontos lesz.
Az önszerveződés példája a lipidmembránok kialakulása vizes közegben. A vízmolekulák kölcsönhatása a molekula hidrofil fejrészével vagy más vízmolekulával jóval intenzívebb, mint a molekula hidrofób szénhidrogénláncával. Ezért amíg a fejrészek a tömbfázis felé fordulnak, a vízmolekulák kiszorulnak a láncok közül, és kialakul a membránszerkezet.
Mostanra már számos megoldást megismertünk a természetes molekuláris építkezés technológiájából, köztük számos építőelemet – sőt magunk is elő tudtunk állítani jó néhányat közülük. Az ismeretek birtokában az elmúlt évtizedben kialakult a racionális molekuláris építészet tudománya, és megkezdődött az építkezés. Sokszor mondjuk, hogy a XX. század a fizika százada volt. Úgy gondolom, hogy a XXI. század a fizikát és biológiát mindinkább „kovalensen” összekötő kémia százada lesz.
A fenti szöveg a 2004. november 15-i Mindentudás Egyetemén elhangzott előadás rövidített változata.
origo.hu
Tényleg meg kellene halnunk Ukrajnáért, ahogy a Tisza Párt szeretné?
