November második csütörtökén ismét összegyűlt jó pár érdeklődő laikus és szakmabeli személy a Magyar Tudományos Akadémia Könyvtárának a második emeleti előadótermében, hogy három igencsak változatos tudományterület legmagasabb elismerésének okáról hallhasson neves magyar kutatók tolmácsolásában.

Újfent sikerült egy rendkívül érdekfeszítő, változatos, ám jelen esetben az ELTE-n kívüli előadással szembetalálkoznom. Az előzetes érdeklődésem során láttam, hogy milyen széles spektrumot takarnak le (fizika-kémia-geológia-genetika-biotechnológia) a hónapról hónapra, minden második csütörtökön itt megjelenő előadók, ezáltal is bővítve a témák repertoárját. A fórum vagy inkább előadássorozat számos helyen képviselteti magát, de amit mindenképpen az érdeklődőknek ajánlok, az a honlap. Emellett az előadásokat igyekeznek digitális formában is archiválni, hogy az utókor számára megmaradjon.

A megnyitó során Dr. Varga Máté köszöntötte a közönséget és röviden felvezette az előadókat. Az első előadáson terítékre került Dr. Asbóth János Károly (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Kvantumoptika és Kvantuminformatika Osztály) tolmácsolásában egy csavaros történet, azaz hogyan került a topológia a szilárdtestfizikába. Az előadás tartalmi része a 2016. évi Nobel-díjas topologikus fázisok három szintjéről szólt. Érdekesség, hogy a három díjazott közül D. J. Thouless-nek és F. D. Haldanen-nek a témavezetője is Nobel-díjas kutató. Ez az előadás kicsit más oldalról közelítette meg ezt a témát, mint a nemrég ezzel a témával foglalkozó Az atomoktól a csillagokig előadás. Az előadó egy érdekes, nem tudományos jellegű statisztikával nyitotta a performanszát, amelynek az indokolta a létjogosultságát, hogy gyakran lehet hallani, hogy „Brit tudósok szerint…”. S az az igazság, hogy ők nagyon sikeresek 104 Nobel-díjassal. Magyarország is fent van a listán a maga 8 tagjával. Viszont az országok között felállított rangsor alapja a 10 millió főre eső Nobel-díjasok száma, amiben Svájc állt az első helyen 20 díjazottal és 8 350 864 lakossal (2015-ös adat). Az előadás három alappillére a Kosterlitz-Thouless átalkulás, a kvantumos Hall-effektus topológiája és a Haldane-féle topologikus rendezett kvantumrendszerek voltak. A fizikus nagyon szemléletes példán mutatta be, hogy az egyes pillérek milyen nehézségűek voltak. A Planking edzést hozta fel hasonlatnak. A fentebb említett sorrend szerint az első egy egyszerű planking gyakorlatnak felelne meg, míg a második már egy kombinált, féloldalas gyakorlat és a harmadik a legnehezebben kivitelezhető erősítés.

Ezután a közönség be lett avatva a topológia matematikai eredetébe, ami a folytonos egymásba alakíthatóságot veszi alapul. E szerint a felfogás szerint a labda, a kocka és a piramis ugyanaz, hiszen átalakíthatóak egymásba, de egyik sem egyenlő topológiailag egy úszógumival. Viszont ez utóbbi egyenlő az egyfülű teásbögrével, de már nem egyenlő a kétfülű (tandem) teásbögrével. Fizikai szempontból ezek az objektumok nagyon különböznek.

A fázisátalakulásokat rendeződésként értik meg a kutatók. Például a jég olvadása és a visszafagyása is ilyen. A mágneseződés esetén a melegítés hatására elmúlik a mágnesesség, amelyet a mágnest alkotó spinek iránya ad meg. Hő hatására ez az irányvonal rendszer változik meg. A fázisátalakulások szokásos Landau-elméletét az F=E-TS képlet adja meg. A topológiai fázisátmenetek esetében ez az elmélet módosul. A magas hőmérsékleti rezgések szétverik a struktúrát, az entrópia maximalizálódik.

szigeti_balazs_tudositas_bsm_vortex
A képen láthatóak a mágneses spin rendszerek a hőmérséklet függvényében. A vortexek az alacsonyabb hőmérsékletű rendszerekben párosával vortex-antivortexként összetartanak

A fázisátalakulás egyfajta szimmetriasértés. Alacsony hőmérsékleten az energia minimalizálódik. A Kosterlitz-Thouless fázisátalakulás esetében a magas hőmérsékletnél fluktuáció alakul ki. Erre példa az Ising-modell, ahol kétféle spinbeállás reprezentálódik. Alacsony hőmérsékleten megtörténik egy spontán rendeződés. Ha a spin folyamatosan változhat, egy- és két dimenzióban a hőmérséklet miatti rezgések szétverik a hosszú távú rendet. Ezek a rendszerek léteznek, de egy 3 dimenziós világszemléletben az átlagember nem foglalkozik vele. Kosterlitz és Thouless óvaintett mindenkit, hogy figyeljenek az örvényekre (vortex). Egy középpontba irányuló vortex egy topologikus hiba, ugyanis ha változtatjuk a spineket, akkor sem tudjuk „kivasalni” a vortexet. Ha megpróbáljuk az elemeket az ujjunkkal követni, akkor az egy irányba elkezd csavarodni. Az antivortex konfigurációnál pont ellentétesen csavarodik az ember ujja. Egy vortex-antivortex pár széthúzható a semmiből és képesek egymást annihilálni (megsemmisíteni). Egy  bemutatott szimuláció során az alacsony hőmérsékleten egy kezdeti konfigurációban kezdenek beállni a spinek. A vortexek és az antivortexek helyét egy számítógépes algoritmussal könnyű megkeresni, emberi szemmel nehezen lehetne kivitelezni. Az úgynevezett vortex proliferáció során a vortexek elszakadnak egymástól, de a hűtés folyamán megtalálják egymást és ekkor megsemmisülnek. A rendeződés alatt a szomszédos spinek megpróbálnak egy irányba beállni. A kvantumos Hall-effektus kivitelezését (Hall-mérés) alacsony hőmérsékletű elektrongázon végezték el először 1980-ban. Eközben áramot hajtottak át egy kétdimenziós anyag (minta) mentén. A mágneses tér merőleges lesz a mintára, eközben keresztirányú feszültség alakul ki. Alacsony hőmérsékleten dolgoztak, így a mágneses tér volt a felelős ezért a feltételezhető fázisátalakulásért. Thouless megmutatta, hogy a kvantumos Hall-vezetőképesség egy topologikus szám. Haldanen-nak (1988) a kvantumos Hall-effektushoz csak a topológia kellett, a mágneses tér nem. Ezt a The honeycomb-net modellben („2D graphite”) írta le, ami a 2010-ben szintén Nobel-díjat kapott grafén volt (Andre Geim és Konstantin Novoselov).

Haldane munkájának utóélete nagyon szerteágazó. A kvantuminformációk kinyerése hatalmas szerephez jutott, amikből a legígéretesebb kvantumszámítógépeket igyekeznek kifejleszteni, melyek 1%-os hibarátával működnek. Utószóként hallhattunk arról is, hogy az amerikai multicégek közül (Google, IBM, Microsoft) akad egy pár, amelyiknek az érdekeltségi körében szerepel ezen tudományos eredmények felhasználása és alkalmazása, hogy kifejlesszék a kvantumszámítógépeket. Összegezve a tudományos eredményt tehát, a topológiát érdemes behozni a szilárdtestfizikába.

A második előadó Dr. Farkas Viktor volt, aki az MTA-ELTE Fehérjemodellező Kutatócsoportból érkezett és a kémiai Nobel-díj odaítélésének relevanciájáról beszélt. Úgy jellemezte, hogy a szerves kémia diadalának és a kreativitás ünnepének tekinthető ez a díj. A munka kezdete óta hatalmas expanzió indult meg, de a felfedezés(ek) gyakorlati felhasználásról még nem sokat tudnak. Ez nekem nagyon is érdekesnek bizonyult, de a végére megértettem, hogy mire is célzott ezzel az előadó.

A molekula méretű gépek tervezése és előállítása témában kapta a kémiai Nobel-díjat Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart és Bernard L. Feringa. A munka maga a molekulaszintű mozgásról és mozgatásról szólt. Elsőre nem tűnt egyszerűnek, de meg lehetett érteni. A tervezés, a molekuláris szintézis nagyon komplex folyamat. A könnyebb érthetőségért egy nagyon jó analógián át indult el az előadás. A makroszkopikus gépek (daruk, teherautó, homlokrakodó) akkor működnek, amikor az őket alkotó alkatrészek rendelkezésre állnak és együttesen képesek működni. Ezek segítik a helyváltozást, az elmozdulást és a forgást. Ennek a felfedezésnek az előzménye vagy inkább az előélete sok Nobel-díjas kutatás általi inspiráció volt. Az elemes, nagy felbontású spektroszkópia és a kapcsolódó kutatások is 2-3 Nobel-díjat kaptak már.

szigeti_balazs_tudositas_bsm_molekularis_motor
A képen látható egy egyszerűbb molekuláris motor működési elve. Az irányított mozgatás érdekében szabályozni kell az anyag szerkezetét és a hozzáadott anyagokat

A történet előzménye, hogy egy Charles J. Pedersen nevű kémikus egy melléktermékkel kezdett foglalkozni, ami egy heteroatomos, ciklikus elrendeződésű koronaéter volt. Később Donald J. Cram felfedezte, hogy egy úgynevezett vendégion (pl.: kálium) be tud ülni a koronaéterbe. A molekula ezáltal szelektívvé vált. Jean-Marie Lehn fokozta a szerkezetet háromdimenzióssá, amivel egyenes arányban nőtt az ionszelektivtás is, ezzel létrehozva a kriptandot. Ezek már képesek aminocsoportokat is megkötni. Ez is egy mérföldköve volt a szupramolekuláris kémia megszületésének. A kezdeti példán keresztül nézve megszülettek a molekuláris méretű alkatrészek. Később még illusztrisabb, akár két egymásba font gyűrűt is létre lehetett hozni, amik láncszerűen kapcsolódtak egymáshoz. Ezek viszonylag alacsony hozammal készültek, azaz sok ráfordításból kevés anyag lett.

Az anyag előállításának, szerves szintézisének iránti követelmények közé tartozott az egyszerű és gyors reakció. Egy heteroatomos, aromás rendszert szintetizált hozzá a kriptandhoz, réziont adva hozzá. Így az ion képes volt komplexálni a rendszert. Jean-Pierre Sauvage két koronaétert egymásba oldott. Kálium-cianiddal kezelve a rézion ki tudott oldódni és így jött létre a katenán. Ebben részt kapott a topológiai kémia szakág is. Ennek az analízise egy másik történet része. J. Fraser Stoddart lineáris, hosszú poliéteres és egy elektronban szegény nyitott molekulát szintetizált, ami egy bothoz hasonlított. Erre egy négyzetes gyűrűt rakott, amivel egyensúlyban volt a lineáris molekula. Így jött létre a rotaxán. Ez már képes volt a helyváltoztatásra a „boton” belül, de nem lehetett irányítani. Ha az egyik elektronban gazdag részt kicserélték, akkor blokkolták a mozgást. S amint elektronban gazdag részt adtak a rendszerhez, akkor képesek voltak befolyásolni a mozgást. Létrejött az irányított helyváltozatás a gyakorlatban. Ben L. Feringa (1999) létrehozott egy olyan molekulát, amely egy egyirányú forgó mozgást végző motor volt. Erős energiájú UV fény besugárzás és kisebb energiájú hő hatására képes két gyors lépésben megfordulni, ami kiad egy teljes ciklust. Az intramolekuláris kettős kötés mentén képes a két lépés megvalósulni. A felhasználási területek hívószavai a mesterséges izmok, a molekuláris liftek, a molekuláris kapcsolók, a molekuláris autók és a számítógépek.

A közös mindegyikben az irányított mozgás kivitelezése. A rotaxán esetén már a pH változtatással is végre lehet hajtani ezt. A molekuláris lifteknél a rotaxán koronaétereit lehet fel-le mozgatni. A rendszert persze túl is lehet bonyolítani és akár egy kvadrokopter/drón-szerű molekula is létrejöhet. A szerkezet meghosszabbítással egy nagy alapot kaphatunk, több pillérrel, ami mentén, egyszerre lehet irányítottan mozgatni az aromás „lift alapot”. Az emelet különbsége 0,7 nm és 7 pN erő végzi a mozgást. Halhattunk még a molekuláris autók alapszerkezetéről, amely abból áll, hogy van két tengely és a két tengely között maga a motor, amit besugárzunk UV fénnyel. A sugárzás hatására igazából felemelkedik a motor egység, de technikailag előre mozdul el a molekula. Az alkatrészek elkészítése és összeállítása végső soron szerves kémiai reakciók sorozata. Pl.: jód-anilinből 6-7 lépéssel el lehet jutni a tengelyig és a két kerékig. Ezt kétszer végrehajtva létrejön a szimmetrikus alapszerkezet. Egy fenil gyűrűt mindenféle szubsztituenssel kell reagáltatni, majd pedig p-karboránokkal (a kerékkel). S végül a két aromás rendszerrel rendelkező központi motort 6 lépésen keresztül lehet elkészíteni. A munka sikerességét pásztázó alagútmikroszkóppal (STM) lehet ellenőrizni. Végül kaptunk egy kis kitekintést, hogy milyen esetleges felhasználásuk lehet ezeknek a vívmányoknak. A legmerészebb ilyen koncepció az önmagukat összeszerelő miniatűr gyárak, s a benne munkálkodó egységek, melyek most még nagyon messzinek tűnő célok.

autogafia-fig_-1

 

Az utolsó előadás az autofágia és a regeneráció kapcsolatáról szólt, az ELTE TTK Genetikai Tanszék kutatójának, Dr. Kovács Tibornak az előadásában. 2016-ban a Nobel-díjat Yoshinori Ohsumi kapta meg, mert ő írta le először magát az autofágia mechanizmusát. Magával a témával rengetegen foglalkoznak, így a nevek sora szinte végtelen. A mechanizmus több tényezőből áll, de a legfontosabb az, amelyik a sejten belüli komponensek lebontását idézi elő. Ezt lizoszómával, pontosabban a lizoszomális enzimek segítségével viszi véghez a sejt. Például a chaperon irányította (chaperonnal jelölt egységek) lebontási folyamata vagy sejtkomponensek degradációja. Bővebben hallhattunk a makroautofágia jelenségéről. Itt először kettős membrán alakul ki, amely a citoplazma egy részét körbeöleli. Ez a rendszer összeolvadhat a lizoszómával. Ekkor a belső környezet savas lesz és megindul a degeneráció. Ez az ami teljes sejtorganellumokat képes körbevenni, például a mitochondriumot (mitofágia). Az autofágia alapvetően egy sejtvédő folyamat, amely a sérült, elöregedett anyagokat képes eltávolítani. Ez biztosítja a sejt fittségét. A folyamat szintje éhezés, oxidatív stressz vagy parazitafertőzés hatására megnőhet. Az orvosbiológiai funkciók klinikai relevanciája nagyon nagy. Leginkább a védőmechanizmuson (pl. neuropátiák, miopátiák, öregedés (szeneszcencia), kardiovaszkuláris betegségek, tumoros transzformációk) van a hangsúly. Minden esetben meg kell említeni a pro mellett a contra érveket is. Viszont az autofágia továbbra is a sejt túlélését fogja biztosítani. Ám ha egy tumoros sejtet vizsgálunk, akkor azt a saját immunrendszerünktől kell “megvédeni”. Illetve az öregedés során is vannak kontra érvek. Sejtszinten úgy néz ki a folyamat, hogy a hibák felhalmozódásával a sejt a funkciójából veszít. Mi lehet egy lebontó folyamatnak a stressz válaszon kívüli funkciója? Például a regeneráció, ahol nagy osztódási potenciállal rendelkező őssejtek működnek közre, amikből különböző típusú sejtek alakulhatnak ki. A potenciál szerint beszélhetünk toti-, pluri-, multi- és unipotens őssejtekről. A regenerációs folyamatok során különböző jelek (szignálok) hatására a sejtek képesek visszaalakulni egy őssejthez közeli állapotba (dedifferenciáció), majd az adott szövetben, más szignálok hatására a megfelelő helyre migrálódva pedig újra egy elkötelezett, szövetre jellemző formát öltenek (redifferenciáció). A dedifferenciációs fázisban tanulmányozzák az autofágiát. Ezután az ecetmuslica (Drosophila melanogaster) példáján láthattuk azt, hogy bizonyos csíravonal eredetű és testi (somaticus) őssejtek sorsa hogyan változik meg az állatban normális állapotban és a regeneráció során. A különbség szembeötlő, s ezek többoldali bizonyítása is megtörtént rutin fénymikroszkópos, immunológiai és elektronmikroszkópos módszerekkel. Végül pedig elhangzott, hogy egy paradigmaváltás történt az autofágia mechanizmusának az értelmezésében. Sok esetben az autofágia és az endocitózis folyamatai nem egymástól független mechanizmusok, valamint a lizoszomális lebontó folyamatok esszenciálisak a dedifferenciáció folyamatában. Az autofágia szerepe pedig megkérdőjelezhetetlen számos egyedfejlődési és orvosbiológiai folyamatban.

Az előadások nagyon jó hangulatban, szinte családiasan teltek el, úgyhogy csak ajánlani tudom bárkinek, aki egy könnyed csütörtök esti kikapcsolódásra vágyik.