Tartalomjegyzék. Biokémiai Intézet Biofizikai Intézet Genetikai Intézet Információ Ajánlás Opioid peptidek...

Átírás

1 Tartalomjegyzék Információ... 2 Ajánlás... 3 Igazgatók... 4 Innováció, kapcsolattartás... 6 Biofizikai Intézet... 7 Optikai mikromanipuláció... 8 Folyadék áramlásának vezérlése fénnyel a mikrofluidikában... 9 A víz szerkezetének hatása a fehérjeműködésre Bioelektronika Femtobiológia Fénnyel hajtott mikrogépek a biológiában Alkalmazott kiroptikai spektroszkópia Humán biofizika, mozgásanalitika Atomerőmikroszkóp biológiai alkalmazásai Neuronális degeneráció Vér-agy gát és gyógyszertranszport Az agyi endotélsejtek működésének molekuláris alapjai Neuronális protekció és plaszticitás Szinaptikus változások depresszióban A vakuoláris proton-atpáz: biomembránba épített molekuláris gépezet Membránfehérjék funkcionális szerkezetbiológiája Lipid-fehérje kölcsönhatások biológiai és modell rendszerekben A citokróm c érése Fehérjék elektromos vezetése Redox fehérjék működése és szerkezete Autokatalitikus és oszcilláló enzimreakciók vizsgálata A citokróm b561 fehérjék Biohidrogén Bioremediáció Biogáz Bioaktív peptidek/molekulák struktúrális bioinformatikája Biokémiai Intézet Opioid peptidek Molekulaszerkezet Kémiai biológia Stresszfehérje alapú gyógyszerjelöltek kutatása-fejlesztése Fehérjelebontás szerepe a sejtfolyamatok szabályozásában Kemoterápiás szerekkel szembeni érzékenység genetikai hátterének vizsgálata A sejtközötti állomány fehérjéinek szerepe fejlődési és regenerációs folyamatokban Transzgenikus állatmodellek létrehozása a porcregeneráció vizsgálatára Betegségmodellek kifejlesztése és alkalmazása Immunológia, Tumorbiológia, Fájdalomkutatás Restrikciós endonukleázok és dns-metiltranszferázok, a géntechnológia eszközei Szintetikus biológia: mesterséges baktérium sejt biomolekulák termeltetéséhez Génkölcsönhatási hálózatok Az antibiotikum rezisztencia evolúciója baktériumokban Genetikai Intézet A szimbiotikus nitrogénkötés molekuláris háttere Lucerna genetika Toxin-antitoxin modulok rhizobiumokban Mesterséges kromoszóma-őssejt rendszer Immunválasz szabályozás autoimmun betegségekben és rákban Daganatos betegségek molekuláris háttere Egyénre szabott rákdiagnosztika és terápia Régészeti genetikai kutatások Idegi differenciálódásban résztvevő genetikai hálózat vizsgálata A veleszületett immunitás Az aktin sejtváz szerepe az idegsejt nyúlványok növekedésében Forminok szerepe az izomfejlődés során Tartalomjegyzék 1

2 Tartalomjegyzék Kromoszómaszerkezet és génszabályozás kapcsolatának vizsgálata Epigenetikai szabályozás Rovar neurohormonok és receptoraik gene tikai analízise drosophila melanogasterben Ivarsejtfejlődés genetikája Bal-jobb aszimmetria Dns javítás élesztőben Rovar filogenetika és filogeográfia Növénybiológiai Intézet A fényszabályozott növényi életfolyamatok molekuláris alapjai Biológiai óra növényekben Brasszinoszteroidok Fotoszintetikus energiaátalakítás vizsgálata Nehézfém bioszenzorok kifejlesztése Komplex növényi stressz-diagnosztikai rendszer kifejlesztése Reaktív oxigén származékok azonosítása növényekben Önszerveződő fotoszintetikus fénybegyűjtő rendszerek Alternatív elektrontranszport hőstressznek kitett fotoszintetikus rendszerekben Mekkora rend van a sejtekben? Új mikroszkópos eljárás a rendezettség mérésére; biológiai alkalmazások Anionos (negatív töltésű) lipidek szerepe fotoszintetikus szervezetek életfolyamataiban Biodízel előállítás algák segítségével A gabonafélék fagyállóságának növelése Stressztűrés fokozása protektív enzimekkel Szárazságadaptáció gabonafélékben Géncsillapítás szintetikus oligonukleotidok alkalmazásával növényekben A gazdasági növények szerveinek méretét befolyásoló génvariánsok azonosítása és működésük jellemzése A növényi növekedés szabályozásában résztvevő molekuláris folyamatok megértése és hasznosítása A növényi egyedfejlődés szabályozásának sajátosságai Megtermékenyítés és embriófejlődés növényekben A só és szárazságtűrést befolyásoló gének azonosítása és jellemzése A prolin és a szárazságtűrés A mitokondriális folyamatok szerepe a növényi stresszválaszban Központi Laboratóriumok Fehérjecsipek Fehérje-analitika tömegspektrometriával Molekuláris hálózatok Biológiai rendszerek modellezése Géncsaládok funkcionális annotációja Genom-informatika Mikroszkópos képfeldolgozás és a sejtosztódás mikroszkópos elemzése Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Kutatóközpont Az Európai Unió Kiválósági Központja Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Tel.: Fax: vagy

3 Ajánlás A Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Kutatóközpontjának bemutatkozó kiadványát tartja kezében a kedves érdeklődő. A Kutatóközpont közel 40 évvel ezelőtti alapítása óta a molekuláris biológia egyik meghatározó kutatóbázisa, ma a Magyar Tudományos Akadémia legnagyobb kutatóhelye. Négy Intézetre tagolt struktúrában összesen 460 dolgozóval, 250 kutatóval a modern biológia valamennyi területét lefedve végzünk tudományos kutatást. Szoros kapcsolatot ápolunk a Szegedi Tudományegyetemmel. Lehetőségeinkhez mérten részt veszünk az egyetemi oktatásban is valamennyi szinten, ennek keretében még 70 PhD hallgató is részese kutatói gárdánknak. A kiadvány részleteiben ismerteti a Kutatóközpont Intézeteiben folyó kutatómunkát. Az anyag struktúrája természetes: bemutatjuk az Intézetekben kutatott témákat, a vezető kutatókat. Jól látható témáink sokfélesége, a molekuláris genetikától többek között a szerkezeti biológián, a fejlődésbiológián, fotobiológián, rendszerbiológián át a nanobiotechnológiáig szinte minden, a modern biológiára jellemző területen végzünk elsőrangú kutatómunkát a nemzetközi tudós közösség által elismert és nagyra értékelt eredményekkel. Munkánkat természetesen a tudományos kutatásra alapvetően jellemző módon a hazai és nemzetközi tudós társadalom részeként, együttműködésekben végezzük. Tevékenységünk jellege felfedező kutatás: célunk új biológiai jelenségek, összefüggések felfedezése, új ismeretek szerzése. Eredményeink az egyetemes tudást gazdagítják, egyúttal az új ismeretek hozzásegítenek új ipari eljárások kidolgozásához. Tisztában vagyunk azzal, hogy a társadalom hasznosságot vár tőlünk, felfedezéseinknek végül anyagi értéket kell termelniük, elő kell segítsék a társadalom jólétét. Jól működő társadalomban az ipar a tudomány eredményeit jó hatásfokkal hasznosítja, igazán fejlett, korszerű ipar a tudomány felfedezéseire épül, azokat alkalmazza új eljárásaiban. Munkánk, kutatásaink beágyazódnak az ország kutatás-fejlesztésének rendszerébe. Magunk is hozzájárulunk, hogy a Kutatóközpontunkban született tudományos eredmények gyakorlati hasznosulása minél hamarabb megtörténjen. Segítjük a felfedezésekre épülő úgynevezett spin-off vállalkozások létrejöttét-működését. Jelenleg körülbelül 65 ipari szabadalom védi a rövid távon is alkalmazható eredményeink jogait, és több spin-off cég alakult és működik a nálunk elért eredmények gazdasági hasznosítására. Mindent megteszünk e cégek további fejlődésének elősegítéséért, mert meggyőződésünk, hogy az ezek által kínált lehetőségek fontos kitörési pontjai lehetnek a korszerű magyar ipar fejlődésének. Reméljük, anyagunk jól bemutatja a Kutatóközpontban folyó munkát, és bízunk benne, hogy az egyes kutatási témák áttanulmányozása élvezetes intellektuális élményt nyújt. Akkor érünk el e kiadvánnyal valóban jó eredményt, ha sikerül az érdeklődő kíváncsiságát annyira felkeltenünk, hogy további információra, kapcsolat felvételére merül fel igény. Készséggel állunk az érdeklődők rendelkezésére. Ajánlás Szeged, Dr. Ormos Pál főigazgató 3

4 Igazgatók Igazgatók Dr. Ormos Pál Főigazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Fax: Titkárnő: Keczán Józsefné Telefon: Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Fax: Titkárnő: Gémes Andrea Telefon: Gazdasági ügyintéző: Hrk Anikó Telefon: Dr. Pósfai György Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Biokémiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Fax: Titkárnő: Ökrösné Miklós Olga Telefon: Gazdasági ügyintéző: Kordás Mónika Telefon:

5 Igazgatók Igazgatók Dr. Erdélyi Miklós Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Genetikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Fax: Titkárnő: Soltész Csilla Telefon: Gazdasági ügyintéző: Abonyi Csabáné Telefon: Dr. Vass Imre Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Növénybiológiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Fax: Titkárnő: Károlyi Mariann Telefon: Gazdasági ügyintéző: Kanalas Józsefné Telefon: Dr. Báthori János Gazdasági Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Fax: Titkárnő: Miletin Anna Telefon:

6 Innováció, kapcsolattartás Innováció Dr. Vígh László Innovációs Főigazgató-helyettes, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Tel./Fax: Titkárnő: Ökrösné Miklós Olga Telefon: kapcsolattartás Dr. Páy Anikó Tudományos Titkár, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Fax: Titkárnő: Gondáné Lehmann Edina Telefon: Dr. Heffner Péter Pályázati Iroda Vezető, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf Telefon: Pályázati Asszisztens: Kiss Anita Telefon:

7 SZBK Biofizika Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt Szeged, Pf

8 Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Témavezető: Dr. Ormos Pál Tel.: OPTIKAI MIKROMANIPULÁCIÓ A fény impulzust hordoz, vagyis testekbe ütközve erőhatást képes kifejteni. Mégis, a mindennapok makrovilágában a fény nyomása elhanyagolható. Más a helyzet azonban a mikrovilágban: ha mikrométeres mérettartományú részecskét átlagos intenzitású lézerfénnyel világítunk meg, a fénynyomás hatása jelentős lehet. Ha egy, a környezeténél nagyobb törésmutatójú anyagból készült mikroszkopikus testet fókuszált fénybe helyezünk, az a fókuszban csapdázódik. E módszerrel egyes sejtek, molekulák manipulálhatók: mozgathatók, nyújthatók, stb. Alapesetben egy gömb alakú test pozícióját határozza meg az optikai csipesz. További manipulációs lehetőséget nyújtana, ha még a megragadott test helyzetét, orientációját is meg tudnánk határozni: ez kiterjesztené a manipulációs lehetőségek körét. Laboratóriumunkban azt vizsgáljuk, milyen a kölcsönhatás az optikai csipesz és speciális alakú mikroszkopikus testek között. Fényre keményedő gyantából foto-polimerizációval tetszőleges alakú testeket tudunk előállítani, és e testekkel vizsgáljuk a csapdázás új jelenségeit, illetve segítségükkel újfajta mikromanipulációs eszközt készítünk. Két tipikus eljárást mutatunk be. Helikális, propeller alakú testek fénycsipeszben forogni kezdenek, e rotorokkal testek forgathatók, gépek hajthatók velük. Készítettünk fény hajtotta összetett, biológiában használandó gépeket. Ha az optikai csipeszt lineárisan polarizált fény alkotja, lapos testek csapdázva a polarizáció síkjában orientálódnak. Ezen eljárással a testek orientálhatók. Ha a lapos testre próbamolekulát erősítünk, arra forgatónyomatékot tudunk kifejteni, mérni. Így molekulákat csavarhatunk, meghatározhatjuk molekulák torziós tulajdonságait. Ez a biológiában nagyon fontos, hiszen sok forgással járó biológiai folyamat van. Például a DNS-ben tárolt információhoz a molekula csavarásával lehet hozzájutni. Módszerünkkel meg tudunk csavarni egyetlen DNS molekulát, és meg tudjuk határozni a DNS molekula csavarási rugalmassági állandóját a működés megértéséhez fontos paramétert. Óriásmolekula csavarása a lézercsipeszben. A fény polarizáció síkját forgatva forgatjuk a molekula végére erősített lapos testet. 8

9 Témavezető: Dr. Ormos Pál Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Biofizika Folyadék áramlásának vezérlése fénnyel a mikrofluidikában A modern, genomikai megközelítésre alapozott biokémiai, orvosdiagnosztikai kutatásokban egyre nagyobb szükség van olyan műszerekre, amelyek kis mennyiségű anyagon de igen nagyszámú mintán lehetőleg gyorsan végeznek méréseket. E követelményeknek a méretek csökkentésével lehet megfelelni, és a mikrofluidika (chiplaboratórium) az a kutatásfejlesztési irányzat, amely ebben az irányban keres új megoldásokat. Világszerte nagy intenzitással kutatják-fejlesztik a területet. A mikro- illetve nanométer karakterisztikus méretű reaktorokban lezajló folyamatok dinamikája nem pontosan ismert még, ennek megfelelően nincs kialakult megoldás az egyes feladatokra, számos irányban folyik a fejlesztés. Ilyen mikrofluidikai eszközöket fejlesztünk, mégpedig olyanokat, amelyeket fénnyel lehet vezérelni: ez nagyfokú rugalmasságot ígér a működésben. A megalapozó fizikai jelenségeket kutatjuk, vizsgáljuk az alkalmazás lehetőségeit. Kidolgoztuk a fényvezérelt elektroozmózis technikát. Folyadékkal telt csatorna falának töltését leárnyékoló töltések jelennek meg a folyadékban, és ezek elektromos térrel mozgathatók. Mikroméretű csatornákban a teljes folyadékmennyiség mozgatható ily módon, ez az elektroozmózis jelensége. A mikrocsatorna falát fényvezető anyaggal vonjuk be. A folyadékot az elektroozmózist felhasználva elektromos térrel mozgatjuk a mikrocsatornában, de a fényérzékeny falú csatorna megvilágításával az elektromos tér fénnyel befolyásolható, és így a folyadék mozgatása fénnyel vezérelhető. Különböző áramlásvezérlő elemeket dolgoztunk ki. Egyetlen csatornában a folyadék áramlását tudjuk fénnyel ki-be kapcsolni. Készítettünk fénnyel vezérelt folyadékkapcsolót, itt fénnyel választjuk ki, hogy elágazó csatornában a folyadék melyik ágban folyjon. A mikrofluidika mérettartományában az áramlás mindig lamináris, ezért különös probléma a keverés, márpedig ez kulcskérdés a kémiai reakciók hajtásánál. A fényvezérelt elektroozmózis megoldást ígér e problémában is. Ha a mikrocsatorna fényérzékeny falát megfelelő mintázatú fénnyel világítjuk meg, a folyadék áramlás mintázatát is befolyásolni, szabályozni tudjuk egyetlen mikrocsatornán belül. Ezzel az eljárással lehetőség nyílik folyadék keverési algoritmusok kialakítására. A jelenséget kísérletekkel tanulmányozzuk, illetve megvalósítottuk a vizsgált rendszerek teljes számítógépes szimulációját. A kidolgozott módszerek alkalmasak a mikrocsatornák áramlási jelenségeinek a vizsgálatára, ugyanakkor komoly gyakorlati jelentőségük van, hiszen újszerűen vezérelhető mikrofluidikai eszközök előállítására ad lehetőséget. Célunk teljesen fényvezérelt, komplex biokémiai feladatot ellátó mikrofluidikai rendszerek kifejlesztése. Fényvezérelt folyadékkapcsoló szimulációja. Az elektromos tér és a folyadékáramlás jellemzőit véges elem módszerrel határoztuk meg. 9

10 Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Témavezető: Dr. Dér András Tel.: A VÍZ SZERKEZETÉNEK HATÁSA A FEHÉRJEMŰKÖDÉSRE 10 A vízmolekula a harmadik leggyakoribb molekula a világegyetemben (a H különböző formái és a CO után), és a leggyakoribb a Földön. Az élőlények nagy része víz (minden szervezettségi szinten). Ha elvonjuk a vizet, a fehérjék sem működnek. A víz a fehérjéket körülvevő mátrix, amely biztosítja a stabilitásukat és a flexibilitásukat egyaránt (Philip Ball). Különleges molekuláris tulajdonságai: nagy dipólmomentum, H-kötések hálózata, gyors kicserélődés. Mindezek miatt a vízmolekulák laza, dinamikus struktúrákba szerveződnek: Alacsony hőmérsékleten sok ilyen konformáció van, magas hőmérsékleten kevés (a H-kötések gyengülése miatt). Mi lehet a következménye a H-kötések erőssége változásának a fehérjékre? A hőmérsékletváltozás hatása komplex, mert a hőmozgást is megváltoztatja. A fenti kérdés kísérleti megválaszolásához ezért ehelyett próbálkozhatunk olyan sók hozzáadásával, amelyek nem lépnek specifikusan kölcsönhatásba a fehérjékkel, de hatnak a vízre. A sók ilyen közvetett hatása a fehérjékre régóta ismert, összefoglaló néven Hofmeister-hatásnak nevezik. Lényege, hogy a semleges sók közepes és nagy koncentrációkban (>100 mm) befolyásolják a fehérjék aggregációs tulajdonságait. A megfigyelések szerint a hatást főként az anionok határozzák meg. Hofmeister 1888-ban sorba rendezte az anionokat aszerint, hogy milyen hatékonysággal csapják ki a globuláris fehérjéket: SO 4 > F > CH 3 COO > Cl > Br > I > ClO 4, SCN A Cl ionnak a legkisebb az oldhatóságra gyakorolt hatása. A sorban tőle balra elhelyezkedőket kozmotropoknak nevezik (hatásuk: kisózás, fokozott aggregáció), jobbra a kaotropok találhatók ( besózás, csökkent aggregáció). Érdekes módon később ugyanezt a sort találták a fehérjeaktivitásra is: a kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzimaktivitást, a kaotropok pedig ellenkezőleg, de esetenként éppen fordítva van. Többek között az ilyen kivételek miatt még mindig nincs koherens elmélete a Hofmeister-effektusnak. Kutatásaink célja egy ilyen elmélet kidolgozása és gyakorlati alkalmazása. Kiindulópontul az szolgál, hogy mind az aggregációnál, mind a konformáció-változásnál felületváltozás történik. Hipotézisünk szerint a víz-fehérje határfelületi feszültség sófüggése magyarázatot ad a Hofmeister-hatásokra. Ezt már lényeges elméleti és kísérleti bizonyítékokkal támasztottuk alá. A hatás mikroszkopikus értelmezését a fehérjék fluktuációinak vizsgálatával szándékozzuk megadni. Célunk továbbá a fehérjeműködést kísérő nagy konformációváltozások kimutatása a Hofmeister-hatás segítségével.

11 Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Dr. Dér András Tel.: Témavezetők: Dr. Ormos Pál Tel.: Biofizika BIOELEKTRONIKA A nemzetközi szakirodalomban a bioelektronika szót általában két különálló tudományág megjelölésére használják. Az egyik a biofizikai alapkutatás részeként az élő szervezetekben lejátszódó elektromos jelenségekkel foglalkozik, a másik pedig mint a legutóbbi évtizedekben kifejlődött információ-technológiai diszciplína biológiai eredetű anyagok elektronikai alkalmazási lehetőségeit kutatja. E két szakterület szoros kölcsönhatásban van nemcsak egymással, hanem olyan első pillantásra kissé távolabb eső tudományágakkal is, mint pl. az alkalmazott optika. Az elektromos jelenségek meghatározó szerepet játszanak az érzékelésben, mozgásban, energiaátalakításban és más fontos életfunkciókban. A különböző szervezettségi szinteken mérhető elektromos jelek értékes információval szolgálnak a fenti folyamatokra vonatkozóan (ld. pl. a közismert diagnosztikai alkalmazásokat [EKG, EEG]). A kutatások kiderítették, hogy mindezek a jelenségek visszavezethetők sejtmembrán-közeli folyamatokra, amelyekben az ún. ionpumpák játsszák az aktív szerepet. Ezek a membránba ágyazott különleges fehérjemolekulák pl. fény, ATP, vagy metabolitok rovására hozzák létre az általuk transzportált ion aszimmetrikus eloszlását (az elektrokémiai potenciált ), amely az információtovábbító és energiaátalakító folyamatok hajtóerejét adja. Az ionpumpák működésével együtt járó elektromos és abszorpciókinetikai jelek mérésére, illetve értelmezésére intézetünkben többféle módszert is kidolgoztunk. Egyik módszerünket sikerült oly módon általánosítanunk, hogy az elektromos jelek mindhárom térdimenzióban történő detektálása lehetővé vált. A technika alkalmazásától azt várjuk, hogy molekuladinamikai számolásokkal kombinálva alapvető információval szolgál az ionpumpák elektromos szerkezetének a molekula működése közben bekövetkező változásaira vonatkozóan. Módszerünk hatékonyságát a legegyszerűbb ionpumpáló membránfehérje, a bakteriorodopszin (br) példáján mutattuk be, amely esetben már elérhető közelségbe került a fehérjeműködés atomi szintű leírása. Az előzőekben olyan biofizikai kutatásokról számoltunk be, amelyek azt demonstrálják, hogyan segíthet a fizika biológiai alapproblémák megoldásában. Emellett azonban ez a reláció akár meg is fordítható, vagyis a biológia is hozzájárulhat (alkalmazott) fizikai kutatási eredmények eléréséhez. Különleges fotoelektromos és optikai tulajdonságai miatt a br lehetséges optoelektro nikai alkalmazásait minden más biológiai eredetű anyagénál intenzívebben kutatják szerte a világon. A publikációk egy része a fehérje fotoelektromos tulajdonságát használja fel, nagyobb hányaduk pedig azt használja ki, hogy br polarizációs hologramok rögzítésére, illetve dinamikus adattárolásra alkalmas. Saját kísérleti adataink mindezek mellett azt bizonyítják, hogy a br-alapú filmek kedvező optikai tulajdonságaiknál fogva integrált optikai alkalmazások aktív elemeiként, pl. optikai kapcsolókként is használhatók. Távolabbi célunk a kapcsolási sebesség növelése, valamint egyedi struktúrájú hullámvezetők felhasználásával komplex, fehérje-alapú integrált optikai áramkörök kialakítása. 11

12 Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Témavezető: Dr. Groma Géza Tel.: FEMTOBIOLÓGIA A femtobiológia a közelmúltban létrejött új tudományág, mely a biológiai rendszerekben a femto szekun dumos (10-15 s) időskálán lezajló folyamatokkal foglalkozik. Noha a közismert biológiai reakciók általában ennél lényegesen lassabbak, az elemi molekuláris események, így kémiai kötések kialakulása és bomlása, valamint a vibrációs és rotációs mozgások ebben az időtartományban mennek végbe. Ilyen értelemben tehát minden kémia femtokémia és minden biológia femtobiológia. A klasszikus spektroszkópiai módszerekkel a fenti folyamatok csak közvetve, a frekvenciatartományban voltak tanulmányozhatók. Az ultragyors lézerek megjelenése lehetővé tette e jelenségek közvetlen időtartományban történő vizsgálatát, ezáltal lényegesen gazdagabb, ezelőtt elérhetetlen információk megszerzését. Nemzetközi együttműködések keretében folytatott vizsgálataink elsősorban a bakteriorodopszin (br) fehérjében lejátszódó fényindukált ultragyors töltésszétválasztási folyamatokra irányultak, melyeket az általuk keltett koherens elektromágneses sugárzás mérésével követtünk (1. ábra). A koherens emissziót az infravörös tartományban 10 fs időfelbontással detektálva biológiai mintán elsőként mutattuk ki az optikai egyenirányítás jelenségét, amely a fehérje retinál kromofórjának gerjesztett állapotában fellépő elektron polarizációból adódik. E technikával a tényleges időtartományban megfigyelhetővé váltak a gerjesztést követő molekuláris vibrációk is (2. ábra) acid blue br Time (ps) 2. ábra. A koherens molekularezgések időbeli detektálása (kék) és annak modellezése (piros). Ugyancsak elsőként mutattuk ki a br fényindukált koherens sugárzását a terahertzes tartományban. A 200 fs időfelbontással végzett mérések lehetővé tették a gerjesztést követő elektron- és a kezdeti funkcionális protonmozgások együttes megfigyelését ábra. A br aktív centrumában lezajló töltésátrendeződés elektromágneses sugárzást kelt. Intézetünkben fejlesztés alatt áll egy ultragyors mérőegység, melynek segítségével a közeljövőben ~100 fs időfelbontással fluoreszcencia élettartam mérések lesznek elvégezhetők. A rendszert országos szolgáltató laboratóriumként kívánjuk működtetni kutatási és fejlesztési feladatok megoldására.

13 Témavezető: Dr. Kelemen Lóránd Tel.: Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Biofizika Fénnyel hajtott mikrogépek a biológiában 10 μm Napjainkban egyre nagyobb igény mutatkozik arra, hogy bonyolult, költséges és nagyméretű analitikai berendezéseket azok egyszerűbb, olcsóbb és kisebb változatai váltsák fel. Ezt az igényt az igen széles körben kutatott, mikrofluidikai módszereket alkalmazó ún. csiplaboratóriumok (lab-on-a-chip) alkalmazása elégítheti ki. Ezek olyan eszközök, ahol néhány mm 2 felületen alakítanak ki csatornákból, reaktorokból és rezervoárokból álló hálózatot a vizsgálandó minta szállításához, reagáltatásához, illetve analíziséhez. Ezek a csiplaboratóriumok számos, a mikrométer tartományába eső méretű eszköz alkalmazását igényelhetik. Laboratóriumunkban a mikrofluidikai alkalmazások során használható mikroeszközök előállításának lehetőségeit kutatjuk. Az általunk készített mikrostruktúrák anyaga fényre keményedő polimer, ami fókuszált lézerfénnyel megvilágítva szilárdul meg az előre meghatározott 3 dimenziós formába. A femtoszekundumos impulzusokból álló lézernyaláb a fotopolimerben kétfotonos abszorpciót idéz elő kizárólag a fókuszfolt közvetlen környezetében. A kétfotonos polimerizációval mikrométer alatti feloldású szerkezetek előállítása válik lehetővé. Az előállított apró eszközök fény segítségével mozgathatók. Ezeknek az eszközöknek egyik első példánya egy üveg felületre polimerizált és fénynyomással hajtott 10 μm átmérőjű kerék (ld. ábra). A kereket a mellé integrált, szintén lézeres polimerizációval készült fényvezető szálból kilépő fény hajtja meg. Hasonló módon előállított kerekek összetett szerkezetekben, megfelelő áttételeken keresztül erőforrásként szolgálhatnak. Kutatjuk továbbá az optikai csipesszel mozgatható eszközök előállítását és alkalmazhatóságuk lehetőségeit is. Ebbe a kategóriába például biológiai minták elsősorban sejtek vizsgálatára alkalmas manipulátorok, mikroméretű viszkozitás mérők tartoznak. A mikroeszközök alkalmazhatóságát felületük biológiai-kémiai funkcionalizálása teszi teljessé. Fontos kutatási területünk a módosított lézernyalábokkal való polimerizáció is. Ebben az esetben a lézernyalábot térbeli fénymodulátorral (SLM) úgy alakítjuk, hogy egyetlen pont helyett komplex mintázatot világítson meg és polimerizáljon a mintában. Ezzel a polimerizációs eljárás hatékonyságának növelését érhetjük el. A lézeres polimerizációval előállított mikroszerkezetek alkalmazhatók lehetnek például pikoliter térfogatú folyadék pumpálására, egyedi sejtek vagy sejtalkotók manipulálására, vagy rajtuk lokalizált mérések elvégzésére. 13

14 Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Témavezető: Dr. Laczkó Ilona Tel.: Alkalmazott kiroptikai spektroszkópia A kiroptikai spektroszkópia legfontosabb felhasználási területe a biopolimerek, elsősorban a fehérjék és nukleinsavak térszerkezetének vizsgálata. A peptidek és fehérjék cirkuláris dikroizmus (CD) spektroszkópiája a rutinszerűen vizsgált spektrális tartományban ( nm) közvetlen információt szolgáltat a királis (aszimmetrikus) környezetben lévő amidcsoportok relatív térbeli elhelyezkedéséről, ami elsősorban a másodlagos szerkezettől függ. A CD egyszerű és gyors módszer, amelynek időskálája a femtoszekundum tartomány alatt van. A mérés időskálája következtében elvben bármely összetett CD-spektrum az egyes konformerekre jellemző, tiszta komponens-spektrumokra bontható fel. A módszer sikeresen kombinálható a hasonló időskálájú vibrációs spektroszkópiai módszerekkel (infravörös, vibrációs cirkuláris dikroizmus, Raman). Az elmúlt években hazai és nemzetközi együttműködés keretében számos területen végeztünk vizsgálatokat, amelyek közül a legfontosabbak: Az Alzheimer-kór kialakulásában döntő szerepet játszik a 42 aminosavból álló neurotoxikus amiloid polipeptid, amelynek aggregációja az idegsejtek elhalásához vezet. Az aggregáció során az amiloid másod- és harmadlagos szerkezete megváltozik, amely CD spektroszkópiával követhető. Kombinált CD és FTIR spektroszkópia segítségével a különböző kisméretű peptidek, fémionok, stb. aggregációt befolyásoló hatását tanulmányozzuk. Az antiszensz oligonukleotid (AON) modulált génexpresszió az orvosi terápia új és ígéretes területe. Az eljárás során különböző fúziós peptidekkel kombinált AON-t juttatnak a sejtekbe. Vizsgálataink célja olyan fúziós peptidek kiszűrése, amelyek hatékony membrán transzlokációs és célbajuttató képességgel rendelkeznek. A fúziós peptid-aon komplexképződés CD és FTIR spektroszkópiával követhető és megállapítható a penetráció szempontjából legkedvezőbb peptid/aon moláris arány is. A biológiai kísérleteket külföldi együttműködésben végezzük. Az utóbbi években nagy érdeklődés mutatkozik a nem-vizes enzimológia iránt. Az enzimek más katalizátorokkal ellentétben ugyanis sztereoszelektívek. A szerves oldószer/víz elegyében is működő hidrolítikus enzimek különösen hasznosak, ha a szubsztrát vízben nehezen oldódik, vagy egy hidrolítikus reakció visszafordítására van szükség. Tanulmányozzuk a különböző szerves oldószerek és stabilizátorok hatását az enzimek (tripszin, kimotripszin, papain, pepszin, stb.) másod- és harmadlagos térszerkezetére és katalitikus aktivitására. 14

15 Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia laboratórium Dr. Tokaji Zsolt Tel.: Témavezetők: Dr. Dér András Tel.: Biofizika HUMÁN BIOFIZIKA, MOZGÁSANALITIKA Az élet alapvető jellemzője a mozgás, s nincs ez másképp a legmagasabb rendű élőlény, az ember esetében sem. Annak jelentősége, hogy ez a mozgás információt hordoz akár a legmélyebb, molekuláris, sőt intramolekuláris szintekig terjedően intuitíve már régóta sejthető volt (ld. pl. alkohol hatása), kvantitatív vizsgálatára igazán alkalmas módszerek azonban csak mostanára alakultak ki, illetve még csak a kialakulás állapotánál tartanak. Kutatásaink jelenlegi két fő irányvonala az ember, mint objektum (akaratlagosan is befolyásolható) mozgását jellemző aktigráfia, valamint az ember egy kívülről is jól megfigyelhető (de akaratlagos kontrollnak gyakorlatilag nem alávethető) belső mozgását nyomon követő videopupillográfia. Az aktigráf többnyire a csuklóra erősíthető, nagyjából karóra méretű szerkezet, mellyel egy adott időszak (akár több nap vagy hét) mozgási aktivitás idő diagramjait lehet rögzíteni, és számítógépre áttölteni elemzés céljából. A video-pupillográfia esetében a pupilla (pupillák) mozgása rövidebb-hosszabb időtartományban általában 1 15 perc videokamera rendszerrel kerül felvételre, s számítógéppel elemzésre. Mindkét módszerünk alkalmasnak bizonyult a hangulatzavar (depresszió) és az egészséges állapot közötti eltérés kimutatására. Mindkét módszerünk jól felhasználható az egyébként más objektív eljárásokkal nehezen meghatározható éberség mérésére, melyben a video-pupillográfia erőssége az aktuális éberség, míg az aktigráfiáé a hosszabb távú, átlagos éberség, és periodicitásának jellemzése. Az aktigráfia segítségével már az eddigiekben is sikerült a napi mozgási aktivitás magasabb struktúrákba szerveződését igazolnunk és jellemeznünk. A sötétben alkalmazott video-pupillográfiával pedig mint relatíve kis vizsgálati időigényű eljárással akár egy mérésen belül következtetni lehetett az éberség természetes (pl. hiperaktív gyerekek), vagy szer (pl. nikotin) indukálta változásaira. Másfelől, szobai megvilágítási körülmények között, a video-pupillográfia alkalmas a szimpatikus/paraszimpatikus idegrendszeri aktivitás egyensúlyában bekövetkező természetes, szer (pl. metilfenidát) vagy fizikai hatás (pl. fényterápia) indukálta változásainak feltárására is. Laboratóriumainkban az aktigráfiában és a videopupillográfiában még nem alkalmazott új elemzési módszerek bevezetése és fejlesztése is folyik, mint például wavelet-analízis, eloszlásfüggvények elemzése. Módszereink alkalmasak bizonyos idegrendszeri állapotok és folyamatok, az emberi viselkedés, gondolkodás, és ezek időbeli szerveződésének, valamint patológiás elváltozásainak jobb megismerésére, gyógyszerek agyra gyakorolt hatásának, oda történő transzportjának, illetve eliminációjának tanulmányozására (szerkölcsönhatások segítségével pedig akár inter- vagy intramolekuláris folyamatok jellemzésére is). 15

16 Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Témavezető: Dr. Váró György Tel.: ATOMERŐMIKROSZKÓP BIOLÓGIAI ALKALMAZÁSAi Az utóbbi években bámulatba ejtő eredményeket mutattak fel az egyedi molekula vizualizációs és manipulációs technikák. A biofizikai kutatásokban egyre jobban elterjed a 20. század vége felé kifejlesztett modern műszer, az atomerőmikroszkóp, amely egy rugólapka végén található hegyes tű segítségével tapogatja le a vizsgált felületet. A rugólapka elhajlása, a pásztázás során, arányos a tű és a felszín között ható erővel. A műszer térbeli felbontásának a tű hegye szab határt. A legnagyobb felbontással készült képeken egyedi atomok is megkülönböztethetőek. A készülék óriási előnye, az elektronmikroszkóppal szemben, hogy a mintát a saját természetes környezetében képes vizsgálni, lehetőséget biztosítva arra, hogy egyes fehérjéket, vagy sejteket valós működésük közben figyelhessünk meg. Atomerőmikroszkóp segítségével sikerült különböző biomolekuláris rendszerekről olyan ismeretekhez jutni, amelyek egyéb módszerekkel nem elérhetőek. Az intézetünkben folyó atomerőmikroszkópos kutatásokból néhány eredmény: Oligonukleotidok vizsgálata során megfigyeltük, hogy ezen rövid nukleinsav láncdarabkák csillám felületén önszerveződve, hosszú láncszerű képződményeket hoznak létre. A jelenségnek szerepe lehet az élet keletkezése során a fontos, információhordozó molekulák, a DNS és RNS kialakulásában. Fehérje szinten vizsgáltuk a bakteriális reakciócentrum kölcsönhatását szén nanocsövekkel. A kölcsönhatásból kapott komplexum ígéretes anyag a biotechnológiai alkalmazásokra. A bakteriorodopszin fehérjét vizsgálva sikerült direkt módon, mechanikai méretváltozás megfigyelésével kimutatni a fehérje működése során létrejövő konformációváltozást. Endotél sejtek (lásd az illusztrációt) vizsgálata során megfigyeltük, hogy a mannitolos kezelés befolyásolja úgy a sejt térfogatát, mint a rugalmasságát. Kalciumos kezelés során, hosszabb időn keresztül vizsgálva a sejteket, megfigyeltük a sejtek alakváltozását. Vad típusú és mutáns baktériumok között kimutattunk alakbeli, valamint rugalmasságbeli különbségeket. A megfigyelések során szerzett ismeretek hozzásegítenek új nanobiotechnológiai anyagok fejlesztéséhez, valamint gyógyszeres kezelések hatásmechanizmusának a megértéséhez. 16

17 Témavezető: Dr. Siklós László Tel.: Molekuláris Neurobiológia Laboratórium Biofizika NEURONÁLIS DEGENERÁCIÓ Kísérleteink az idegi degeneratív folyamatok általánosítható alapjainak megértését célozzák abban a reményben, hogy a gyógyítás céljából lehetséges beavatkozási pontokat azonosíthatunk. Munkahipotézisünk, hogy egyes kalcium-kötő fehérjék, mint pl. a parvalbumin magasabb intracelluláris szintje az idegsejteket ellenállóbbá teszi a sérülésekkel szemben, melynek alapja a sérülések során tapasztalható kalcium-szint növekedés mérséklése lehet (a fenti ábra, színkódolva, egy sérült sejt mitokondriumában a megnövekedett kalcium szintet mutatja be). Hipotézisünket a mozgató idegrendszer leggyakoribb betegségének (ALS) és állatmodelljeinek jellemzése során nyert eredményekre építettük, de számos adat utal arra, hogy a jelenség általánosítható az idegrendszer más degeneratív betegségeire is. Az ALS kiváltó oka alapvetően ismeretlen, azonban egyes kórfolyamatait már sikerült azonosítani. Míg a sérült sejten belüli folyamatok összekapcsolásában a kalcium-szint emelkedése lehet döntő, a sérülés környékén elhelyezkedő támasztó, vagy immun-felügyeletet ellátó sejtek reakciója lehet a sejtek túlélését befolyásoló további tényező. Jelenlegi kísérleteink a két komponens összefüggéseinek vizsgálatát célozzák a gerincvelői mozgató idegsejtek kísérletesen indukált sérülése, és ennek jellemzése során (fenti ábra) olyan állatokban, melyek mozgató idegsejtjeiben egy kalcium-kötő fehérje (parvalbumin) szintjét mesterségesen megváltoztattuk. Ehhez egy olyan képanalitikai módszert fejlesztettünk ki, mellyel, fénymikroszkóposan, a sérült mozgató idegsejtek környezetében a mikroglia sejtek aktivációja (lenti ábra) tanulmányozható, és számszerűen jellemezhető. Az eddigi kísérletek meglepő eredményekkel is szolgáltak: egyrészt, ahogy várható volt, 17

18 Biofizika Molekuláris Neurobiológia Laboratórium a sérült mozgató idegsejtekben a kalcium-kötő fehérje megemelt szintje a sérüléssel járó intracelluláris kalcium-szint emelkedését csökkentette, ugyanakkor, ami kevésbé volt megjósolható, a környező mikroglia sejtek reakcióját is mérsékelte. A legújabb észleléseink számos, eddig nehezen értelmezhető jelenségre adnak magyarázatot, így többek között arra, hogy a kísérleti állatokban krónikus (hoszszan tartó) stresszhelyzetben miért vallottak kudarcot azok a védekező eljárások, melyek a sérült sejtek kalcium-puffer kapacitását voltak hivatottak növelni, hiszen ez a véges kapacitású puffer a hosszú idő alatt telítődhet. A kísérleteink másik, jövőbe mutató hozadéka, hogy megerősíti azokat az elképzeléseket, miszerint a sérülés során a sejtek kalcium-szintjére szükséges a védekezés szempontjából koncentrálni, viszont olyan mechanizmusokra érdemes stratégiát építeni, melyek hosszantartó stresszhelyzetekben sem telítődnek. A mikroglia sejteknek a mozgató idegsejtek degenerációjában betöltött aktív szerepét igazoltuk, és megmutattuk, hogy reakciójuk a motoneuronok kalcium háztartásának stabilizálásával csökkenthető. A továbbiakban olyan módszereket vizsgálunk (pl. specifikus csatorna-blokkolók alkalmazása), melyekkel a kalcium-szint nem telítődő módon csökkenthető. 18

19 Témavezető: Dr. Deli Mária Tel.: Molekuláris Neurobiológia Laboratórium Biofizika VÉR-AGY GÁT ÉS GYÓGYSZERTRANSZPORT Az agyi hajszálerek tápláló és védő funkcióikkal vesznek részt az idegrendszer működéséhez szükséges állandó, szigorúan szabályozott környezet megteremtésében. Az agyi erek belhámsejtjei, az agyi endotélsejtek különleges működésüket és tulajdonságaikat az őket környező sejtekkel, a pericitákkal, gliasejtekkel, és idegsejtekkel való szoros kölcsönhatásnak köszönhetik. Ezt modellezzük az általunk kifejlesztett anatómiailag korrekt három sejtes vér-agy gát modellel (szabadalom: Niwa, Nakagawa, Deli WO , 2007; Nakagawa, Deli et al., Cell. Mol. Neurobiol., 27: 687, 2007; Nakagawa, Deli et al., Neurochem. Int., 54: 253, 2009). A modellen több mint 40 vegyület átjutását teszteltük eddig, és jó korrelációt kaptunk in vivo adatokkal. az efflux pumpák és a metabolikus enzimek jelentik a legfőbb gátló tényezőt. A sejtközötti kapcsoló struktúrák nyitása, az efflux pumpák gátlása, valamint a vér-agy gát agyba irányuló transzportrendszerei, a carrier- és receptor-mediált transzporterek kiaknázása felhasználható az agyba való gyógyszerbejuttatás elősegítésére. Az SZTE Gyógyszertechnológiai Intézetével együtt működésben az orron keresztül való gyógyszerbeviteli utat, és a vér-agy gát transzportrendszereit kihasználó targetált nanopartikulumokat vizsgáljuk. Igazoltuk, hogy fluoreszcens dextrán mint jelzőanyag, és bioaktív peptid is bejuttatható különböző agyrégiókba az általunk kifejlesztett mukoadhezív vivőanyagot és abszorpció fokozót tartalmazó hordozó segítségével patkányokban. In vivo optikai képalkotó eljárást alkalmazó kísérleteinkben fluoreszcens festékkel töltött 150 nm nagyságú nioszómákat sikeresen tudtunk agyba juttatni a vér-agy gát carrier-mediálta transzportereinek segítségével egerekben. Az agyba való gyógyszerbejuttatás szempontjából az agyi endotélsejtek szoros sejtközötti kapcsolatai, A vér-agy gát modell mint a preklinikai vizsgálatok added value kísérletes metodikája alkalmas gyógyszerjelölt molekulák vér-agy gáton való átjutásának vizsgálatára. Alternatív gyógyszerbeviteli utak feltárása és a vér-agy gát transzportereinek kihasználása agyi gyógyszerbejuttatásra új terápiás lehetőségeket teremthet az idegrendszeri betegségek kezelésében. 19

20 Biofizika Molekuláris Neurobiológia Laboratórium Témavezető: Dr. Krizbai István Tel.: Az agyi endotélsejtek működésének molekuláris alapjai A központi idegrendszer számára a vér-agy gát biztosítja azt az elkülönített biokémiai környezetet, amely működése számára létfontosságú. E gát kialakításában és fenntartásában az agyi erek, illetve kapillárisok endotél sejtjei alapvető szerepet játszanak. Számos olyan központi idegrendszeri megbetegedés ismeretes, mint amilyen az agyi ischaemia, a központi idegrendszer gyulladásos és daganatos megbetegedései, amelyek a vér-agy gát sérüléséhez, és ezáltal a központi idegrendszer homeosztázisának felbomlásához vezethetnek. Ennek súlyos következményei lehetnek a kórkép lefolyásást illetően. Ugyanakkor éppen a vér-agy gát relatív impermeabilitása az, ami megakadályozza azt, hogy különböző gyógyszerek terápiás koncentrációban jussanak be az agyba. A vér-agy gát legfontosabb alkotóelemei az agyi endotélsejtek, amelyek úgynevezett szoros zárókapcsolatok segítségével kapcsolódnak egymáshoz. Csoportunk kutatásainak célja az agyi endotélsejtek működését fiziológiás és patológiás körülmények között szabályozó molekuláris mechanizmusok megismerése. Ehhez egy in vitro vér-agy gát modell rendszert alkalmazunk. A közelmúlt kutatásai során sikerült kimutatnunk, hogy különböző idegrendszeri kórképekben, mint amilyenek az agy vérellátásának a zavarai és a vérzéses shock, a szoros zárókapcsolatokat alkotó fehérjék mennyisége olyan mértékben csökken, ami funkciójuk ellátását akadályozza. Ezzel párhuzamosan olyan sejten belüli jeltovábbító mechanizmusokat találtunk, amelyek befolyásolni képesek agyi endotélsejtekben a gát funkciók ellátását. Kutatásaink célja azonosítani azokat a jeltovábbító útvonalakat, amelyek agyi megbetegedések során a vér-agy gát sérülésében kulcsszerepet játszanak. Az agyi endotélsejtek és a vér-agy gát működését szabályozó molekuláris mecha nizmusok megismerése jelentősen hozzájárul egyes idegrendszeri betegségek pato mecha nizmusának megértéséhez. Ugyanakkor azon molekulák azonosítása, amelyek kulcsszerepet játszanak a vér-agy gát sérülésében, új terápiás célpontok kifejlesztéséhez vezethetnek. 20

21 Témavezető: Dr. Párducz Árpád Tel.: Molekuláris Neurobiológiai Laboratórium Biofizika Neuronális protekció és plaszticitás Az utóbbi időben alapvetően megváltozott szemléletünk a nemi hormonok és elsősorban az ösztrogén szerepét illetően. Kiderült ugyanis, hogy a neuroendokrin szabályozásban játszott szerepe mellett fontos organizáló és morfogenetikai tulajdonságokkal rendelkezik, ennek alapján inkább számos fehérje expresszióját befolyásoló általános modulátornak tekintik. Felelős az idegrendszer szerveződésében és működésében megnyilvánuló nemi különbségek kialakulásáért, de a klinikai adatok ugyanakkor azt is mutatják, hogy fontos szerepet játszhat az idegrendszer védelmében, a neuroprotekcióban is. Így például az ösztrogén kezelés csökkenti az Alzheimer betegség kockázatát, késlelteti kialakulását, és elősegíti a gyógyulást traumatikus idegrendszeri sérülések után. A neuroprotektív hatás sejt, illetve molekuláris szintű alapjairól keveset tudunk, annak ellenére, hogy a kérdésnek fontos klinikai vonatkozásai lehetnek. A laboratóriumunkban azon sejt és molekuláris szintű mechanizmusokat tanulmányozzuk, melyek az öregedésből, illetve agyi sérülésekből adódó funkcionális károsodások enyhítését lehetővé teszik. Igazoltuk, hogy az ösztrogén fontos szerepet játszik az idegsejtek közötti szinaptikus kapcsolatok kialakulásában és átrendeződésében. Ez fontos tényezője lehet a neuroprotektív hatásnak, hiszen a neuronok pusztulása az idegi kapcsolatok elvesztésével is jár, és a regeneráció ez esetben új szinapszisok létrejöttét igényli. Az utóbbi években előtérbe került az ösztrogén terápiás alkalmazásának lehetősége, de egyre nyilvánvalóbbá válik, hogy az ösztradiol rendszeres terápiaszerű alkalmazása korlátozott, ezért szükség lenne egyéb, neuroprotektív célzatú kezelésben használható szteroidokra. Ilyen lehet a neuroszteroidok közé tartozó dehidroepiandroszteron (DHEA), mely a tesztoszteron és az ösztradiol prekurzora, a vérben a legmagasabb koncentrációban megtalálható szteroid. A DHEA állatokban neuroprotektív hatású, ugyanakkor férfiak és nők DHEA-nal történő kezelése jótékony hatással van a fizikai, pszichikai és kognitív állapotra anélkül, hogy bármilyen patológiás elváltozás kockázatát növelné, vagy endokrin változásokat idézne elő. Olyan, a hormonhatásokra érzékeny célmolekulákat keresünk, melyek ismerete hasznos lehet neuroprotektív hatású farmakonok tervezésében. A gyakorlati alkalmazás oldaláról nézve eredményeink új stratégiák kidolgozását segíthetik elő a neurodegeneratív betegségek elleni, minimális mellékhatással rendelkező hormonalapú gyógyszerek tervezésében. 21

22 Biofizika Molekuláris Neurobiológia Laboratórium Témavezető: Dr. Hajszán Tibor Tel.: Szinaptikus változások depresszióban 22 A depresszió egy súlyos lelki betegség, ami a WHO előrejelzései szerint a következő évtizedre komoly népegészségügyi problémává válik. A depresszió önmagában is képes a beteget munkaképtelenné tenni, de legnagyobb veszélye, hogy öngyilkossághoz vezethet, és más betegségek kifejlődésében is szerepet játszik, mint pl. a magas vérnyomás, szív- és érrendszeri betegségek, vagy az Alzheimer-kór. A depresszió hátterében álló mechanizmusokat mind a mai napig alig ismerjük. A jelenleg még mindíg elfogadott elméleteket (monoamin hipotézis, neurogenezis hipotézis, stb.) tucatnyi módon és alkalommal cáfolták már, mégis a ma elérhető antidepresszáns gyógyszerek hatásmechanizmusa ezekre a hipotézisekre épül. Nem csoda hát, hogy egy nemrégiben több ezer betegen elvégzett klinikai vizsgálat szerint a betegek 70%-a (!!!) rezisztens az elsőként választandó ún. SSRI gyógyszerkezelésre, ami a monoamin hipotézisen alapul. A másik komoly klinikai probléma, hogy a jelenlegi antidepresszáns gyógyszerek hatásának kialakulása több hetet vesz igénybe, így például akut öngyilkosság-veszély esetén nincs a kezelőorvos kezében gyors hatású szer. Mivel a depresszió három legfontosabb tünete (hangulatzavar, memóriazavar és motiválatlanság) egyértelműen a hippokampális agyterület zavart működésére utal, kutatásaimban szinte kizárólag a hippokampusszal foglalkozom. Elsődleges célom, hogy olyan antidepresszáns terápiákat fejlesszek, amelyek hatása gyorsan kialakul (percek vagy órák alatt), és amelyekkel szemben nem lép fel rezisztencia, megoldandó a depresszió kezelésének legégetőbb problémáit. A gyors hatás eléréséhez meg kellett találnunk azt a hippokampális mechanizmust, amely egyértelműen összefügg a depresszió tüneteivel és amely gyors reagálású. Az amerikai Yale Egyetemen végzett kutatásaim során bebizonyítottuk, hogy a hippokampális szinapszisok száma fordítottan arányos a depressziós tünetek súlyosságával, vagyis minél kevesebb a szinapszis, annál súlyosabbak a tünetek. A szinapszisok az idegsejtek közötti mikroszkópikus kapcsolatok. A szinapszisok számának csökkenésével sérül az idegsejtek közötti kommunikáció, és emiatt az egész hippokampusz működése zavart szenved. Ami izgalmas ebben a felfedezésben, hogy ezek a szinapszisok nagyon gyorsan, akár percek alatt képesek regenerálódni. Sikerült is azonosítanunk egy vegyületet, aminek antidepresszáns hatása percek alatt kialakul a hippokampális szinapszisok számának gyors emelése által. Ez a szer jelenleg klinikai kipróbálás alatt áll. Jelenleg futó projektünket az EU7KP Mobilitás programja támogatja. Ennek célja, hogy a hippokampális szinapszisok depresszióban mutatott viselkedését alapul véve olyan antidepresszáns gyógyszert fejlesszünk, amivel szemben nincs, vagy minimális a rezisztencia. Mivel a hippokampális szinapszisok változása a depresszió alapvető mechanizmusának tűnik, a kimondottan a szinapszisokra szabott terápia várhatóan jóval hatékonyabb lesz elődeinél; mivel ez un. evidence-based therapy, vagyis a valós pathomechanizmust figyelembe vevő gyógymód. Reményeink szerint ez a megközelítés a jövőben több nagy hatású antidepresszáns kezelés kifejlesztését, szabadalmaztatását, és klinikai gyakorlatba való sikeres bevezetését eredményezheti.

23 Témavezető: Dr. Páli Tibor Tel.: Membránszerkezet és Dinamika laboratórium Biofizika A VAKUOLÁRIS PROTON-ATPáz: BIOMEMBRÁNBA ÉPÍTETT molekuláris gépezet Az élő sejtek egyik legfontosabb sajátossága, hogy bennük az ionok nem egyenletesen oszlanak el. Ez egyes életfolyamatoknak következménye, míg másoknak hajtómotorja is egyben. A közeg a sejtek belső kamráiban és gyakran a sejten kívüli térben is savasabb, mint a citoplazma. Ezt a proton koncentrációban meglévő különbséget elsősorban a sejtkamrák membránjában és a plazmamembránban is megtalálható, két doménből álló membránfehérje, a vakuoláris proton-atpáz (V-ATPáz) biztosítja. A fehérje ATP-t hidrolizál, és az ebből nyert energia révén protonokat mozgat a membránon keresztül. A V-ATPáz mindkét doménje több alegységből áll. Az alábbi ábra csak a membránban lévő, protont szállító rész fő alegységeit mutatja sematikusan. Működése során a fehérje 6 alegységből álló központi gyűrűje (az ábrán téglapiros rotor) forgó mozgást végez a membránban rögzített alegységhez képest (ami az ábrán a zöld kar). Proton csak a rotor és a kar érintkezési felületén, a forgás miatt periódikusan kialakuló és megszűnő csatornán keresztül haladva juthat át a membránon. A fehérje tekinthető egy membránba épített molekuláris gépezetnek, afféle motoros futószalagnak, amely protonokat szállít egy gáton, a membránon keresztül. Az ilyen molekuláris motorok atomi felbontású szerkezetének meghatározása és működésének, szabályozásának megértése a biofizika egyik legfontosabb kihívása napjainkban. A membránfehérjék és a membránokban zajló életfolyamatok tanulmányozására spektroszkópiai technikákra alapozott funkcionális szerkezetbiológiai módszercsomagot fejlesztettünk ki, amelyet folyamatosan továbbfejlesztünk. Legújabb méréseink szerint a rotor Hz közötti frekvenciával forog. Kutatásaink nagyrészt arra irányulnak, hogy a V-ATPáz ról minél több, a funkció szempontjából releváns szerkezeti adatot gyűjtsünk, amelyek alapján működését modellezzük. A V-ATPáz szerepet játszik több betegségben (például daganatok áttétjeinek kialakulásában, csontritkulásban). Ezért vizsgáljuk potenciális V-ATPáz gátlóanyagok hatásmechanizmusát és a rotor lipid környezetének szerepét is. A fentiek miatt a fehérje szövetspecifikus gátlása igen komoly gyógyászati jelentőséggel bír. 23