Tartalomjegyzék Információ...2 Ajánlás...3 Igazgatók...4 Tudományos titkárság...6 Biofizikai Intézet... 7 Optikai mikromanipuláció...8 Folyadék áramlásának vezérlése fénnyel a mikrofluidikában...9 A víz szerkezetének hatása a fehérjeműködésre...10 Bioelektronika...11 Femtobiológia...12 Fénnyel hajtott mikrogépek a biológiában...13 Alkalmazott kiroptikai spektroszkópia... 14 Atomerőmikroszkóp biológiai alkalmazása...15 Fehérjék elektromos vezetése...16 Humán biofizika, mozgásanalitika...17 Neuronális degeneráció...18 Neuronális protekció és plaszticitás...19 Vér-agy gát patológia... 20 Az agyi endotélsejtek működésének molekuláris alapjai...21 A vakuoláris proton-atpáz: egy biomembránba épített nanogépezet... 22 Fehérjék gombolyodása és szerveződése biomembránokban...23 A citokróm b561 fehérjék... 24 Lipid-fehérje kölcsönhatások biológiai és modell rendszerekben...25 Biohidrogén... 26 Biogáz...27 Bioremediáció... 28 Redox fehérjék működése és szerkezete... 29 Autokatalitikus enzimreakciók vizsgálata...30 Filogenetikus fák rekonstrukciója...31 Biokémiai Intézet... 33 Morfin-receptorok és opioid peptidek kutatása... 34 A kábítószer függőséget kísérő molekuláris változások agyban...35 Opioid peptidek...36 Molekulaszerkezet...37 Kémiai biológia...38 Membrán-lipid kölcsönhatáson alapuló, a molekuláris chaperon szint és profil normalizációjára képes eredeti gyógyszerjelöltek kutatása-fejlesztése...39 A prion fehérje konformációs átalakulása... 40 Kromatin szerkezet... 41 A fehérjelebontás szerepe a sejtfolyamatok szabályozásában... 42 A kemoszenzitivitásért felelős checkpoint gének azonosítása...43 A sejtközötti állomány fehérjéinek szerepe fejlődési és regenerációs folyamatokban... 44 Transzgenikus állatmodellek létrehozása a porcregeneráció vizsgálatára...45 Betegség modellek kifejlesztése és alkalmazása... 46 Fájdalomkutatás...47 Immunológiai kutatás...47 Mesterséges baktériumsejt hasznos anyagok biotechnológiai termeltetéséhez... 48 Irányított dns-metiláció... 49 Génkölcsönhatási hálózatok...50 Génsorrend baktériumokban...51 Enzimológiai Intézet... 53 Kalpain-enzimcsalád szerepe élettani és kóros folyamatokban... 54 Neurodegeneració: tppp fehérjecsalád szerkezete, funkciója és pathomechanizmusa...55 Plazmamembrán lizofoszfolipid receptorok...56 Intracelluláris lizofoszfolipid receptorok...57 Bioinformatika...58 Fehérjék szerkezeti és funkcionális vizsgálata...59 Oligopeptidázok... 60 Daganatos sejtek rezisztenciáját gátló vegyületek fejlesztése...61 Fehérje-szerkezet alapelvei...62 Rendezetlen fehérjék vizsgálata... 64 Az abc fehérjék szerepe és működése...65 Egy kináz enzim és a hiv terápia... 66 Oxidációs fehérje feltekeredés...67 A dutpáz enzimcsalád... 68 Uracil-dns jelátvitel... 69 Fehérjetervezés, hőstabilis enzimek...70 Fehérjebontó enzimek az immunrendszer szolgálatában...71 A baktériumok mozgásszervei: a flagellumok...72 Flagellin alapú receptorok...73 Genetikai Intézet... 75 Toxin-antitoxin modulok rhizobiumokban...76 Szimbiotikus nitrogénkötés molekuláris háttere... 77 Lucerna genomika... 78 Gubacsdarazsak filogenetikája és filogeográfiája...79 A nimród gének evolúciója... 80 Bal-jobb aszimmetria...81 Drosophila kalpainok...82 Ivarsejtfejlődés genetikája...83 Az aktin sejtváz szerepe az idegsejt nyúlványok növekedésében... 84 Szöveti polaritás...85 Kromoszóma-szerkezet és génszabályozás... 86 Epigenetikai szabályozás...87 Programozott sejthalál (apoptózis) genetikai irányítása... 88 Fehérje-transzport a citoplazma és a sejtmag között: az importin-alfa2 szerepe... 89 DNS javítás élesztőben... 90 Tartalomjegyzék 1
Tartalomjegyzék Rákos betegségek molekuláris háttere...91 Egyénre szabott rákdiagnosztika és terápia... 92 A veleszületett immunitás...93 Immunválasz szabályozás autoimmun betegségekben és rákban... 94 Mesterséges kromoszóma rendszer...95 Régészeti genetikai kutatások... 96 Idegi differenciálódásban résztvevő genetikai hálózat vizsgálata...97 Egy komplex betegség molekuláris genetikai vizsgálata... 98 Növénybiológiai Intézet...99 A fényszabályozott növényi életfolyamatok molekuláris alapjai... 100 Biológiai óra növényekben...101 Brasszinoszteroidok... 102 Fotoszintetikus energiaátalakítás vizsgálata...103 Komplex növényi stressz-diagnosztikai rendszer kifejlesztése... 104 Nehézfém bioszenzorok kifejlesztése...105 Reaktív oxigén származékok azonosítása növényekben... 106 Önszerveződő fotoszintetikus fénybegyűjtő rendszerek...107 Alternatív elektrontranszport hőstressznek kitett fotoszintetikus rendszerekben... 108 Mekkora rend van a sejtekben? új mikroszkópos eljárás a rendezettség mérésére; biológiai alkalmazások... 109 Stressztűrés fokozása protektív enzimekkel...110 Szárazságadaptáció gabonafélékben...111 Géncsillapítás szintetikus oligonukleotidok alkalmazásával növényekben...112 Termésösszetevők optimalizálása a sejtek osztódásának szabályozásával... 114 A növényi egyedfejlődés szabályozásának sajátosságai...116 Megtermékenyítés és embriófejlődés növényekben...117 A búzaszem biológiája...118 Anionos (negatív töltésű) lipidek szerepe fotoszintetikus szervezetek életfolyamataiban...119 Biodízel előállítás algák segítségével... 120 A gabonafélék fagyállóságának növelése... 121 A prolin és a növények szárazságtűrése... 122 Új módszerek a só és szárazságtűrést befolyásoló gének azonosítására...123 A mitokondriális folyamatok szerepe növényi stressz reakciókban... 124 Az snrk2 és crk típusú kinázok szerepe a stressz reakciók szabályozásában...125 Szárazságtűrésben szerepet játszó génjelöltek asszociációs (allél-társulás) vizsgálata árpában... 126 Központi Laboratóriumok... 127 Fehérjecsipek... 128 Fehérje-analitika tömegspektrometriával... 129 Molekuláris hálózatok stabilitása...130 Molekuláris hálózatok evolúciója...130 Géncsaládok funkcionális annotációja...131 Genom-informatika...131 Általános bioinformatikai szolgáltatások...132 Mikroszkópos képfeldolgozás és a sejtosztódás mikroszkópos elemzése...133 Az SZBK-hoz kötődő spin-off vállalkozások...134 Impresszum...135 2 Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Központ Az Európai Unió Kiválósági Központja 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Tel.: 62-599-600 Fax: 62-432-576 http://www.szbk.u-szeged.hu vagy http://www.brc.hu
Ajánlás Ajánlás Ma már nyilvánvaló mind a vállalati vezetők, mind a makrogazdaság irányítói körében, hogy a gazdasági versenyképesség sokban függ az innovatív eredmények hasznosításától. Divatos tudásalapú gazdaságról beszélni, ugyanakkor komoly lemaradásunk van a hatékony technológiatranszfer-rendszerek hazai kiépítésében, az egyetemeken és a főhivatású kutatóintézetekben születő szellemi termékek hasznosításában. Gyenge tradíciókkal rendelkezünk az újdonságértékű eredmények felismerésében, védelmében, szabadalmaztatásában, a hasznosításban érdekelt ipari partnerekkel való együttműködésekben. Tanúi lehetünk komoly kormányzati törekvéseknek, melyek a pályázati feltételek révén bonyolult és sokszor hatékonyságukban megkérdőjelezhető rendszereket kényszerítenek a partnerekre a hasznosulás serkentése reményében. A szerény sikerek csak megerősítik, hogy a magyar innovációs helyzet is szenved az ún. európai paradoxon terhétől, hiszen a születő szellemi termékek gyakran elkallódnak vagy mások által hasznosulnak. Az új technológiák, versenyképes áruk alapját az eredeti tudományos felismerések jelentik, így a kutatóközösségek közvetlenül érdekeltek abban, hogy segítsék eredményeik gazdasági értékesülését. A Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Központjának munkatársai a jelen kiadványban bemutatják tudományos munkájuknak azon eredményeit, amelyek megítélésük szerint a hasznosíthatóság lehetőségét hordozzák. A molekuláris és fejlődésbiológia, az enzimológia, a nanotechnológia, vagy a genomika szerteágazó területein a kísérleti megfigyelések adatainak sokasága halmozódott fel. Ezek közzétételével nemcsak a jogos társadalmi elvárásoknak kívánunk megfelelni, hanem valóban hisszük, hogy a kiadvány sokban elősegíti a potenciális hasznosítók megtalálását. Megadjuk a felelős kutatók elérhetőségét, hogy sikeres együttműködések bontakozzanak ki. Köszönettel veszünk minden észrevételt, javaslatot a jövőbeni fejlesztések érdekében. A kiadvány megjelenése alkalmával köszönetünket kívánjuk kifejezni a Magyar Tudományos Akadémia vezetésének, Vizi E. Szilveszter elnök úrnak az anyagi támogatásért, amely lehetővé tette ennek a szakmai anyagnak a megszületését. Köszönet illeti valamennyi közreműködő kutatótársunkat, valamint Páy Anikót, Gonda Andrásnét, Csordás-Tóth Évát és Farkas Juditot kiváló szerkesztői közreműködéséért. Szeged, 2007. Dr. Dudits Dénes főigazgató 3
Igazgatók Igazgatók Dr. Dudits Dénes Főigazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-768 Fax: 62-433-188 E-mail: dudits@brc.hu Titkárnő: Keczán Józsefné Telefon: 62-599-769 Irodavezető: Dr. Szabad Jánosné Telefon: 62-599-761 E-mail: szabadne@brc.hu Dr. Ormos Pál Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-613 Fax: 62-433-133 E-mail: pali@brc.hu Titkárnő: Ormos Judit Telefon: 62-599-614 E-mail: ormosj@brc.hu Gazdasági ügyintéző: Hrk Anikó Telefon: 62-599-609 Dr. Pósfai György Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Biokémiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-653 Fax: 62-433-506 E-mail: posfaigy@brc.hu Titkárnő: Ökrösné Miklós Olga Telefon: 62-599-654 E-mail: bktitk@brc.hu Gazdasági ügyintéző: Kordás Mónika Telefon: 62-599-642 Dr. Závodszky Péter Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Enzimológiai Intézet 1113 Budapest, Karolina út 29. 1518 Budapest, Pf. 7. Telefon: 1-209-3535 Fax: 1-466-5465 E-mail: zxp@enzim.hu 4 Titkárnő: Szikra Ágnes Telefon: 1-279-3113 E-mail: szikra@enzim.hu Gazdasági ügyintéző: Wagner Mária Telefon: 1-279-3122
Igazgatók Igazgatók Dr. Raskó István Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Genetikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-681 Fax: 62-433-503 E-mail: rasko@brc.hu Titkárnő: Soltész Csilla Telefon: 62-599-657 E-mail: csilla@brc.hu Gazdasági ügyintéző: Dózsa Ildikó Telefon: 62-599-656 Dr. Vass Imre Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ, Növénybiológiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-700 Fax: 62-433-434 E-mail: imre@brc.hu Titkárnő: Károlyi Mariann Telefon: 62-599-714 E-mail: nbititk@brc.hu Gazdasági ügyintéző: Kanalas Józsefné Telefon: 62-599-713 Dr. Báthori János Gazdasági Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Központ 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-736 Fax: 62-433-494 E-mail: bathori@brc.hu Titkárnő: Miletin Anna Telefon: 62-599-735 E-mail: ruszne@brc.hu 5
Tudományos titkárság Tudományos titkárság Dr. Páy Anikó Tudományos titkár Telefon: 62-599-763 Fax: 62-432-576 E-mail: kulugy@brc.hu Gonda Zsuzsanna Humánpolitikai előadó Telefon: 62-599-763 E-mail: kulugy@brc.hu Dr. Csordás-Tóth Éva Nemzetközi Továbbképző Tanfolyam igazgatója Telefon: 62-599-702 E-mail: csteva@brc.hu Varga Tímea Idegenforgalmi ügyintéző Telefon: 62-599-772 E-mail: timea@brc.hu Pályázati Iroda Dr. Heffner Péter Irodavezető Telefon: 62-599-727 E-mail: heffner@brc.hu Kiss Anita Pályázati asszisztens Telefon: 62-599-727 E-mail: kocsis@brc.hu 6
SZBK Biofizika Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. 7
Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Témavezető: Dr. Ormos Pál Tel.: 62-599-613 E-mail: pali@brc.hu 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 fotopolimerizációval 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. Ezzel az 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 például 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
Témavezető: Dr. Ormos Pál Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport 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 újmegoldásokat. Világszerte nagy intenzitással kutatják-fejlesztik a területet. A mikro illetve nanométer karakterisztikus méretű reaktorokban lezajlódó 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
Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Témavezető: Dr. Dér András Tel.: 62-599-606 E-mail: derandra@brc.hu 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 fehérje- aktivitásra is: a kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzim-aktivitást, 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.
Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Dr. Dér András Tel.: 62-599-606 E-mail: derandra@brc.hu Témavezetők: Dr. Ormos Pál Tel.: 62-599-613 E-mail: pali@brc.hu 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 viszszavezethetők 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 optoelektronikai 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
Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Témavezető: Dr. Groma Géza Tel.: 62-599-620 E-mail: groma@brc.hu FEMTOBIOLÓGIA A femtobiológia a közelmúltban létrejött új tudományág, mely a biológiai rendszerekben a femtoszekundumos (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. (Az időbeli viselkedésből a spektrum kiszámítható, fordítva azonban nem.) A kezdetben hazai és nemzetközi együttműködésen alapuló vizsgálataink elsősorban a bakteriorodopszin fehérjében lejátszódó fényindukált primér töltésszétválasztási folyamatokra irányultak. Ezek főbb eredményei: - Direkt elektromos módszerrel kinetikailag követtük a fehérje lézerimpulzussal történő gerjesztése során létrejövő korai intermedierekben fellépő töltésmozgásokat. - Koherens infravörös emissziós kísérletek során a kisugárzott elektromos térerősség detektálásával 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 szinkronizált (koherens) vibrációs mozgások is, melyek az ábrán láthatók a hozzájuk tartozó számított spektrummal együtt. - Ugyancsak a világon elsőként detektáltunk koherens THz-es sugárzást fehérjéből, lehetővé téve a gerjesztést követő elektron- és a kezdeti funkcionális protonmozgások együttes megfigyelését. Intézetünkben jelenleg kifejlesztés alatt áll egy ultragyors pumpa-próba mérőegység, mely a 100 fs 1 ns időtartományban abszorpciókinetikai, később pedig fluoreszcencia up-conversion méréseket is lehetővé tesz. Terveink szerint a mérőrendszer országos szolgáltató laboratóriumként fog működni kutatási és fejlesztési feladatok megoldására. 12
Témavezető: Dr. Kelemen Lóránd Tel.: 62-599-600/419 E-mail: lkelemen@brc.hu Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Biofizika FÉNNYEL HAJTOTT MIKROGÉPEK A BIOLÓGIÁBAN 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 mikrogépek 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 egy része szándékunk szerint a fény segítségével lesz mozgatható. Ezeknek az eszközöknek egyik első példánya egy üveg felületre polimerizált és fénynyomással hajtott 10μm átmérőjű kerék (ld. ábra). A kereket a mellé integrált, szintén lézeres polimerizációval készült fényvezető szálból kilépő fény hajtja meg. Hasonló módon előállított és fénnyel hajtott kerekek bonyolultabb feladatokat ellátó összetett szerkezetekben, megfelelő áttételeken keresztül erőforrásként szolgálhatnak. Az áttételek terveink szerint a makrovilág fogaskerék, fogasléc áttételeivel azonos módon működnek. Sikeresen polimerizáltunk már az áttételhez szükséges fogaskereket (7μm átmérővel), valamint az alkatrészek mozgatásában szerepet játszó spirálrugót (5μm átmérővel). Fontos kutatási területünk a módosított lézernyalábokkal való polimerizáció is. Ebben az esetben a lézernyalábot megfelelő optikai eszközökkel úgy alakítjuk, hogy egyetlen pont helyett egy komplex mintázatot világítson meg és ezáltal polimerizáljon a mintában. Mivel így a lézernyaláb pásztázása feleslegessé válik, a polimerizációs eljárás nagyfokú egyszerűsítését érhetjük el. A lézeres polimerizációval előállított mikroszerkezetek alkalmazhatók lehetnek például pikoliter térfogatú folyadék pumpálására, laminárisan áramló folyadék keverésére, egyedi sejtek vagy sejtalkotók manipulálására. 13
Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Témavezető: Dr. Laczkó Ilona Tel.: 62-599-608 E-mail: laczko@brc.hu 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 színképtartományban (185-250 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 infravörös (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 hidrolitikus enzimek különösen hasznosak, ha a szubsztrát vízben nehezen oldódik, vagy egy hidrolitikus 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
Témavezető: Dr. Váró György Tel.: 62-599-620 E-mail: varo@brc.hu Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Biofizika ATOMERŐMIKROSZKÓP BIOLÓGIAI ALKALMAZÁSA 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 megkülönböz tethetőek. A készülék óriási előnye az elektron mikroszkóppal 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 önszerve ződve, 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 a sejt térfogatát és 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. 15
Biofizika Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Témavezető: Dr. Zimányi László Tel.: 62-599-607 E-mail: zimanyi@brc.hu FEHÉRJÉK ELEKTROMOS VEZETÉSE Az élőlények nem egyensúlyi termodinamikai rendszerek (a termodinamikai egyensúly az élet megszűnését jelentené), nyitott rendszerként környezetükkel állandó anyag- és energiacserét végeznek. A földi életben az energia forrása végső soron a Nap sugárzása. A baktériumok egy része és a növények ezt a fényt közvetlenül fel tudják használni kémiai energia raktározására (fotoszintézis), a többi élőlény az elfogyasztott táplálék lebontása során alakítja ki az energiaraktározó ATP molekulákat. Mind a fotoszintézis, mind az anyagcsere azon alapszik, hogy jól szervezett fehérjemolekula láncokon keresztül elektronok vándorolnak az alacsonyabb energiájú hely felé, mint ahogy a villamos vezetékben a hálózati csatlakozó egyik pólusából a fogyasztón át a másik pólusig. Alapvető különbség van azonban a vezeték (azaz fém) és a fehérjék elektronvezetési módszere között. Kutatásaink célja a fehérjék elektromos vezetési mechanizmusának jobb megértése, illetve annak vizsgálata, hogy egyes fontos fehérjék esetében a természet optimalizálta-e, és ha igen, hogyan, az elektronvezetés folyamatát. Kísérleteinket elsősorban a citokróm c fehérjén végezzük. Ez a fehérje gyakorlatilag minden élőlényben előfordul, és feladata egy elektron átvétele egy magasabb energiájú fehérjétől és elszállítása, majd leadása egy alacsonyabb energiájú fehérjének. A citokróm felszínét olyan molekulával jelöljük meg, mely egy lézerfény-impulzussal megvilágítva elektronforrássá válik, és egy elektront ad le a citokróm belsejében lévő hem csoportnak, majd onnan vissza is veszi azt. Eközben mérni tudjuk az elektronátadás sebességét, és össze tudjuk hasonlítani a fehérje egyes tartományait, a különböző irányokat az elektronvezetés szempontjából. Modellszámításokkal magyarázzuk az elektronvezetés hatékonysága és a fehérjeszerkezet kapcsolatát. Az ábrán a citokróm c felszínét aszerint színeztük, hogy a középen látható hem csoporttól a felszínre átlagos (zöld), annál jóval hatékonyabb (piros) vagy jóval gyengébb (kék) az elektronvezetés. Alapkutatási kérdés, hogy a citokróm c elektronját fogadó, bonyolultabb, de hasonlóan fontos fehérjében, a citokróm oxidázban milyen útvonalon, milyen hatékonysággal történik az elektron (és az elektromos töltés) szállítása, valamint ennek energetikai hasznosítása. A citokróm c önmagában ígéretes molekula biológiai alapú érzékelők, bioelektronikai eszközök építőköveként, amihez szintén érdemes megismerni a belsejében lezajló elektronáramlás sajátosságait. 16
Fehérjedinamika, Biológiai Energia-átalakítás és Nanobiotechnológiai Csoport Dr. Tokaji Zsolt Tel.: 62-599-610 E-mail: tokaji@brc.hu Témavezetők: Dr. Dér András Tel.: 62-599-606 E-mail: derandra@brc.hu Biofizika HUMÁN BIOFIZIKA, MOZGÁSANALITIKA Az élet alapvető jellemzője a mozgás, és 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), a kvantitatív vizsgálatához 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 video-pupillográfia. 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 között 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 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, eloszlás-függvények elemzése. Módszereink alkalmasak 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). 17
Biofizika Molekuláris Neurobiológiai Laboratórium Témavezető: Dr. Siklós László Tel.: 62-599-611 E-mail: siklos@brc.hu NEURONÁLIS DEGENERÁCIÓ 18 Az utóbbi évek egyik örvendetes tendenciája az átlagéletkor növekedése. Ennek paradox következménye, hogy azon betegségek előfordulása emelkedik, melyek kialakulásának fő rizikófaktora az előrehaladott életkor. Ilyenek az idegrendszer degeneratív elváltozásai. Ezek általános velejárója, hogy az érintett személyek testileg vagy szellemileg lassan magatehetetlenné válnak, hosszú éveken át ápolásra szorulnak, ami súlyos terhet ró családjukra, és a társadalomra. Erre példa egyben kutatásunk tárgya a mozgató idegrendszer betegsége (az ún. amiotrofiás laterálszklerózis ALS), melyben szenvedők gondozásának költsége (amerikai adatok alapján) évi 200,000 dollár/fő. Csupán e számadatot tekintve sem véletlen, hogy az orvos-biológiai kutatások súlypontja az idegrendszer degeneratív betegségeinek kutatására helyeződik át. Az ALS kutatásától a neurodegeneratív betegségek pusztító mechanizmusainak hasonlósága miatt azt reméljük, hogy általánosan érvényes, más betegségek megértéséhez is hasznos ismeretanyaghoz juthatunk. Az ALS első diagnózisát a XIX. század végén végezték el. Eszerint, a harántcsíkolt izmok sorvadása, majd bénulása az agykérgi, az agytörzsi és a gerincvelői motoneuronok sérülésének a következménye. Az ALS kiváltó okát (eltekintve a családi formától) nem ismerjük, de a betegségben működő számos folyamat közül a kalcium háztartás olyan sérülését sikerült kimutatnunk, mely több károsító mechanizmust is erősíthet, így a gyógyítás kulcsa lehet. Hipotézisünk tesztelésére genetikailag módosított állatokon végeztünk kísérleteket, melyek kalcium háztartása kevésbé volt sérülékeny. Bár a betegséget modellező állatok élettartamát ezzel a transzgenikus beavatkozással meghosszabbítottuk, a remélt teljes gyógyító hatás elmaradt. Új stratégiánk: a motoneuronok és a környező sejtek együttes szemlélete. Filozófiánk, hogy motoneuron betegség a motoneuronok betegsége, vagyis a mozgató idegsejtek degeneratív betegsége nem egy önmeghatározó folyamat, hanem az idegi károsodást szabályozó tényezőket a mozgató idegsejteken kívül is kell, hogy keressük. A környéki (mikroglia) sejteknek a mozgató idegsejtek degenerációjában betöltött aktív szerepét egyik legutóbbi kísérletünk igazolta. Vizsgáljuk, hogy a motoneuronokra és az ezekre a sejtekre együttesen irányuló beavatkozás segít-e a motoneuronok ellenálló képességének fokozásában, ami az ALS-t tekintve terápiás lehetőséget kínálhat.
Témavezető: Dr. Párducz Árpád Tel.: 62-599-604 E-mail: parducz@brc.hu 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 ill. 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 ill. 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. 19
Biofizika Molekuláris Neurobiológiai Laboratórium Témavezető: Dr. Deli Mária Tel.:62-599-602 E-mail: deli@brc.hu VÉR-AGY GÁT PATOLÓGIA 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 gliasejtekkel, az idegsejtekkel és a pericitákkal való szoros kölcsönhatásnak köszönhetik. A vér-agy gát az agyi endotélsejteknek és a szomszédos sejteknek dinamikus működési egysége. Dr. Kis Bélával végzett kutatásaink során sikerült kimutatnunk, hogy a vér-agy gát sejtjei által termelt adrenomedullin erősíti az agyi endotélsejtek különleges tulajdonságait és fontos eleme a sejtes kölcsönhatásnak. A vér-agy gát többszörös védelmi rendszere azonban számos betegségben sérül, így idegrendszeri bakteriális és vírusfertőzésekben, neurodegeneratív betegségekben. Ezekben a kórállapotokban csökken az agyi endotélsejtek által az idegsejtek számára aktívan bejuttatott tápanyagok mennyisége. Nő a vér-agy gát áteresztőképessége, ezzel a vérből bejutó káros anyagok mennyisége (pl. albumin), ami hozzájárul az idegsejtek további pusztulásához és a betegségek súlyosbodásához. Az agyi hajszálerek működésének kis mértékű változása is súlyos és tartós idegi működési zavarhoz vezethet. Kísérleteink során azt vizsgáljuk, hogy betegségek létrejöttében kulcsfontosságú tényezők milyen hatást fejtenek ki a vér-agy gátra és annak működésére, illetve hogyan, milyen hatóanyagokkal lehet a károsító hatásokat kivédeni. Igazoltuk, hogy az Alzheimer-kór és a prion betegségek kialakulásában fontos szerepet játszó amiloid peptidszakaszok közvetlenül károsítják az agyi endotélsejteket, és gátolják működésüket. Ezt a hatást sikerült kivédeni pentozán kezeléssel. A pentozán, a heparinhoz hasonló szerkezetű növényi hatóanyag a bakteriális sejtfal komponens lipopoliszacharid toxikus hatása ellen is hatékonynak bizonyult. Az SZTE Gyógyszertechnológiai Intézetével együttműködésben gyógyszerek idegrendszerbe való bejuttatására keresünk új módszereket. Az orron keresztül való gyógyszerbeviteli utat, és a véragy gát transzportrendszereit kihasználó nanopartikulumokat vizsgáljuk. Az agyi endotélsejtek védelme, a vér-agy gát működésének javítása, valamint új gyógyszerbeviteli utak, és lehetőségek feltárása új terápiás lehetőségeket teremthet az idegrendszeri betegségek kezelésében. 20
Témavezető: Dr. Krizbai István Tel.: 62-599-602 E-mail: krizbai@brc.hu Molekuláris Neurobiológiai Laboratórium Biofizika 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 amilyenek 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 lefolyását 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 sokk, 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 mechanizmusok megismerése jelentősen hozzájárul egyes idegrendszeri betegségek patomechanizmusának megértéséhez. Ugyanakkor azon molekulák azonosítása, amelyek kulcsszerepet játszanak a vér-agy gát sérülésében, új terápiás célpontok kifejlesztéséhez vezethetnek. 21
Biofizika Membránszerkezet és Dinamika Csoport Témavezető: Dr. Páli Tibor Tel.: 62-599-603 E-mail: tpali@brc.hu A VAKUOLÁRIS PROTON-ATPÁZ: EGY BIOMEMBRÁNBA ÉPÍTETT NANOGÉPEZET Az élő sejtek egyik legfontosabb sajátsága, hogy bennük az ionok nem egyenletesen oszlanak el. Ez egyes életfolyamatok következménye, míg mások 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. A mellékelt 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. 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 szerkezetbiológiai módszercsomagot fejlesztettünk ki, amelyet folyamatosan továbbfejlesztünk. A módszer lényege, hogy a fehérjéket vagy eredeti lipid környezetükben hagyjuk, vagy olyan mesterséges membránba építjük, ahol a funkciójuk ellenőrizhető. Ezután spektroszkópiai és kalorimetriás módszerekkel adatokat gyűjtünk a szerkezetükről és működésükről. Végül az eltérő típusú adatokat molekulamechanikai és fizikai modellekben egyesítjük. Ez a módszer különösen jól működik membránfehérjék esetében, amelyek egyébként a klasszikus szerkezetbiológiai módszerekkel nehezen vizsgálhatók, vizes közegben való gyenge oldékonyságuk miatt. 22 A fehérje tekinthető egy membránba épített nanogépezetnek, afféle motoros futószalagnak, Kutatásaink nagyrészt arra irányulnak, hogy a V-ATPázról minél több, a funkció szempontjából releváns szerkezeti adatot gyűjtsünk, amelyek alapján működését modellezzük. Emellett vizsgáljuk potenciális gátlóanyagok hatásmechanizmusát is. A V-ATPáz szerepet játszik több betegségben (például daganatok áttétjeinek kialakulásában, csontritkulásban). Ezért a fehérje szövetspecifikus gátlása igen komoly gyógyászati jelentőséggel bír.