2017. szeptember 20. szerda
Friderika
Biotechnológia, molekuláris biológia és élettan az mRNS.hu-n

Az info@mrns.hu-ra küldhet linket vagy valamilyen anyagot, amit szeretne, ha hírként bemutatnánk.


Korábbi híreink  |   Keresés:

Kiválasztott hír:
Megosztás: Add az iWiW-hez Add a Facebook-hoz Add a Twitter-hez Add a Google Reader-hez Add a Startlaphoz
Lehetséges a bioakkumulátor? - Interjú dr. Kálmán Lászlóval - 2012-04-25 08:00:08 Hozzászólás írása Hozzászólások száma 0 hozzászólás 
Lehetséges a bioakkumulátor? - Interjú dr. Kálmán Lászlóval

Nemrégiben a ScienceDaily beszámolt egy nagyon izgalmas kutatásról, melynek társszerzőjét, dr. Kálmán Lászlót kérdeztük munkájukról.
 

Mi volt a kutatás megkezdésekor az alapfelvetés?


Az idézett munka egy 4 cikkből álló publikációsorozat negyedik eleme, amelyeket 2011-ben közöltünk le. Ezek mindegyike azt taglalja, miként lehet a vizsgált membránfehérjén (enzimen) belül egy kiválasztott töltéspár élettartamát megnövelni. A fénygerjesztés hatására a fehérje egyik molekulája elektronikusan gerjesztett állapotba kerül és egy elektron transzfer folyamat veszi kezdetét, amelyben az elektron a fehérjébe ágyazott pigmentek egyikéről a másikra vándorol, és mindössze 200 pikoszekundum (2x10-10 s) alatt eljut a membrán másik oldalán található végső elektron akceptor molekulára (1. ábra, világoskék nyíl).

Ezzel a pozitív és negatív töltések (a töltéspár) mintegy 3 nanométer távolságra kerülnek egymástól. A fizika törvényei a fehérjén belül mindössze 0,1-1 s élettartamot engedélyeznek, mielőtt a töltéspár rekombinációval megszűnik (az elektron visszatér a molekulára, ahonnan elindult, piros nyíl az 1. ábrán). A rekombinációval azonban a fény energiája nem kerül hasznosításra, ezért azt el kell kerülni, vagy késleltetni kell. Az élő sejtben erre természetesen van megoldás, de ennek mikéntjét itt most nem részletezem. Egy másik lehetőség a fény energiájának hasznosítására, a töltéspár élettartamának drasztikus megnövelése, amely lehetővé teszi a töltésszétválasztás által keltett elektromos potenciális energia hasznosítását, csakúgy, mint azt egy hagyományos akkumulátor vagy elem esetében végezzük a mindennapi életben.

 
1. ábra A reakciócentrum fehérje egy az optimálisnál vékonyabb membrán környezetben. A fény abszorpcióját követően egy elektron transzport indul meg a membrán egyik oldalától a másik felé (világoskék nyíl), amely egy töltéspárt hoz létre. A kutatás célja az volt, hogy a piros nyíllal jelzett rekombinációs folyamatot késleltesse és a töltéspár elektromos töltéséből származó energiát tárolja. A kívánatosnál vékonyabb membrán a fehérje közvetlen környezetében kénytelen megnyúlni, a fehérje pedig összezsugorodni, hogy a vastagságok különbözősége megszűnjön. Ezzel a töltések közvetlen környezete is megváltozik és ez befolyásolja a rekombinációs folyamat sebességét.


Hogyan találtak rá erre az enzimre?

A reakciócentrum fehérje (1. ábra), amelyet fotoszintetizáló bíborbaktériumokból izoláltunk és tisztítottunk biokémiai módszerekkel már az 1960-as évektől kezdve ismeretes és széles körben használt alanya a fotoszintézis kutatásoknak. Az 1980-as évek közepén ez volt az első membránfehérje, amelynek sikerült a szerkezetét atomi felbontásban meghatározni (az 1. ábra az atomi koordináták felhasználásával készült szerkezeti kép). Ezért a mérföldkőnek számító tudományos eredményért 1988-ban kémiai Nobel-díjat adományoztak (Hartmut Michel, Robert Huber, Johann Deisenhofer).
Én magam az egész tudományos pályafutásomat ennek a fehérjének a tanulmányozásával töltöttem (a Szegedi Tudományegyetemen, mint PhD hallgató, tanársegéd, és végül mint adjunktus; az Arizonai Állami Egyetemen, mint posztdoktori ösztöndíjas, majd vendégkutató; végül most is saját önálló kutatócsoportomban a montreáli Concordia Egyetemen).  


Milyen módszereket használtak a kutatás során?

Mivel az elektron transzfer egy oxidációs-redukciós folyamat, olyan spektroszkópiai módszert célszerű választani, amely az elektromágneses sugárzásnak azt a tartományát használja, amelynek energiája megegyezik az elektronok gerjesztéséhez szükséges energia szinttel. Ez az optikai spektroszkópia, amely az ultraibolya, a látható, és a közeli infravörös tartományokat öleli fel. Ezen túlmenően elektrokémiai módszereket használtunk a pigmentek oxidációs-redukciós potenciáljának meghatározására. A fehérje izolálásához és tisztításához a biokémia konvencionális módszereinek arzenálját alkalmaztuk, de ezek klasszikus és széles körben alkalmazott módszereknek minősülnek a fehérjék izolálásában és tisztításában, így ezeket nem részletezem.


Milyen eredményeket hozott a kutatás?

A négy cikkből álló kutatássorozat első három cikkében sikerült a töltéspár élettartamát fokozatosan, szisztematikus módszerekkel másodpercről kb. 20 percig emelni, míg ebben a legutolsó, jelenleg idézett munkában órákra emelni. Ezt a töltések környezetének változtatásával sikerült elérnünk. A fehérje laboratóriumi körülmények között vagy detergens micellákba, vagy mesterséges lipid kettősrétegbe (mesterséges membránba) kerül beágyazásra. A választott lipid molekulák hossza dönti el, hogy milyen vastag lesz a lipid kettősréteg (membrán) vastagsága (1. ábra). A fehérje alfa–hélixeinek hossza azonban egy meghatározott vastagságot követel meg az enzimnek a sejtben elvárt funkcióinak teljesítéséhez. A mi célunk éppen az volt, hogy az enzimet a megszokottól eltérő viselkedésre késztessük ezért szándékosan ágyaztuk be a reakciócentrum fehérjét egy lipid kettősrétegbe, amelynek vastagsága kevesebb, mint az optimális (1. ábra). Ezzel mind a fehérjét, mind pedig a lipid kettősréteget kompenzációs folyamatokra kényszerítettük (az energia minimumra való törekvés a vastagságok különbözőségének megszüntetését vagy minimalizálását serkenti).

A membránt alkotó lipid kiválasztásánál az is szempontként merült fel, hogy annak fázisátalakulása a vizsgált hőmérséklettartományba essék (A lipidek fázisátalakulását mindenki a saját szemével megtapasztalhatja, amikor a vasárnapi sült hús alatt a tepsiben található zsiradékot figyeli meg. Magasabb hőmérsékleten a sütőből éppen kivett tepsi esetében a zsiradék optikailag transzparens és könnyen folyik, míg lehűlve opálossá és gélszerűvé válik). A fázisátalakulási hőmérsékleten a lipidek és ezzel a membrán tulajdonsága is radikálisan változik. A korábbi három munkában megállapítottuk, hogy a töltésszétválasztás maga is szerkezeti változásokat idéz elő a fehérjében, amelynek mértéke a töltéspár élettartamának növelésével szintén növekszik.

Végeredményben a fényindukált strukturális változásokat kombináltuk a fehérje lipidkörnyezetének változtatásával.  Ezen kombináció a töltéspár élettartamának ~100000-szeresére emelését, azaz 5 nagyságrenddel történő változtatását eredményezte. A munka másik fontos eredménye, hogy ezen folyamatban egy új, eddig nem ismert lipid kötőhelyet sikerült azonosítanunk a fehérjén belül, amely kulcsfontosságú molekulák környezetében található, így a lipid kötődése, mint harmadik tényező is hozzájárul a töltéspár élettartamának hangolásában.


Milyen következtetéseket sikerült az eredmények alapján levonni?

Izolált membránfehérjék működésének vizsgálatakor fontos a fehérjék környezetét is tanulmányozni, mert a fehérje és annak környezete együttesen fogják a megfigyelt működést meghatározni. Tekintettel arra, hogy az izolált membránfehérjék kivétel nélkül kikerülnek a természetes környezetükből, fontos, hogy a természeteshez rendkívül hasonló membránkörnyezetbe kerüljenek, hogy a laboratóriumi mérések a valóságban az élő sejtben lezajló folyamatokhoz hasonlóan történjenek és a laboratóriumi következtetések érvényesek legyenek a valóságra. Ugyanakkor, ha éppen a fehérje működésének módosítása a cél (mint a mi esetünkben pl.), akkor éppen a természetestől eltérő környezetet kell a fehérje számára biztosítani. Természetesen ez csak egy bizonyos határig végezhető. Drasztikus változtatások a fehérje denaturálódásához vezethetnek, amely természetesen az adott fehérje funkciójának teljes befagyasztását jelenti és sok esetben visszafordíthatatlan.


Milyen alkalmazási lehetőségek jöhetnek számításba?

Bár a közölt eredmények kizárólag alapkutatási értékkel bírnak ma még, a lehetséges jövőbeli felhasználások között szerepelhet a reakciócentrum fehérjének biokompatibilis áramköri egységként (biokondenzátor, biológiai akkumulátor) történő hasznosítása. A jelenleg használt mobil áramforrások (elemek, akkumulátorok) toxikus átmeneti fémekből készülnek, így rendkívül fontos, hogy pl. orvosi alkalmazások során azok ne érintkezzenek élő szövetekkel. Biokompatibilis alkotóelemekből készített áramköri egységek (noha rövid ideig is) de a fenti veszély nélkül képesek a kívánt információáramot fenntartani.


Melyek a jövőbeli tervei?

Természetesen tovább kívánjuk tökéletesíteni a rendszerünket és a töltéspár élettartamát tovább kívánjuk növelni. Jelenlegi kísérleteinkben a lipidek fejcsoportjának elektromos töltését változtatjuk szisztematikusan, hogy az elektrosztatika adta lehetőségeket is maximálisan kihasználjuk. További tervek között szerepel ugyancsak a fehérje környezetének jelentőségét hangsúlyozva a membránösszetétel hatása a hidrogén-ion pumpaként üzemelő enzimek működésére.


Köszönöm a válaszadást a magam és az mRNS.hu olvasóinak nevében is, és további sikeres munkát kívánok!


 A fenti munkát a Kanadai Természettudományi és Mérnöki Kutatási Alap (az otthoni OTKA megfelelője) által adományozott pályázatból finanszíroztuk.


A cikket a
Journal Of  The American Chemical Society közölte.

Sasmit S. Deshmukh, Kai Tang, László Kálmán. Lipid Binding to the Carotenoid Binding Site in Photosynthetic Reaction Centers. Journal of the American Chemical Society, 2011; 133 (40): 16309 DOI: 10.1021/ja207750z

ScienceDaily, (2012. április 18.)

Molnár Attila


Cikk ajánlása » email:
Hozzászólás írása
Hozzászólás
 

Értékelések száma: 4, Cikk értéke (1-10):


Értékelje ezt a cikket! 


Hirdetés
Email cím:
Jelszó:

Regisztráció »
Elfelejtett jelszó »
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt: itt ellenőrizheti
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt:
itt ellenőrizheti
.
Oldal ajánlása (email):
Az ajánlót küldi (név):
Hirdetés