Manipulálható nanovilág

A multifoton-mikroszkóp

Az intézetbe nemrégiben érkezett meg a kétfoton-mikroszkóp (vagy más néven multifoton-mikroszkóp), amely első pillantásra szokványosnak tűnik. Ám van benne egy nagy teljesítményű, rendkívül rövid fényimpulzusokat előállító lézer, melynek segítségével nagyon mélyen tudnak belevilágítani a szervezetbe, olyan mélyen, hogy a kutatók nem csupán a felületen, hanem a szövetek, szervek mélyén zajló élő folyamatokat láthatnak működés közben - mondta dr. Kellermayer Miklós, a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetének igazgatója.

A 100-120 millió forintot érő kétfoton-mikroszkóp egy hatalmas, lebegő, rezgésmentes, asztalon áll, mely izolálja a környezetből érkező mechanikai zajt.

10-15 éve fedezték fel, hogy ha gyorsan egymás után küldenek impulzusokat, tehát fényrészecske-csomagokat, fotoncsomagokat, akkor azok olyan sebességgel érkeznek a molekulához, hogy ott egyszerre nyelődnek el. Ezért összeadódik az energia, és olyan hatást kelt, mintha a molekula rövidebb, feleakkora hullámhosszú fényt nyelt volna el. Ezt a technikát a következőképpen használták ki.

Az infravörös fény hosszú hullámhosszú, és képes rendkívül mélyen behatolni a szövetbe - de képalkotásra kevésbé alkalmas. Ám mivel a fotonok energiája összeadódik, ezért (a mély beletolás jó tulajdonságát megtartva) úgy viselkedik a sok foton, mintha rövid hullámhosszú lenne, és lehetővé válik fluoreszcenciára való felhasználása. Így fluoreszcencens festék segítségével látványos képet tud alkotni a molekulákról. További jelentőség, hogy a fotonenergia-összeadódás csupán a fókuszpontban jön létre, ezért az információ csupán egyszerre csak egy parányi helyről érkezik anélkül, hogy eközben a nagy intenzitású fény a fókuszponton kívül károsítaná az élő szövetet.

- A dolog nagyszerűsége tehát, hogy élő rendszerbe látunk bele jó mélyen, és időben folyamatosan. A kapott kép olyan, mint egy videó - mutatta a kétfoton-mikroszkópot az igazgató.

A multifoton fluoreszcens mikroszkópia modern, konfokális képalkotó technika, amely alkalmas élő szövetek minden eddiginél pontosabb, nagyobb felbontású vizsgálatára.

- Ez a sejt a hormon kicsi egységeit szinte beletolja a vérbe, ez szövettannal nem lenne látható, itt viszont működés közben éppen ezt láthatjuk - mesélte Prókai Ágnes PhD hallgató, aki a multifoton-mikroszkópot négy hónapja használja arra, hogy élő patkányok veséit tanulmányozza. Kiderült, hogy az idegtudomány területén gyakrabban használják ezt a speciális eszközt, vesét azonban csak később kezdtek el tanulmányozni ezzel a műszerrel.

Lendületben

A Semmelweis Egyetem I. számú Gyermekklinikájának egyik fő profilja a nefrológia, komoly vizsgálatok folynak a vese traszplantációja, a vese akut oxigénhiányos állapotának és a vese patomechanizmusának témakörében.

Dr. Fekete Andrea klinikai orvos egy ilyen munkacsoportot vezet, méghozzá a Magyar Tudományos Akadémia Lendület programjának egyik nyerteseként. A program célja, hogy a külföldön élő szakemberek hazajöjjenek, illetve a hazai kutatók itthon maradjanak. Andrea önálló kutatócsoportot indíthatott, mely a diabéteszes vesekárosodás vizsgálja, és ehhez használják a multifoton-mikroszkópot is.

- A Lendület program olyan anyagi támogatást ad, hogy megéri itthon maradni vagy hazajönni. Én is ezt tettem. A már tapasztalt kutatók, akik professzori kiválóságúak, 850.000 forint bruttó fizetést, a kezdő kutatók (mint ebben a programban én) 600.000 forint bruttót kapnak. De ennél is komolyabb vonzerő, hogy 40-60 millió forintos évi keretet kapunk a kutatásra. Csak összehasonlításként: egy OTKA-pályázat 6-8 millió forint, és azt is nagyon nehéz megkapni. Ez a keret, amit most elnyertem, versenyképes a német és amerikai lehetőségekkel.

NanoSPECT/CT

A berendezés "szemléltetője" egy patkány volt, melyet inhalációs narkózisban tartottak. A rendszer lényege, hogy a tomográfiás berendezés virtuális képszeleteket készít az izotóppal kezelt állatról, miközben a CT is elkészíti a maga képeit. A kísérleti berendezés magyar fejlesztésű, és tulajdonképpen két eszközt kombinál: egy nagy felbontású CT-t és SPECT-et (egyfoton-emissziós számítógépes tomográfot).

A készüléke egyesíti a laborállat-CT anatómiai képalkotását és az izotópos SPECT (single photon emission computed tomography) módszer funkcionális információit. A készülék SPECT feloldóképessége 0,35 mm. Ez jelenleg a világpiacon hozzáférhető legjobb in vivo felbontás.

- A vizsgálat során gammafotonokat emittáló izotóppal töltik fel az állat szervezetét, ez feldúsul valamelyik szervben vagy a szerv egy kis részletében (például tumoros gócban), és abból a gócpontból sugárzódnak ki a gammafotonok, ezeket gyűjtik össze a detektorok. Így tökéletesen be tudjuk azonosítani a helyet, hiszen a képet összevetjük a CT képével.

Jelenleg több kutatás is zajlik a laborban: intelligens kontrasztanyagokat, gyógyszervivő anyagokat keresünk és vizsgálunk, olyan anyagot keresünk, amely egy bizonyos pontba viszi a hatóanyagot, például célzottan a daganatos sejtekbe.

Érdekesség, hogy a MOL kőzetmintáit is vizsgálják a berendezésben, mivel a gép nagyon nagy felbontású, és ez hasznos a kőzetminták elemzésekor.

A molekuláris erőmérő lézercsipesz

Kicsit kísérleti, kicsit olyan, mint amit hobbitudósok építenek a garázsban - ismeri el Kellermayer professzor - ám az elkészült berendezés nagyon komoly - teszi hozzá. Meg is mutatja, hogy a fókuszált lézerrel egy folyadékcellán belül lökdösni lehet parányi részecskéket, mikrogyöngyöket, és nemcsak tologatni, de megfogni is képesek őket. Ha a folyadékban lévő, csipesszel megragadott molekulát megnyújtják, akkor az ehhez szükséges erőt megmérni is képesek. Az ilyen erő nagyon parányi, pikonewton nagyságrendű. Hogy érzékeltesse az erő kicsinységét, egy érzékletes példát mondott: ha egy napsütötte tengerparton sétálva egy pénzdarabot feldobunk, az azon megcsillanó fény ilyen erővel nyomja a szemünket.

- Ezzel a kísérlettel megpróbáljuk megérteni a molekulák szerkezetét és rugalmasságát. A lézercsipeszt egyébként a mesterséges megtermékenyítés során is használhatják: egyetlen spermiumot megragadhatnak egy lézercsipesszel (fénycsipesszel), és azzal vezetik oda a petesejthez, vagy a felhasított petesejtbe bele is helyezik ezt az egyetlen spermiumot - magyarázza az igazgató. A kutatás talán választ ad arra is, hogy miért kezdődnek rendellenes gombolyodások egyes fehérjékben, mi okozhatja tehát például az Alzheimer-kórt, a Parkonson-kórt vagy a II-es típusú diabéteszt.

Nanolitográfia, nanozene, in vitro motilitási próba

Újabb furcsaságok következnek: Kellermayer professzor egy hangszigetelt kalitkához vezet bennünket, melyben egy atomerő-mikroszkóp van egy lézer gerjesztésű mikroszkóppal együtt. Kombinálták a két eszközt, így térben és időben szinkronizált módon fluoreszcenciával és atomerő-mikroszkóppal tudnak mechanikai és optikai információt is nyerni ugyanarról a vizsgált molekuláról.

Ez az eszköz képes szöveget karcolni (nanolitográfia) akár egyetlen vörösvértestre is, de az is látványos volt, amikor rendkívül éles képet mutatott egy baktérium ostorát alkotó 5 nanométeres fehérjéről.

Az in vitro motilitási próba lényege, hogy mindössze néhány nanométer nagyságú motorfehérjék (például miozinok) vizsgálata zajlik speciális, érzékenyített videomikroszkóp segítségével. Így követhetik azt a mozgást, amikor a fluoreszcens festékkel megjelölt aktív filamentum "kukacként" tekereg, halad a miozin-borította felületen. Ez a biológiai mozgás látványos, molekuláris modellje.

Az atomerő-mikroszkóp segítségével nemcsak néznek, hanem húzogatnak, nyújtanak is molekulákat, és a berendezés rendkívül érzékeny mikrofonként is működik. Ez a mikrofon olyannyira érzékeny, hogy általa hallhatóvá válik a hőmozgásból fakadó, úgynevezett termikus zaj is. Molekulanyújtás, például az esetünkben a titin fehérje megnyújtása közben a termikus zaj torzul. Ha a fehérje részei, egységei szépen, sorban tekerednek ki, akkor ismétlődő, periodikus hatás lép fel. Ez a puskaropogás szerű hang némi túlzással a "nanomuzsika".