2017. május: jegyzet, egyetem, tudomány, biofizika, hálózatkutatás, innováció, közlekedés, anyagtudomány, megújuló energia, fenntarthatóság, zöldkörnyezet, energiagazdálkodás, vízgazdálkodás, startup, kiállítás/konferencia, it, okostechnológia
2017. május 8.

Szerző:
Paulik Katalin

Amikor a biológia és a technika találkozik

Jelenleg az ismeretek finomításának és a meglévő technológiák csiszolásának az időszakát éljük, így összegezte Závodszky Péter, a Magyar Biofizikai Társaság tiszteletbeli elnöke és az MTA TTK Enzimológiai Intézet kutatóprofesszora a biofizika mai helyzetét.


Závodszky Péter
Mi a biofizika, mivel foglalkozik a biofizikus?

– A biofizika kettős tudomány, van egy elvi és egy technikai ága. Egyrészt a fizikai elvek és összefüggések alapján próbálja megérteni a világot, ezen belül az élővilágot, másrészt a fizika eszközeit és módszereit felhasználva vizsgálja a komplex rendszereket. Egy fizikus általában másképp gondolkodik, mint a rendszerező tudományok, például a biológia vagy a kémia művelői. A fizikus arra törekszik, hogy az atomok, a molekulák, a részecskék viselkedése alapján értelmezze a megfigyeléseket, mert az érzékszerveinkkel megtapasztalható makroszkopikus világ mögött létezik egy mikrovilág, és az egyik a másikból levezethető. A fizikus úgy tekint a látható világra, hogy minden makroszkopikus jelenség az atomok, a molekulák együttműködésének a következményeként jön létre. Egyrészt az atomi molekuláris kölcsönhatásokat vizsgálva próbálja a nagyot, az egészet felépíteni, másrészt a komplex rendszerek viselkedéséből igyekszik levezetni, hogy miként néznek ki a jelenségek az atomok és a molekulák szintjén.

Hol tart a biofizika napjainkban?

Steve Jobs mondta: „Azt gondolom, hogy a 21. század legnagyobb innovációi a biológia és a technika találkozásából adódnak majd.” Én is úgy látom, hogy a biológia és a technika, s így a fizika kapcsolódásától számos jelentős innováció várható a közeli jövőben. Nagy, elvi jelentőségű áttörések mostanában nem történtek. Jelentős viszont a fejlődés a mérési technikák térbeli és időbeli felbontása terén, valamint az adatok feldolgozásában és rendezésében.

Ön miként lett fizikusból biofizikus?

– A komplex rendszerek fizikája érdekelt, és úgy gondoltam, hogy ezek legcsodálatosabb megjelenítője az élő. Ez a felismerés terelt a biofizika irányába. Az 1960-as évek elején az első „igazi” fizikus voltam ezen a területen, aki deklaráltan biofizikusnak tartotta magát. Az életjelenségek molekuláris megértésére törekszem, és az is érdekel, hogy miként hasznosítja a technika az élő rendszerektől ellesett építkezési, működési és szabályozási mechanizmusokat. Kutatómunkánk során a komplexitás kérdése szinte mindig felbukkan. Ha komplex rendszerekbe egy ponton beavatkozunk, kiszámíthatatlan, hogy milyen változások történnek, mivel az egy ponton történő beavatkozás nemcsak ott gyakorol hatást, ahol gondoltuk, hanem számos nem várt helyen is. Ebből ered a gyógyszerek gyakori, nem kívánt mellékhatása.

Biológiával foglalkozó fizikusként hol húzza meg a határt, milyen mélységig lehet megismerni élő rendszereket fizikai módszerekkel, és mennyire képes figyelembe venni a fizika az élővilág jelenségeinek sajátosságait?

– Nem hiszem, hogy a világ ilyen értelemben szétválasztható, vagy hogy az élő és az élettelen világnak külön törvényszerűségei lennének. Most nem tévednék a lélektan vagy a vallás területére, azt hiszem, az emberiség jelen tudása nem teszi lehetővé e területek tudományos igényű értelmezését, de én magam úgy gondolom, hogy a dolgok fizikai komplexitásának a következtében jöttek létre az egyre bonyolultabb jelenségek. Azt hiszem, hogy az elemi fizikai törvényszerűségek határoznak meg mindent, ami az anyagi világban történik, és egy bizonyos komplexitásnál már lényegileg új jelenségeket tapasztalunk. Jó példa erre a mikroelektronika, a számítógép: ha sok egyszerű és azonos bináris elemet összekapcsolunk, olyan számítógépet kapunk, amely akár sakkozni is tud. Most akkor hol a határ? Azt gondolom, hogy nincs éles határ, folyamatos átmenet van, és ahogy növeljük a komplexitást, egyre újabb jelenségekkel találkozunk. Az élettel új tulajdonságok, új törvényszerűségek is megjelennek, mint például az evolúció. Az evolúciós törvény nagyon egyszerű; ami életképes, fennmarad, ami életképtelen, az elpusztul, ezt pedig az élő rendszer és fizikai környezetének kölcsönhatásai határozzák meg.

Ez egyszerűen megérthető természettudományos vagy matematikai logikával, de mi az élet?

– Mi az anyag? Honnan ered, miből lett? Különféle elméletek léteznek, de egy ponton túl egyik sem ad magyarázatot. A fizika nem tud választ adni a világ keletkezésére.

Mit hozott a mindennapi életünkbe a biofizika?

– Az eredeti kérdés ugye az volt, hogy mi a biofizika, mivel foglalkozik, és hol vannak a határok. Ennek megválaszolásához érdemes egy kis történeti visszatekintést tenni. A biofizika úgy jelent meg, hogy az orvostudománnyal foglalkozó egyetemeken például anatómusok, fiziológusok és biokémikusok fizikai jelenségekkel kezdtek el foglalkozni. A biofizika tehát kezdetben része volt az általános fiziológiának, majd amikor elkezdett terebélyesedni, elkülönült, és saját nevet kapott. Jelenleg egy ezzel ellentétes folyamat zajlik: az elkülönült tudományterületek határvonalai elmosódnak, napjainkban a fizikusok komplett élettani rendszerekkel foglalkoznak. A tudományos vizsgálatok teljesítőképessége olyan mértékben nőtt a számítógépek megjelenése és a mérési eljárások pontosságának finomodása miatt, hogy ma már komplex rendszerekkel is képesek vagyunk egzakt fizikai elvek alapján foglalkozni. Gondoljunk csak a fizikai elveken nyugvó képalkotó eljárásokra, a röntgen, a mágneses rezonancia vagy a pozitronemissziós tomográfia nyújtotta diagnosztikai lehetőségekre, ma már az élő szervezetben tudjuk figyelemmel kísérni a változásokat. Szinte molekuláris felbontású, dinamikus képet kaphatunk az élő emberi szervezetről. Vagy egy másik példa: a membráncsatornák megismerésénél, ahol molekulák milliárdjai egy nagyon bonyolult szerkezetbe rendezve látnak el bizonyos érzékenyen összehangolt és szabályozott funkciókat, lehetőség van a jelenségek fizikai módszerekkel történő megfigyelésére nagy térbeli és időbeli felbontással. Ma már jóformán atomi szinten láthatjuk, hogy mi történik a bonyolult sejtstruktúrákban az atomok és molekulák között. A technika fejlődésének köszönhetően már valós időben tudjuk a molekuláris jelenségeket követni egy élő sejtben. Néhány éve még csak pillanatfelvételt tudtunk készíteni egy sejtről, például elektronmikroszkóppal, de ezeknek a felvételeknek nagyon kevés közük van a valósághoz, mivel a sejtnek csak a lenyomatát látjuk. Meg kell itt említeni a Szegeden rövidesen elkészülő nagy tudományos beruházást, az ELI-ALPS nemzetközi lézerközpontot, amely a biofizikai tudományoknak is új technikai lehetőségeket nyit. Szabadelektron-lézerrel pikoszekundumos, sőt az utóbbi időben femtoszekundumos idejű eseményeket is követni tudunk, ami annyira rövid intervallum, hogy a fény csupán egy vízmolekulányi távolságot tesz meg ez idő alatt.

A biológia és a technika, s így a fizika kapcsolódásától számos jelentős innováció várható a közeli jövőben. Jelentős a fejlődés a mérési technikák térbeli és időbeli felbontása terén, az adatok feldolgozásában és rendezésében.
Ezt már felfogni is nehéz. De mit jelent mindez a mindennapi életünkben, például a gyógyításban?

– Úgy látom, hogy ez most az erőgyűjtés és a meglévő technológiák tökéletesítésének időszaka, vannak a tudománynak ilyen periódusai. Nagyon sok felfedezés történt az 1950-es években, ami a megismerésnek egy új szintjéhez vezetett. Ezek a technikák azóta tökéletesedtek, de olyan nagy áttörést, ami megváltoztatná az egész szemléle­tünket, nem látok az utóbbi években, azt viszont igen, hogy a lehetőségeink a fejlesztéseknek köszönhetően folyamatosan nőnek. Mindent lényegesen nagyobb feloldással látunk térben és időben, de az elvek és az alaptechnika ugyanaz. Az, hogy ma a sejtben lévő molekuláris folyamatokat piko- vagy nanoszekundumos időskálán, atomi feloldással tudjuk megfigyelni, csak annyit jelent, hogy ma látjuk is, amiről indirekt bizonyítékok alapján már korábban kialakult képünk volt. Például arról, hogyan működik a sejt. Folynak a technikai finomítások, de nincs olyan óriási felismerés, mint amikor felfedezték, hogy a DNS kódolja az információt. A „klasszikus” elektronmikroszkópia nyomatot őriz: egy sejtet beleégetünk valamilyen szén vagy fém mintába, amiből sok mindent meg lehet mondani. A krio-elektronmikroszkópnál viszont már ott van a sejt lefagyasztott állapotban, nem csak a nyomata, így szinte a röntgendiffrakcióval azonos, néhány ångströmös (a nanométer tizedrésze – a szerk.) atomi szintű felbontásban lehet látni egy sejtszerkezetet három dimenzióban.

A technika fejlődésének köszönhetően már valós időben tudjuk a molekuláris jelenségeket követni egy élő sejtben. A krio-elektronmikroszkópnál már atomi szintű felbontásban lehet látni egy sejtszerkezetet három dimenzióban.
A technika olyan gyorsan fejlődik, amit sajnos nem, vagy csak nagyon lassan tud követni a gyógyítás…

– A diagnosztika mellett nagyot fejlődött az orvosi terápia is, különösen az onkológiában a sugárkezelés, például a célzott kezelések területén. Ma már évekkel is meg lehet hosszabbítani olyan betegeknek az életét, akik húsz éve még meghaltak volna, sőt számos, korábban halálosnak vélt esetet meg is lehet gyógyí­tani. Az orvostudományban fizikusi tudással és gondolkodásmóddal jobban el lehet igazodni az olyan komplex rendszerekben, mint amilyen az élő szervezet. Azt gondolom, hogy az élettudomány egyre inkább a molekuláris szerkezeti biofizikára épül fel, vannak eszközeink és megfelelő tudásunk ahhoz, hogy nagyon bonyolult folyamatokat az atomok és molekulák szintjén megértsünk. Meg tudjuk mondani, hogyan működik egy sejt, egy szövet, egy ember, s működési zavar esetén elvileg azt is tudjuk, hogy hol lehet beavatkozni.

Milyen irányban fejlődik a biofizika?

– Amint említettem, a biofizikusok modern eszközeikkel már nagyon nagy térbeli és időbeli felbontásban képesek vizsgálni komplex, például élettani jelenségeket, és bioinformatikai módszereket alkalmazva általánosítani vagy következtetni tudnak bonyolult összefüggésekre. A tudomány napjainkban a hatalmas adatbázisok racionális kezelése és kiértékelése irányába fejlődik. A biofizika egyik fontos ága a hálózattudomány, ami egy áttekinthető ábrázolási módja annak, hogy minden mindennel kölcsönhatásban van, azonban ezek a kölcsönhatások nem egyenértékűek: vannak erősebbek és gyengébbek, közvetlenek és közvetettek. Ha egy ilyen hálózatra ránézünk, meg tudjuk állapítani, hogy egy jelenségnek egy másikhoz mennyi köze van, és ha egy ponton belenyúlunk a rendszerbe, akkor okozunk-e valamilyen zavart, vagy sem. A mai modern tudomány problémája nem az adatgyűjtés, hanem az adatrendszerezés és az adatértelmezés. Ebben az informatika, a számítástechnika nyújthat segítséget. A fejlődő számítástechnika új lehetőségeket nyit a meglévő fizikai módszerek alkalmazása előtt. Azóta létezik például diffrakciós fehérjeszerkezet-meghatározás, amióta van számítógép. Maga a fizikai alapelv ismert volt már régen, de hiányoztak a technikai feltételek a praktikus alkalmazáshoz.

Nagy felbontású, röntgendiffrakció útján meghatározott szerkezet. A komplementrendszer két elemének (C4 és MASP2) funkcionális komplexe.
A technikai fejlődésnek el kell jutnia arra a fokra, amikor egy régi tudományos eredmény használhatóvá válik. A magyar kutatók hogyan kapcsolódnak a nemzetközi kutatási projektekbe?

– A tudomány nemzetközi, és valamilyen formában jelen vagyunk a legtöbb területen. Magyarországnak megvan a tudományos világban is a helye, szégyenkeznivalónk nincs, de fejlődnivalónk lenne, főként a legjobb elmék itthon tartásában.

Elsősorban a pénz az, ami a megtartó erőt jelentené?

– Számít a pénz, de nem elsősorban. Nyitottá vált a világ, a baj az, hogy a mozgás nem szimmetrikus, hanem a fejlettebb országok irányába mutat. Bár mindig is a mozgás szabadságára vágytam, most mégis fékezném a dolgot egy kicsit, mert a legjobb erőinket szívják el. Nagyon hiszek az iskolák megtartó erejében, és ott, ahol régebben voltak, jelenleg is működnek a tudományos műhelyek. Természetesen újak is alakulnak, de idő kell az eredményekhez. Jelentős lépésnek tartom például az MTA Lendület programját, amely nagyvonalú lehetőséget kínál a kiválóak számára a hazatéréshez. És vannak itthon jó biofizikai iskolák, ahol nemzetközileg versenyképes munka folyik.

A fluoreszcens mikroszkópia alkalmas a különböző sejtek, valamint a sejt organellumok topográfiájának megfigyelésére (fluoreszcens módon jelölt csirke gerincvelő szövettenyészet).

Az MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont Biofizikai Intézetében Ormos Pál kutatócsoportjában „optikai csipeszükkel” élő sejteket képesek megfogni, és megmérni a sejt mechanikai tulajdonságait. Optikai mikromanipulációval, „fénnyel hajtott” mikroszerkezeteket képesek létrehozni. Gyors spektroszkópiákkal molekuláris szinten követik a biológiai folyamatokkal kapcsolatos eseményeket. A Semmelweis Egyetem Általános Orvostudományi Karán Kellermayer Miklós vezetésével működik egy iskola, a Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetben atomerő-mikroszkóppal (Atomic Force Microscopy), lézercsipeszekkel sejteket, molekulákat rögzítenek, hogy tanulmányozzák, milyen folyamatok zajlanak le sejten belül. Az ELTE TTK Biológiai Fizika Tanszékén Derényi Imre és Szöllősi Gergely a rák fizikájával foglalkoznak. Azt vizsgálják, hogy a sejtosztódás során hogyan függ össze a differenciálódás és a rákos elfajulás. A Pécsi Tudományegyetem Általános Orvos­tudományi Karának Biofizikai Intézetében szintén működik egy biofizikai iskola, ahol Nyitrai Miklós irányításával elsősorban kép­alkotó technikákkal és floureszcencia spektroszkópiával foglalkoznak. A fizikusok szeretnek nem invazív módszerekkel dolgozni, bizonyos folyamatokat fénnyel indítanak el, és a folyamat során keletkező fényt detektálják, ezért fontos a floureszcencia spektroszkópia, amely molekuláris távolságmérésre, időbeli folyamatok követésére alkalmas. Debrecenben, az egyetem Általános Orvostudományi Kar Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében Panyi György a sejtmembránokban elhelyezkedő csatornák szerkezetét és működését, valamint immunológiai szerepét illetően ért el eredményeket. Szöllősi János csoportja a tumor őssejtekre irányuló rák­terápiás lehetőségeket tanulmányozza a biofizikus eszközeivel. Említésre érdemes nano-biofizikai kutatások folynak Veszprémben a Pannon Egyetemen Vonderviszt Ferenc Bio-Nanorendszerek laboratóriumában. Az idegimpulzus terjedésénél, a sejtek működésénél fontos szerepet játszik a sejtmembránban lévő csatornák nyitása, zárása, áteresztőképessége, amiről ma már nagyjából tudjuk, hogyan működik. Az MTA KFKI Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézetében Bársony István és Horváth Róbert környezetében képesek modellezni a membráncsatornák működését. Nanoméretű, bonyolult csatorna- és kapurendszereket tudnak létrehozni szilíciumlapokban, amelyekhez fehérjéket kötnek, és azt vizsgálják, hogy ezek a fehérjék hogyan kapuzzák a pórusokat. Egy kémiai laboratóriumot lehet modellezni egy apró chipen, így a betegágy szélén, vagy otthon is elvégezhetők fontos vizsgálatok, és öt perc alatt megvan az eredmény, nem kell a mintákat laboratóriumba küldeni.

Konfokális fluoreszcencia mikroszkóp az MTA TTK Enzimológiai Intézetében.
Miként hat az emberek életére a tudomány rohamos fejlődése?

– Az új lehetőségek és az információk özöne az egész világot sokrétűbbé, de egyúttal felszínesebbé is teszi. Idő hiányában nem éljük meg mélységükben a dolgokat, nem gondolkozunk el rajtuk. Iparszerűvé vált a tudomány, nagy a verseny a forrásokért és az érvényesülésért. A felszínen maradáshoz gyártani kell a tudományos publikációkat. Megváltozott a világ, korábban gazdag emberek művelték a tudományt a saját pénzükből, vagy a Royal Societytől kapott forrásból a saját örömükre. Ma nemcsak a megismerés vágya, de a megélhetés kényszere is hajtja a kutatókat. Amikor az 1930-as években Otto Wartburgnak azt mondták, hogy folyamodjon támogatásért, akkor leírta egy üres lapra: „Húszezer birodalmi márkára van szükségem a munkám folytatásához” – és megkapta. Ma sem ártana, ha annak, aki már elért figyelemre méltó eredményt, szinte automatikusan biztosítva lenne a folytatás feltétele. Nagyon fontosak a hosszú távú programok is. Az orosz atomfizika azért tudott nagyszerű eredményeket elérni, mert az 1930–60-as években egy elkötelezett kutató akár tíz éven keresztül is dolgozhatott zavartalanul egy témán. Ez ma már lehetetlen.

Sőt még az újságíró is azért jön, hogy megtudja, milyen új szenzáció született a biofizikában.

– Mai világunkban, ha nincs szenzáció, nincs hír, nincs élet. Mindenki szenzációt vár a kutatóktól. A tudós elsősorban pedig azt a problémát szeretné megoldani, amivel foglalkozik. Ha hagyják, lehet, hogy sikerül is neki, és akkor esetleg lesz szenzáció, de kizárólag erre törekedni nem lehet. Röviden összefoglalva azt mondhatom, hogy a biofizikában most éppen nincs szenzáció, de vannak fontos, új megfigyelések, következtetések, amelyek – amint azt a fenti példákból is láttuk – hatással vannak mindennapi életünk alakulására. Fontos eredménynek tartom, hogy nano-, mikro-, milliszekundum alatt lezajló folyamatokat, molekuláris dinamikát, kölcsönhatások alakulását tudjuk megfigyelni és rögzíteni. Technikailag nagyon nagy fejlődés ment végbe az utóbbi években, mint például a már említett krio-elektronmikroszkópia vagy az időfeloldásos spektroszkópiák. Ezek segítségével valós idejű eseményeket, molekulák átrendeződését, kölcsönhatásait, asszociációját, disszociációját lehet megfigyelni. Sokat tanulhatunk még a természettől. Gondoljunk csak a sejtek nanoméretű motorjaira, energiatermelésére, a kémiai energia mozgási energiává alakításának magas fokú, jól szabályozott gépezeteire, az önszerveződés titkaira. Képzeljük el, mi lenne, ha úgy gyárthatnánk autót, hogy az összes alkatrészt beleszórnánk egy dobozba, majd megráznánk, és kigurulna belőle a kész jármű? A sejtben ugyanis pontosan ez történik: szintetizálódik a fehérje, odajut a helyére, ott úgy épül be, ahogy kell, majd ezt követően ellátja a feladatát. A bionika az ilyen távlatok lehetőségét is felvillantja, és a tudomány eredményei előbb vagy utóbb hasznosulnak a gazdaságban, és a társadalom élvezni fogja az előnyeit. A biofizika fejlődik a világban, és ehhez a fejlődéshez a magunk eszközeivel mi itt Magyarországon szintén hozzájárulunk.•

 
Innotéka