2019. február: ökológia, portré, jegyzet, innováció, egyetem, kémia, tudomány, Nemzeti Agykutatási Program, mikroszkópia, orvostudomány, régészet, genomika, anyagtudomány, kiállítás/konferencia, atomenergia, energiagazdálkodás, agrárium, fenntarthatóság, megújuló energia, zöldkörnyezet, ipar 4.0, mesterséges intelligencia, it, nanotechnológia

Látni a láthatatlant

A szuperfelbontású mikroszkópia vonzó tudományterület, annak ellenére az, hogy a technológiáról az első cikkek 2006 táján jelentek csak meg – nyilatkozta magazinunknak Barna László mérnök-fizikus, az MTA Kísérleti Orvos­tudományi Kutatóintézet (KOKI) Nikon–KOKI Fény­mikroszkópos Képalkotó Központ vezetője, akit 2018 decemberében Gábor Dénes-díjjal tüntettek ki.


Barna László
A Budapesti Műszaki Egyetemen 1999-ben mérnök-fizikus diplomát szerzett, majd 2002-ben orvosbiológiai mérnök diplomát kapott. Hogyan lett a mérnök-fizikusból or­vosbiológus?

– Mérnök-fizikus hallgatóként a nukleáris technika érdekelt, majd az egyetem vége felé egyre inkább a biofizika felé fordultam. Logikus folytatásnak tartottam az orvosbiológiai mérnöki szak elvégzését is.

Mi vitte 2001-ben az MTA Szegedi Biológiai Központ Enzimológiai Intézetébe, ahol molekuladinamikai szimulációk segítségével vizsgálta egyes fehérjék tulajdonságait?

Závodszky Péter professzor előadásai megfogtak, nála írtam a második diplomamunkámat. Sokat beszélgettünk, látta, hogy érdekel ez a terület, ezért lehetőséget adott arra, hogy az Intézetben továbbmélyítsem a számítógépes fehérjefizikai módszerekkel kapcsolatos ismereteimet. Hasznos időszak volt, de szerettem volna még közelebb kerülni a biológiához. Katona István hívására átjöttem az MTA Kísérleti Orvostudományi Kutatóintézetébe, hogy az itt újonnan alapított fénymikroszkópos központ vezetője legyek.

2010-ben csatlakozott az itteni kutatói közösséghez. Mi indokolta a váltást?

– Korábbi munkahelyemmel összehasonlítva a KOKI kísérletes technikái, projektjei közelebb állnak a mindennapi élethez, márpedig ez fontos szempont számomra. Úgy is, hogy a kutatók készítik el a mintákat, mi „csupán” a mikroszkópos kísérletek tervezésében, a mé­résekben, az adatelemzésben segítünk ne­kik. A másik vonzó szempont az volt, hogy 2006 körül kezdődött a fénymikroszkópiában egy igazán izgalmas forradalom. Közel 150 éve tudott, hogy fénymikroszkóppal csak olyan részletek különíthetők el, melyek legalább 200 nano­méterre vannak egymástól. Ezt a felbontási korlátot szárnyalták túl azok a módszerek, melyek szuperfelbontású fénymik­roszkópia néven ismeretesek, és 2014-ben kémiai Nobel-díjat jelentettek három tudósnak. A Nikon céggel közösen alapított képal­kotó központban világviszonylatban is el­ső­ként használhattunk szuperfelbontású fény­mikroszkópot. Nagyon izgalmas kihívás volt számomra a többi csúcskategóriás mikroszkóp mellett ezt a technikát is megtanulni, optimalizálni és a kutatóknak megtanítani.

Egy sejttestre (zöld) érkező axonvégződés­ben a kannabinoid 1-es típusú receptor hagyományos (hússzínű) és szuperfelbontású STORM (citromsárga) képe. Megfigyelhető, hogy az elmosódott hagyományos képhez képest mennyivel pontosabb eloszlást mutat a szuperfelbontású.
Szuperfelbontású mikroszkópiával kapcsolatos tudományos eredményeit meghívott előadóként számos hazai, illetve nemzetközi konferencián és intézeti szemináriumon ismertette. Könnyen megértik a nem szakmabeliek ezt a technikát?

– Nincs szó különösebben bonyolult dolgokról. Érdekesség, hogy ezekért a módszerekért a tudósok kémiai Nobel-díjat kaptak, ami azt jelzi, hogy a felbontási határt megkerülő trükkök inkább kémiai természetűek, mint fizikaiak.

Egy pontszerű fényforrás képe a mikroszkóp kameráján (fehér). A forrás képe sok pixelre (160 nm) terül szét. A piros pontok jelzik ugyanennek a fényforrásnak a többször megmért STORM szuperfelbontású képét.
2007-ben a Fiatal Biotechnológusok Nívódíját érdemelte ki. 2018 decemberében Gábor Dénes-díjat kapott a szuperfelbontású mikroszkópia orvostudományi kutatási célokra történő bevezetéséért, a Fénymikroszkópos Képalkotó Központ elismert kutató-fejlesztő mikroszkópos műhellyé alakításában betöltött szerepéért. Mit tud ez a központ?

– Hazánkban ez volt az egyik első fénymikroszkópos központ. Érdemünk, hogy nem ragadtunk le a 2010-es szinten, azóta is folyamatosan bővülünk. Az első berendezést Katona István saját pályázati forrásából vette meg, majd úgy döntött, bárki használhatja azt. A példáját Szabadics János és Hájos Norbert is követték. A központ számos műszere intézeti csoportok hozzájárulásából érkezett. Az adományozók nem élveznek elsőbbséget, ugyanúgy óradíjat fizetnek, mint más felhasználók. Az eszközöket fejlesztjük, új ötletekkel állunk elő. A japán cég fejlesztőmérnökei rendszeresen járnak hozzánk, hogy a ta­pasz­talatainkat az újonnan fejlesztett hard­verbe és a szoftverbe integrálják. Európa számos pontjáról is fogadunk vendége­ket, akik az itteni kutatókkal konzultálnak.

Korrelatív konfokális és STORM mikroszkóp. A STORM szuperfelbontású kép rögzítésére az EMCCD kamerát használjuk. Alul korrelatív konfokális (fehér) és STORM (zöld) kép.
Csak az idegtudományi kísérletekben hasznos a szuperfelbontású mikroszkópia?

– Az élettudományi kísérletekhez kiváló, az anyagtudósok számára az elektronmikroszkóp hasznosabb.

Mi hozható ki még ebből az eljárásból?

– Az általunk használt módszer alapvetően függ a jelölő fluoreszcens molekulák fotokémiai tulajdonságaitól. Van, amelyikkel nagyon nagy felbontást érünk el, ugyan­ak­kor nehézséget okoz, ha ugyanazon a mintán többféle jelölést alkalmazunk. Ha arra vagyunk kíváncsiak, hogy hol van az adott sejt membránja és a számunkra fontos fehérje hol helyezkedik el, illetve mennyi van belőle, ahhoz új megoldásokra van szükség. Azt szeretnénk elérni, hogy egy mintában legalább háromféle jelölést tudjunk vizsgálni a módszer által biztosított 20 nanométeres XY és 50 nanométeres Z felbontásban, melyhez újfajta jelölőanyagok szükségesek. Szintén feladat, hogy egy képalkotás ne hosszú percekig tartson, hanem másodpercek alatt eredményt adjon.

Munkánk során olyan szoftveres eljárást dolgoztunk ki, mellyel megmérhetők egyes fehérjék (kék) membránon (szürke, sárga) vett legrövidebb távolságai egy adott felszíni ponttól (piros).
Van ehhez pénz, paripa, fegyver?

– Kiváló kutatókkal működünk együtt, akik örömmel dolgoznak velünk az új technikák napi rutinba való átültetésén. 2018. december közepén érkezett a Nikon STORM szuperfelbontású mikroszkópjának legújabb verziója, melynek tesztelése azóta is folyik. Az itteni munka elismerése, hogy a japán cég folyamatosan tartja velünk a kapcsolatot, kipróbálhatjuk a legújabb verzióikat anélkül, hogy meg kellene vásárolni azokat. Ám ha az adott készülék érdemben segíti az itt folyó munkát, akkor általában forrást is találnak kutatóink a megvásárlásra.

Mérettartományok és a megfelelő mikroszkópos eljárások az élettudományokban. A szuperfelbontású fénymikroszkópia elérheti a 10 nanométeres felbontást.
A doktori disszertációja alapját jelentő egyik cikk a Nature Neuroscience-ben, a másik a Nature Protocolsban jelent meg. Ezen a területen könnyű publikálni?

– A szuperfelbontású mikroszkópiát felhasználó tudományos projektek nagyon vonzóak, annak ellenére, hogy a technológiáról az első cikkek 2006 táján jelentek csak meg. Az eljárás napi rutinba való átültetése hosszú időt vett igénybe, és sok cikket hozott. Eredményeinkkel magas idézettségű folyóiratokba kerültünk be. Ez a lehetőség továbbra is adott.

Milyen feladatok állnak a központ előtt?

– A jövőben szeretnénk más szuperfelbontású mikroszkópos technikát is elérhetővé tenni a felhasználók számára. Csapatunkat bővítenünk kell kifejezetten képanalízisre szakosodott kollégával, hiszen az egyre fejlettebb rendszerekkel a képfelvétel már nem igazán jelent gondot, de annál nagyobb kihívás a keletkezett óriási méretű és különböző struktúrájú adatok megfelelő feldolgozása.•

 
Innotéka