Amikor bemegyünk egy üzletbe, fel sem tűnik, milyen szolgálatkészen nyílik ki nekünk az ajtó – a fotocellák elterjedése óta ez mindennapos dolog. Azt is megszoktuk, hogy távirányítóval kapcsolgatunk mindent: ezek a távirányítók pedig infravörös fénnyel működnek. De vajon milyen lenne a világ, ha a sejtekbe is be lehetne építeni fénnyel kapcsolható távirányítókat? A Pécsi Tudományegyetemen a HU-rizont Program keretében magyar kutatók fénnyel működő molekuláris kapcsolókat vizsgálnak. Az NKFI Hivatal által finanszírozott nemzetközi kutatás vezetője dr. Lukács András Szilárd.

Dr. Lukács András Szilárd, kutatásvezető

Pécsi Tudományegyetem

A projektjükben új generációs optogenetikai eszközöket fejlesztenek – mi pontosan az optogenetika?

Az optogenetika annyit jelent, hogy fénnyel tudunk biológiai objektumokat kontrollálni. Gyakorlatilag olyan tulajdonságokat építünk a sejtbe, amilyennel addig az nem rendelkezett. A tudományterület nevében az opto-tag a fénnyel, látással kapcsolatos dolgot jelenti, mint az „optikában”, a genetika pedig azt, hogy a sejten belül „legyártunk” módosított fehérjéket. Fúziós fehérjéket hozunk létre: egy fényre érzékeny molekulát, fotoreceptort hozzákapcsolunk egy, a sejtben valamilyen fontos funkcióval rendelkező másik fehérjéhez. Ezzel beépítjük ezt a fénnyel kapcsolható tulajdonságot a sejtbe. Eléggé friss tudományterület ez, eddig leginkább idegsejtekben sikerült alkalmazni. Sok kutatás szól arról, hogy egyes idegsejteket kapcsolgatnak lézerimpulzusok és fény segítségével. Mi azonban egy másik, kevésbé ismert úton indultunk el: a sejt vázát alkotó molekulákat próbáljuk befolyásolni optogenetikai eszközökkel.

Miért éppen ezt az irányt választották? Miért jó az, ha a sejt váza, a citoszkeleton fénnyel kapcsolhatóvá válik?

A citoszkeletonnal itt a Biofizikai Intézetben már harminc éve foglalkozunk, nagyon-nagyon sokat tudunk róla. Azt látjuk, hogy gyakorlatilag a sejtvázrendszer határoz meg mindent. Ha például le tudjuk bontani egy baktériumban valamelyest, akkor az a baktérium megszűnik működni. Rendkívül kifinomult és összetett rendszer ez -- egy aktin filamentumrendszer alkotja --, de azon kívül, hogy ez adja a sejtnek a tartását, rengeteg olyan fehérje van, ami hozzá kötődik, és együtt állítják be a sejtvázrendszer működését. A vázrendszerhez kapcsolódva folyamatos polimerizálódás és depolimerizálódás történik, nyúlványok képződnek és bomlanak le. Mi első körben, az alkalmazhatóságot vizsgálva, ezt a polimerizációt fogjuk befolyásolni a fényérzékeny molekulák beépítésével.

Ez egészségügyi szempontból is egy fontos terület.

A kutatásukban is valamilyen konkrét betegséget céloznak?

A projekt hosszú távú eredménye olyan optogenetikai eszközök kifejlesztése lesz, amelyek a gyógyításban és a gyógyszerfejlesztésben is alkalmazhatók. A fényre érzékeny fotoreceptor fehérjék sokfélék, rengeteg tulajdonságuk van, válogatni, tesztelni kell, melyik lehet alkalmas számunkra. Egy ilyen eszköz esetében fontos, hogy sokszor kapcsolható legyen és mindig ugyanúgy működjön. Ezt kell nekünk elérni: a gyógyszerfejlesztés szempontjából értékes olyan verziót, amelyik nem túl nagy, nem túl bonyolult, és tényleg minden körülmények között mindig ugyanazt csinálja.

Azt gondolom, hogy 10-20 éven belül ez a tudományterület lehetővé fogja tenni azt, hogy például gyógyszereket szabadítsunk fel adott helyen, adott időpontban a szervezeten belül. Bejuttatjuk a gyógyszert a különböző szervekbe vagy sejtekbe, ahol akkor és úgy szabadítjuk fel a megfelelő fényimpulzussal, hogy a lehető leghatásosabb legyen, a legkevesebb mellékhatással. Nem egyszerű ezt elérni, és a mi kutatásunk ehhez járul hozzá, ehhez fejlesztünk eszközt. Persze, gyors ütemben folynak a fejlesztések párhuzamosan is: például a fény bejuttatása a sejtekbe, szövetekbe, szintén fontos lépcsőfok ahhoz, hogy ide eljuthassunk.

Fotó: OPTOGenetika projekt

A HU-rizont Program nemzetközi kutatásokat finanszíroz, azaz magyar vezetéssel külföldi kutatók is dolgoznak egy-egy problémán. Mely intézetekkel dolgoznak együtt?

Amerikai, angol és francia partnerekkel működünk együtt, akikkel már évtizedekre visszanyúló közös múltunk van. Mivel a fotoreceptorokban végbemenő változások nagyon gyorsak, nanoszekundumok alatt történnek meg, ezeket úgynevezett ultragyors spektroszkópiával kell vizsgálni – ezt az egyik francia partner végzi a nagy presztízsű Ecole Polytechnique-en, aki már harminc éve alkalmazza az ultragyors spektroszkópiát biológiai problémák megoldására. Az angol partnerünk, aki a világ első kétszáz egyeteme közé tartozó Kelet-Angliai Egyetemen dolgozik, az ultrarövid impulzusú lézerek alkalmazásának egyik úttörője, az ő vizsgálatai is ezeket a gyors folyamatokat célozzák.

Az amerikai partnernek (Stony Brook University, New York) az enzimkinetikában és a gyógyszerfejlesztésben van szintén több évtizedes tapasztalata: amikor mi megváltoztatunk egy-egy fehérjét, mesterséges aminosavakat juttatunk bele, próbálgatjuk, hogy melyik mire lehet jó, akkor ezeket ők állítják elő, gyakorlatilag ők juttatják be a fehérjékbe.

Egy másik szál, hogy ezekkel megváltoztatjuk a molekulák szerkezetét: ezeket a szerkezeti változtatásokat pedig az európai röntgenkrisztallográfia központjában, Grenoble-ban, az Európai Szinkrotron Központban (ESRF) tudjuk vizsgálni.

A pécsi kutatók vezetésével folyó kutatások elvezethetnek ahhoz, hogy a hatóanyagok tényleg csak ott és csak akkor hassanak a szervezetünkben, ahol azt szeretnénk. Az ehhez szükséges kapcsolórendszerek fejlesztéséről és további érdekességekről is hallhatnak a HU-rizont Roadshow április 9-i eseményén, ahol Lukács András Szilárd projektje is bemutatkozik. További részletek és regisztráció az ingyenes eseményre:  https://nkfih.gov.hu/hu-rizont-roadshow-pecs.

Fotó: OPTOGenetika projekt