A közel 300 millió forinttal támogatott programjukban multifunkcionális femtobiológiai munkaállomás kifejlesztésére és fényindukált biológiai folyamatok vizsgálatára vállalkoztak néhány ciklusú spektroszkópiai módszerekkel. Miről szól a kutatásuk?
Munkacsoportunk a fotoszintézis elsődleges folyamatait tanulmányozza. A földi életet a fotoszintézis (kémiai formává alakított napenergia) tartja fenn: a fotoszintetikus szervezetek a napenergiát hasznosítják a szén-dioxid szerves anyaggá alakítására, ami pedig a heterotrófok táplálékforrása – az egysejtű mikroorganizmusoktól az emberekig. 2050-re a világ népessége várhatóan eléri a 9,8 milliárdot; ez, a növekvő jövedelem és a táplálkozási szokások változása mellett, több mint 50 százalékkal megnöveli a globális élelmiszer-keresletet, miközben a mezőgazdasági termőterület nagysága nem, vagy alig bővíthető. Az élelmiszer-termelés növelése a földhasználat bővítése nélkül azt jelenti, hogy meg kell találnunk a terméshozamok vagy a fotoszintetikus energiahatékonyság emelésének módjait. Ismert emellett, hogy egyetlen nap alatt a bolygó felületére érkező napenergia mennyisége meghaladja az éves szükségletünket, és a fotoszintetikus organizmusok – a mintegy hárommilliárd éves evolúciójuknak köszönhetően – ennek hasznosítására a legváltozatosabb környezeti feltételek mellett kész megoldásokat kínálnak. Mindkét végső cél – a természetes fotoszintézis hatékonyságának növelése és napenergia-konvertáló eszközök fejlesztése – a fotoszintetikus reakciók mély és részletes megértését igényli. Ennek érdekében molekuláris és atomi szintre kell hatolnunk – a klasszikus fizika és a kvantummechanika világa közötti rejtélyes határrégióban kell keresnünk a megoldást. A jelenségek kísérleti feltárása és ezek elméletének kidolgozása – a szerkezetek rendkívüli komplexitása miatt – hihetetlenül nagy kihívást jelent.
Melyek a fotoszintézis elsődleges folyamatai?
Vegyük például a fotoszintézis első lépéseit – attól a pillanattól kezdve, hogy egy fénykvantum (foton) elnyelődik egy fotoszintetikusan aktív molekulában, jellemzően klorofillban, a növények zöld pigmentjében. A fotonenergia elnyelésének folyamata – a klorofillmolekulák elektronjainak magasabb energiaállapotba való gerjesztése – femtoszekundumok (10–15 másodperc) alatt történik. A gerjesztési energia (szub)pikoszekundumok (10–12 másodperc) alatt, több száz klorofillmolekula bonyolult hálózatán keresztül terjed, majd átadódik a fotokémiai reakciócentrumoknak, ahol primer töltésszétválasztás révén megkezdődik az energia kémiai energiává alakításának soklépcsős folyamata – ennek eredményeként ezek a parányi egységek előállítják a szén-dioxid cukrokká alakításához szükséges redukálóerőt és energiát hordozó molekulákat, miközben az elektronok vízből való kivonásával molekuláris oxigént termelnek.
Fél évszázaddal ezelőtt olyan tudósok, mint Bay Zoltán és Szent-Györgyi Albert úgy gondolták, hogy ezekben a rendszerekben az elektronmozgások különböző kvantumhatásokat mutatnak: a gerjesztett elektronok egyidejűleg különböző molekulákban vannak jelen, dinamikus kvantumkoherenciát hozva létre. Ezeknek az ultragyors folyamatoknak a valós idejű megfigyelése azonban csak az utóbbi egy-két évtizedben lett lehetséges – olyan ultrarövid impulzusú lézertechnológiák megjelenésével és gyors fejlődésével, mint a csörpölt impulzuserősítés, amelyért Gérard Mourou és Donna Strickland megosztva nyerték el a 2018-as fizikai Nobel-díjat.
Miről szól a kollaborációs projektjük?
Felismerve azokat az egyedülálló lehetőségeket, amelyeket az ELI-ALPS nyújt az ultragyors fotobiológiai folyamatok tanulmányozásához, csoportunk együttműködést alakított ki a lézerközponttal. Ennek keretében elsősorban más módszerekkel nem hozzáférhető tudományos kérdések megválaszolását tűztük ki célul. A Nemzeti Kiválósági Program (NKFIH-NKP) támogatását elnyerve az SZBK Biofizikai Intézet Femtobiológiai kutatócsoportjával és a Pécsi Tudományegyetemmel (PTE) közösen femtobiológiai munkaállomásokat hozunk létre a többdimenziós optikai spektroszkópia (MDOS) és a terahertz (THz) spektroszkópia felhasználásával. Az MDOS kifejlesztésének döntő hányadát az SZBK vállalta, míg a THz spektroszkópiai mérések a PTE munkatársai és az SZBK Femtobiológiai Kutatócsoportja által kifejlesztett berendezéseken valósulhatnak majd meg. Az MDOS jelenleg a leghatékonyabb technológiacsalád a kvantumkoherencia és az energiaátadás megfigyelésére 100 femtoszekundumos időtartomány alatt. A hagyományos ultragyors optikai spektroszkópiai módszereknél érvényesül a frekvencia–idő transzformációs határ. Ez azt jelenti, hogy ha a lézerimpulzus meghatározott frekvenciával rendelkezik (fotonenergia), akkor szükségszerűen az impulzus ideje nem határozható meg, és fordítva. Az MDOS „kijátssza” ezt a határértéket – olyan spektrálisan széles impulzusokkal generált jelek időtartománybeli rögzítésével, amelyek elvben attoszekundumosak is lehetnek. Az ELI-ALPS-ban előállított THz lézerimpulzusok új kísérleteket is lehetővé tesznek, például a kvantumszabályozást, amelyben a rendszert meghatározott kvantumállapotokba lehet irányítani. Ez egyaránt izgalmas a fotobiológiát kísérletileg kutató és a biológiai kvantumszámításokat végző kutatók számára.
Mivel az ELI-ALPS egy felhasználói létesítmény, a munkaállomások nyitva állnak a teljes tudományos közösség számára – így az általunk építendő femtobiológiai munkaállomások is fogadni tudnak majd felhasználókat, miközben az SZBK és a PTE kutatói maguk is ezeken a berendezéseken végzik kísérleteiket, elsősorban fotoszintetikus és/vagy mesterséges, bioinspirált molekuláris rendszereken. Ugyanakkor az SZBK, a PTE és az ELI-ALPS kiterjedt együttműködési hálózatait szeretnénk kiterjeszteni a fotobiológia és az „attotudományok” kapcsolatának kiépítésével. Ebben a vállalkozásban az első és legfontosabb kulcs a sikerhez: az együttműködés és a csoportmunka.
Forrás: innoteka.hu