Az NKFI Hivatal 2017-ben meghirdetett, fiatal kutató által kezdeményezett témapályázatán a zsűri támogatásra méltónak ítélte London Gábor pályázatát, amely azt vizsgálja, hogyan lehet munkára fogni a kapcsolóként működő molekulák sokaságát. A molekuláris masinákat, kapcsolókat felhasználhatják például a gyógyászatban, a számítógép-memóriaelemekben vagy akár olyan mobiltelefon-bevonatokban, amelyek önállóan kijavítják a karcolásaikat. London Gábor – az MTA Természettudományi Kutatóközpont Szerves Kémiai Intézetének tudományos munkatársa, friss akadémiai ifjúsági díjas – a legjobb helyen tanulta a „szakmát”: PhD-témavezetője, Ben Feringa 2016-ban kémiai Nobel-díjat kapott.

London Gábor, az MTA Természettudományi Kutatóközpont Szerves Kémiai Intézetének tudományos munkatársa

A Fiatal kutató által kezdeményezett témapályázat (FK_17) felhívás célja olyan tehetséges, fiatal – 40. életévüket be nem töltött – kutatók támogatása, akik saját, önálló felfedező kutatási témájukat kívánják elindítani, és erre önálló kutatócsoportot kívánnak létrehozni. A pályázat keretében tematikus prioritások nélkül, bármilyen tudományterületen végezhető felfedező kutatás, ha a projektjavaslat megfelel a felhívásban foglaltaknak. A támogatás forrása a Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Alap.

Mikor ismerkedett meg a molekuláris motorokkal?

2006-ban, éppen akkor, amikor elindultak az alkalmazásokra törekvő kutatások. Attól kezdve azon dolgoztunk Hollandiában, hogy a molekuláris mozgások hatása makroszkopikus szinten is megjelenjen. Egyetlen rétegnyi molekula szerkezeti változásait nagyon nehezen vesszük észre, de például a rétegre felvitt vízcsepp alakján már látható, ha változtatunk valamit a vele érintkező molekularétegen: ha a felület nedvesedését növeljük a molekulák szerkezetének változtatásával, akkor szétterül a vízcsepp, ha pedig csökkentjük, akkor a csepp „összegömbölyödik”. Molekuláris szinten kontrolláljuk a jelenséget!

Sok nanotechnológiai kutatás igyekszik minél kisebb méretűre zsugorítani az elektronikát vagy a gyógyszerhatóanyagot célba juttató egységeket, kapszulákat. Ezeket a rendszereket apró, dinamikus elemekkel tudjuk működtetni. A molekuláris kapcsolókkal például ki-be kapcsolhatjuk az elektronok áramlását egy molekuláris áramkörben. Ha pedig egy kapszula tartalmaz dinamikus molekuláris elemeket, akkor a gyógyszerhatóanyag eljuthat a megfelelő helyre, és a kapszula csak akkor esik szét, ha valamilyen külső hatásnak tesszük ki. Ilyenkor a dinamikus molekulák megváltoztatják az alakjukat, a polaritásukat, a sav-bázis vagy a redoxtulajdonságaikat, ami aktiválja a pici, szinte láthatatlan rendszert.

A mostani pályázat nyitja meg az utat ahhoz, hogy itthon is ilyen rendszerekkel dolgozzon?

Igen. Az elmúlt három évben több pályázatot is beadtam ebben a témában – és most nyertem el az elsőt. Ennek a középpontjában kapcsolók, funkcionális szerves anyagok állnak.

Annyira új még ez a munka?

Nem, már egyre szélesebb körben kutatott terület, és mindig magában hordozza a váratlan felfedezés lehetőségét. Külföldön egész intézeteket alapítanak a molekuláris gépezetek kutatására. A támogatások elnyerésének az lehetett az egyik gátja, hogy nálunk még nem jelent meg ez a kutatási terület, a másik pedig az, hogy rettentő pénzigényes, ugyanakkor a sikerarány igen alacsony. Nagy infrastruktúra szükséges hozzá, és főleg sok „munkáskéz” a molekulák szintéziséhez: a Nobel-díj ismertetésében szereplő nanoautón négy-öt ember dolgozott több éven át. Mondták is, hogy már három autót (és nem használt Zsigulit) vehettek volna abból a pénzből, amit erre a pici autóra költöttek.

Mire vállalkozik a mostani projekt?

A molekuláris motorok és kapcsolók fejlesztésében az az egyik fő motívum, hogy ne hagyjuk őket csak úgy lebegni az oldatban, ahol a sokféle hőhatás „összekuszálja” a mozgásukat, hanem próbáljuk meg csökkenteni a molekulák szabadságát azzal, hogy hordozó felülethez rögzítjük őket. Így a molekulák mozgását korlátozhatjuk az általunk kontrolláltan kiváltott mozgásokra, és ha sok molekulát rögzítünk egy felületen, akkor már munkavégzésre foghatjuk az együttest. Mi is ezt akarjuk elérni.

Ma még ritkaságnak számít, hogy többféle, fénnyel kapcsolható molekula működik egy felületen, és a különböző típusú molekulák más-más hullámhosszú fénnyel aktiválhatók. Mi ilyen rendszerek előállítását tervezzük – például azért, mert kontrollálni akarjuk, hogy a felület melyik része mikor lendüljön mozgásba. A különböző hullámhosszú besugárzások kombinálásával gradienseket tudunk előidézni, azaz például egy felületet víztaszítóból fokozatosan jól nedvesedővé alakíthatunk át. Ez hasznos lehet például a mikrofluidikai rendszerek előállításában, ahol a kis méret miatt nem használhatunk pumpákat, de folyadékcseppek mozgatására szükség van. Ha megváltoztatjuk az itt áramló folyadék felülethez való affinitását, akkor a folyadékot egyik pontból a másikba tudjuk mozgatni: parányi folyadékot tartalmazó rendszereket manipulálhatunk.

Hol van erre szükség?

Például vérminták elemzésében – és nem kell hozzá semmi más, csak fényt irányítunk a megfelelően elkészített felületre.

Hasonló felületek szenzorként is működhetnek: attól függően kötnek meg például biomolekulákat vagy nagyobb fehérjéket, hogy milyen funkciós csoportot teszünk elérhetővé a felületen.

Már említettem a gyógyászatban felhasználható nanorendszereket. Itt általános cél a diagnosztika és a terápia kombinálása. Ezekkel nemcsak gyógyíthatjuk, hanem fel is térképezhetjük majd a beteg területeket: egy nanorészecskén sok molekula koordinált működése teljesíti a feladatokat. Az egyik például felismeri a tumort, és odakötődik. Ekkor egy másik világítani kezd, és a külső képalkotó berendezés megmutatja, hol a probléma. Egy újabb molekula a gyógyhatásért felelős. Ehhez nem elég dinamikus molekulákat tervezni, hanem arról is gondoskodnunk kell, hogy a molekulák a nanorészecskék felületén is jól működjenek. Nanorészecskéken alapuló gyógyászati célú kutatások egyébként zajlanak az MTA TTK-ban.

Mi tehát különbözőképpen aktiválható molekulákat tartalmazó rendszereket fejlesztünk úgy, hogy a kapcsolóink hordozón integrálódnak és fejtik ki hatásukat. Ehhez rengeteg molekula szintézise, ellenőrző mérés szükséges.

Gyakran használt, fény hatására átalakuló molekuláris kapcsolók. A kutatás ilyen, reverzibilisen átalakítható molekuláris kapcsolók előállítására épül.

A szerves molekulák és a hordozóik összehangolása multidiszciplináris kutatás. Kikkel dolgoznak együtt?

Mindenkivel… Az a szerencse, hogy az MTA TTK-ban majdnem minden infrastruktúrarendelkezésre áll. A fő profilunk a szintézis: a molekulák előállításával töltjük az időnk kb. 70 százalékát. Elég újak vagyunk a Szerves Kémiai Intézetben, ezért még kicsi a vegyszertárunk, de sokan megosztják velünk a kiindulási anyagokat. A szintézist követi a jellemzés – meg kell nézni, mozognak-e a molekuláink –, és ebben segítenek az MTA TTK Anyag- és Környezetkémiai Intézet munkatársai, a Szegedi Tudományegyetemen dolgozó katalíziskutatók.

A holland kollégákkal is megmaradt a kapcsolat?

Az utóbbi egy-másfél évben kezdtünk dolgozni a kapcsolós rendszereken, és egyre inkább együttműködünk a korábbi munkatársakkal. Néhány mérésre csak Hollandiában van lehetőség, és várhatóan nemsokára megjelennek az első közös eredmények. Nagyon jó, hogy munka közben sok régi baráttal is újraindul a párbeszéd. Van például egy kínai barátom, aki már dékán egy sanghaji egyetemen.

Bekerülnek a „nemzetközi vérkeringésbe”...

Próbáljuk erősíteni a kapcsolatokat, egyrészt mobilitási, másrészt nemzetközi együttműködési pályázatokon keresztül, hogy a hallgatók is tapasztalatot szerezzenek külföldön. Ez kulcsfontosságú a fejlődéshez. Egy hallgatóm húsvét után utazott Svédországba a munkánkhoz nélkülözhetetlen elméleti kémiai eszköztár elsajátítására, és egy másik hallgató, remélhetőleg rövidesen, egy számunkra hasznos elektrokémiai eljárást tanul meg Hollandiában.

Hányan vannak a csoportjában?

Egy PhD-hallgatóval dolgozom, aki annyi terhet cipel, mint egy posztdoktor. Négy MSC- és két BSC-hallgató is erősíti a csapatot. Mindenki nagyon lelkes, és úgy látom, szeretnek ezekkel a molekulákkal bíbelődni. Én pedig örülök, ha jól érzik magukat – nem csak azért, mert a boldog emberek jobban dolgoznak.