Az emberiség a következő években parányi molekuláris gépekkel veheti fel a harcot az egyre ellenállóbb baktériumok és a daganatos megbetegedések ellen, miközben futurisztikus, önjavításra és öntisztításra képes bevonatok tehetik egyszerűbbé az életünket. Ez nem egy tudományos-fantasztikus történet kezdete, hanem egy olyan forgatókönyv, amely a múlt évtized egyik Nobel-díjas áttörésének köszönhetően hamarosan valóssággá válhat.

„Azt remélem, hogy azzal, hogy új módszerekkel tudunk antibiotikumokat aktiválni, és okos antibiotikumokat tudunk készíteni, harcba tudunk szállni az antibiotikum-rezisztencia ellen” – válaszolta a Qubit kérdésére Bernard L. Feringa kémiai Nobel-díjas holland kutató a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem (BME) által szervezett csütörtöki kerekasztal- és sajtóbeszélgetésen. (A BME-n néhány napja Krausz Ferenc Nobel-díjas fizikus is részt vett egy hasonló eseményen.)

A Groningeni Egyetem professzorának 2016-ban Sir Fraser Stoddarttal és Jean-Pierre Sauvage-zsal együtt ítélték meg a kémiai Nobel-díjat, az indoklás szerint „molekuláris gépek megtervezéséért és létrehozásáért”. Ben Feringa és kollégái 1999-ben alkották meg az első molekuláris motorokat, amelyek ultraibolya fénnyel történő megvilágítás hatására forogtak, majd 2011-ben nanométeres autókat építettek. Évekkel ezelőtt Feringa a Nature hírportáljának azt mondta, hogy „kevésbé érdekel az, hogy még egy motort csináljak, mint az, hogy valóban fel is használjam valamire”.

„Minden, amit itt látnak, molekulákból és atomokból épül fel, beleértve saját testünket is” – mondta a kémikus a kerekasztal-beszélgetésen, majd rögtön felhívta a figyelmet egy fontos különbségre az élő szervezetek (a közönség tagjai) és a mindennapi használati tárgyaink között: utóbbiak nem mozognak. „Amikor felállok, sétálok, integetek és látom önöket, mindezeket a testben lévő molekuláris gépek teszik lehetővé, amiket a szervezet lát el üzemanyaggal” – tette hozzá. A kutató szerint tudományterületének most olyan dinamikus rendszereket kell építenie, amelyek képesek adaptálódni, érzékelni a környezetüket, vagy adott esetben újrakonfigurálódni és megjavítani magukat.

Feringa egy katolikus gazdálkodó családba született 1951-ben, egy német határhoz közeli faluban. Már ekkor mindenre kíváncsi volt, mesélte, és folyamatosan faggatta szüleit a természetről, miközben a birtokukon előforduló növényekről és állatokról, később pedig felfedezőkről és kalandorokról szóló könyveket olvasott. A gimnáziumban aztán új világot nyitottak meg neki a matematika-, kémia-, és fizikaórák, és falujából az elsők között jutott be egyetemre.

Váratlanul jöttek a Nobel-díjas molekuláris motorok

„Mindig a váratlan dolgokat kell keresni” – mondta, amikor arról kérdeztük, hogy milyen út vezetett az első molekuláris motorok kifejlesztéséhez. Az 1990-es évek végén propellerszerű, molekuláris kapcsolókat építettek laborjában, amelyek – mint tenyerével mutatta – két állapot között tudtak váltogatni, mint egy villanykapcsoló. Miután a kísérletben a molekula elmozdult egy irányba, azt gondolták, hogy vissza is tudják állítani, úgy, mint egy kapcsolót. De aztán a procedúrát lebonyolító hallgatója egyszer csak meglepő dologra lett figyelmes: a molekula megmakacsolta magát, és nem állt vissza ez eredeti állapotába.

Ezután egy sor további kísérletet végeztek, és az jött ki, hogy a molekula egyik, majd másik térszerkezeti állapotba kapcsolt át, aminek eredményeként 180 fokban, egy irányba elfordult. Aztán ezt megismételték, és így már 360 fokot forgott, ugyanabba az irányba. „Így született meg a motorunk” – mondta, amihez tervezés, és egy kis szerencse is kellett, mert a molekula nem azt csinálta, mint amire eredetileg számítottak.

„Ez egy döntő pillanat volt a karrieremben, amikor hirtelen ráeszméltem, hogy egyirányú a mozgás, és nem akar visszafelé menni a molekula, hanem kizárólag előre akar menni” – mondta a kutató, aki szerint ha oda-vissza váltogatott volna, akkor azzal, ugyanúgy mint egy autónál, nem jutottak volna messzire. „Néha van egy ilyen meghatározó pillanat, amikor belátsz valamit, és azt gondolod, hűha” – mondta.

A molekuláris motorok aktiválására eredetileg ultraibolya fényt használtak, mondta kérdésünkre Feringa. Csakhogy az UV fény roncsolja a biomolekulákat, így káros az élő szervezetekre, ami problémássá tenné a technológia sejtekben és szövetekben történő terápiás alkalmazását. Ezért ellenkező irányba indultak el az elektromágneses spektrumon, és eljutottak az infravörös fényig, amely az alkalmazott mértékben nemcsak ártalmatlan, hanem egy másik fontos előnnyel is rendelkezik: a szervezet mélyebb részeibe is el tud jutni, vagyis a célzott kezelésre nem csak a testfelszín vagy a testüregek környékén van lehetőség.

De ahhoz, hogy az élő szervezetekben is működjön a technológia, viszonylag ellenállónak kell lennie. Feringa és kollégái a molekuláris motorokat még csak sejtekben vizsgálták, és több kutatásukban bizonyították, hogy in vitro jól és problémamentesen működnek. Mint kérdésünkre elmondta, vannak olyan motorok, amelyek nem annyira stabilak, míg mások napokig vagy hónapokig is tökéletesen működőképesek tudnak maradni. A kémikus szerint mindez attól függ, hogy miként építik meg őket – de hozzátette, hogy ezen a téren van még mit tanulni.

Okos antibiotikumokkal a baktériumok ellen

Feringa kollégáival 10 évvel ezelőtt hozta létre a fénnyel szabályozható gyógyszerekkel foglalkozó fotofarmakológia területét, amely azóta robbanásszerű fejlődésen ment keresztül. A módszer tetszőleges helyen és időben aktiválható gyógyszereknek, és ezáltal precíziós terápiáknak és antibiotikumoknak ágyaz meg. A kémikus kérdésünkre elmondta, hogy az antibiotikumok területe kifejezetten érdekes, mert az antibiotikum-rezisztencia egyre komolyabb problémát jelent.

Az Egészségügyi Világszervezet (WHO), mint mondta, az antibiotikum-rezisztenciát időzített bombának nevezte, miközben a gyógyszercégek az üzleti modelljük miatt nem fejlesztenek új antibiotikumokat. A WHO szerint az antimikrobiális készítmények felelőtlen használata miatt kialakult gyógyszerrezisztens kórokozók 2019-ben világszerte 1,27 millió ember halálát okozták, és további 4,95 millió halálához járultak hozzá. A problémát, amit Feringa párhuzamba állított a covidjárvánnyal, azonban már kezdik komolyan kezelni, ami így ösztönző erőt ad arra, hogy kutatók új antibiotikumok fejlesztésébe fogjanak.

„Tehát nagyon optimista vagyok. Már készítettünk olyan [okos] antibiotikumokat, amiket állatmodelleknek bejuttattunk, de hosszú út vezet még addig, amíg ezek pácienseknél is használhatók” – mondta. A kutató szerint többféle megoldásban lehet gondolkodni, ezek közül egy az úgynevezett ciklikus peptidek használata, amelyek célzottan, a fertőzés helyén aktiválhatók, hogy elkerülhető vagy csökkenhető legyen a gyógyszer-rezisztencia kialakulásának kockázata. A kémikus mostanában plakkszerű bakteriális lerakódások (biofilmek) megoldásán dolgozik kollégáival, amelyekkel szerinte a hagyományos antibiotikumok nehezen tudnak megbirkózni.

Azt Feringa sem tudja, hogy pontosan hova fut majd ki az okos antibiotikumok fejlesztése, de kapcsolatban állnak a gyógyszeriparral, és van egy startupjuk is, amely hasonló anyagok létrehozásán dolgozik. A kémikus ugyanakkor arra figyelmeztetett, hogy a baktériumok kemény ellenfélnek számítanak, hiszen sokkal ősibbek nálunk, és fantasztikusan képesek adaptálódni. „Ez egy nehéz és fontos probléma, és vannak kihívások, de kémikusokként a biológus és kutatóorvos barátainkkal együtt meg fogjuk rá találni a megoldásokat” – mondta.

A molekuláris gépek nemcsak baktériumok, hanem tumorok ellen is bevethetők lehetnek. „Az egyik legújabb dolog, amit csináltunk, hogy a motorjainkat sejtmembránokba helyeztük, majd fénnyel megvilágítottuk őket, és így a kissé átjárhatóbbá tett membránon keresztül rákgyógyszert tudtunk bejuttatni egy tumorba” – mondta a panelbeszélgetésen a kémikus. A módszer eredményeként a daganatos sejtek elpusztultak. Ez, mint később újságírói kérdésre elmondta, fényaktiváción keresztül nagyon precíz, lokalizált beavatkozást tesz lehetővé, amivel el lehetne kerülni a kemoterápiával általában járó mellékhatásokat. Ott még nem tartanak, hogy ez klinikailag bevethető legyen, de körülbelül tíz év múlva ez is eljöhet.

Feringa az orvosláson túl is nagy potenciált lát a molekuláris gépekben. A sajtóbeszélgetés során felvetette, hogy olyan öntisztító bevonatokat lehetne velük létrehozni, amelyek megszabadíthatnak minket az ablakpucolás fáradalmaitól, de a karcokat eltüntető önjavító bevonatok is átkerülhetnek a sci-fi-ből a valóságba. A kémikus szerint az öntisztítás, vagy az önjavítás teljesen bevett dolog a természetben, de ez maximum inspirációt adhat, és a szakembereknek saját megoldásokkal kell előállni, ahhoz hasonlóan, ahogy a repülőgépek tervezői teszik.

„Karikó Katalin sokunknak inspiráció”

A kémikus szerint ha kutatóként jó ötleteink vannak, hinnünk kell bennük, és nem szabad könnyen feladnunk. Erre tanít Karikó Katalin lenyűgöző története is, akit Feringa „sokuk példaképének” nevezett. Szerinte előfordul a tudományban, hogy egyes ötletek túl koraiak, túl sebezhetők, és ezért sokan nem hisznek bennük – de ha nincs Karikó kitartása és az mRNS-technológiába vetett hite, akkor a covidvakcinák sem születnek meg olyan gyorsan.

A kémikus szerint elengedhetetlen, hogy az egyetemek biztosítsák az ilyen úttörő kutatásokhoz szükséges szabadságot, és eközben azt is különösen fontosnak tartja, hogy a kutatók elmagyarázzák a társadalomnak a tudomány és a tudományos oktatás fontosságát.

Feringa nem csupán előadásokban beszél erről, hanem tesz is érte. Mint mesélte, néhány hetente a laborjában dolgozó hallgatókkal ellátogatnak holland iskolákba, ahol kémiai kísérleteket végeznek a gyerekekkel, akik szerinte elképesztően érdeklődők, és csodálatos kérdéseket tesznek fel. „A nanoautók is dugóba kerülhetnek?” – idézte fel egy hatéves holland kisiskolás kérdését a Nobel-díjas kutató.

A kémikus a kerekasztal-beszélgetés végén a kémiát egy központi tudományágnak nevezte, amelyet újra fel kell találni és fenntarthatóvá kell tenni, hogy megalapozhassa a jövő iparát, amely zöldebb, kevesebb energiát használ, és az újrahasznosításra épül. A kutató búcsúzásképp rámutatott a közönségben ülő fiatalokra, akik szerinte feltalálják majd a jövőt, és arra kérte őket, hogy kövessék álmaikat.

***

A mikrobiommal, azaz az emberi testben élő mikroorganizmusokkal és az általuk kiváltott gyulladásokkal, neurológiai betegségekkel, pszichés zavarokkal, valamint ezek kezelésével és gyógyításával foglalkozunk majd a júniusi, csak Qubit+ tagoknak meghirdetett, exkluzív tudományos estünkön, az immár nyolcadik Qubit Live-on.