Research projects 16b5cb1397496f2590dec6c16f05753bab2f892c1e324c7b5412a8b13a5758a4

Kutatási projekt

Bio-nanokompozitok tervezése és jellemzése

Egyetemi egységek

Általános Orvostudományi Kar
Fizikus Tanszékcsoport
Orvosi Fizikai és Orvosi Informatikai Intézet (ÁOK-TTIK)

Hasznosíthatóság szintje

Ismeretbővítő kutatás (alap- elméleti kutatás)

Kulcsszavak

nanotudomány, nano-kompozitok, szén-nanocsövek, fényenergia hasznosítás, fotoszinézis

Kutatási projekt leírása

Nem nehéz megjósolni azt, hogy a biológiai anyagok technikai alkalmazásai a közeljövőben egyre nagyobb jelentőségűek lesznek. Ennek a fő oka az, hogy az emberiség a jövőben különböző okok miatt egyre hatékonyabb technológiát fog igényelni.

1) Az emberiség lélekszámának növekedése és a technológiai fejlődés miatt a szükségletek exponenciálisan növekednek.

2) A természeti erőforrások (ásványi anyagok és különösen a szén/szénhidrogén alapú üzemanyagok) nem kimeríthetetlenek. Az élőlények evolúciója során nagyon hatékony “technológiák” fejlődtek ki akár a napfény energiájának a hasznosítására, vagy például a különböző szubsztrátok felhasználására, illetve a környezetből való újrahasznosítására.

3) Az emberiség által alkalmazott technológia amennyire csak lehet, környezetbarát kell, hogy legyen.

4) Az ember egészségi állapotának minőségi fejlődése új, ígéretes lehetőségekkel kecsegtet (pl. technikai alkalmazások az életminőség javítására).

A biológiai anyagok (bio)technológiai alkalmazásai során a következőket kell meggondolni. A biológiai anyagok különösen hatékony működésre specializálódtak, és ehhez specifikus felépítésük alakult ki az evolúció során. Nagyon sokat tudunk már a biológiai rendszerek szerkezetének és működésének kapcsolatáról, de azok (technikai) falhasználása még mindig inkább kihívás. Például a fotoszintetikus reakciócentrumokban (RC), amelyek a „természet naperőművei” a primer töltésszétválasztás kvantumhatásfoka majdnem 100%. Ezt a hatékonyságot semmilyen, ember által készített berendezés nem tudta még megközelíteni sem. Bármilyen információ, amit a fényenergia kémiai energiává alakításának folyamatáról nyerhetünk hasznos lehet akár az alapkutatás (fény-anyag kölcsönhatás), akár az alkalmazott kutatások (integrált optikai berendezések adatfeldolgozás céljára, optoelektronikai kapcsolók, képalkotó berendezések, és végül, de nem utolsó sorban napenergiahasznosítás) szempontjából. Ennek a természetben nagyon fontos folyamatnak a részletes ismerete új generációs gyakorlati alkalmazások lehetőségeit nyithatja meg, pl. a fényenergiahasznosítás, integrált optoelektronikai alkalmazások analitikai, memória és mikroképalkotó eljárásokban. Az ember által készített fényenergia-átalakító berendezésekben különböző alapelveket használunk ki. A fényenergiát átalakíthatjuk pl. 1) hővé fototermális, b) töltéspár energiájává fotoelektromos (pl. CCD képalkotó berendezésekben), 3) kémiai reakciók szabadenergiaváltozásaivá (fotokémiai reakciókban).

Fényenergiaátalakítás az élő szervezetekben Nem vitás, hogy a fényenergia megkötése az élő szervezetekben az egyik legfontosabb (ha nem a legfontosabb) folyamat a természetben. A fényenergia kémiai energiává alakítása a RC-ban töltéspár kémiai potenciáljává alakulásának a legelső lépését jelenti, amely hidrogénionok transzmembrán kémiai potenciáljává alakulásának a feltételét teremti meg. Ez az állapot biztosítja a szabadenergiát az anyagcsere energiaigényes folyamataihoz minden élő szervezetben, a szerveződés bármely szintjén, a sejtalkotóktól a sejteken át az egész bioszféráig (Mitchel-féle kemiozmotikus hipotézis (Mitchell, 1961, kémiai Nobel díj 1978-ban)). Az élő szervezetekben különböző fehérjék alakultak ki, amelyek a fényenergát nagyon hatékonyan alakítják át. Ilyenek pl. az emberi szemben és néhány baktériumban megtalálható rodopszinok, a növények fitokrómjai, vagy a növények, baktériumok fotoszintetikus reakciócentrum fehérjéi (RC). Az alap és alkalmazott kutatásoknak különböző területei vannak, ahol a RC fehérjében lejátszódó folyamatok tanulmányozásának különös jelentősége lehet. Többek között:

1) Elméleti jelentősége: a reakciócentrum még mindig a legjobb modellprotein pl. a fehérjedinamika, a primer fotokémia termodinamikájának és kinetikájának, a fehérjén belüli elektrontranszfernek a tanulmányozására.

2) Technikai jelentősége: pl. a napenergiahasznosítás hatékonyságának növelésére.

3) Jelentősége az élelmiszerelőállításban: a mezőgazdasági növénytermelés primer produkciójának növelésére.

4) Ökológiai jelentősége: az ökológiai rendszerekben végbemenő energiaáramlás egyensúlyban tartása.

5) Jelentősége a környezettudományokban: az üvegházgázok és esetleges szennyezőanyagok eltávolítása a környezetből. A fotoszintetikus reakciócentrum fehérje Az élő szervezetekben különböző típusú RC fehérjék fejlődtek ki az evolúció során (PS-I és PS-II a növényekben és a cianobaktériumokban, a bíbor és zöldbaktériumok reakciócentruma). Mindegyik reakciócentrumtípusban alapvetően ugyanazok a folyamatok játszódnak le.

a) Klorin-típusú pigmentek elektronjainak gerjesztése;

b) a fehérjéhez kötött redox-aktív kofaktorok között keletkező töltéspár szétválasztása és stabilizálódása;

c) az elektrosztatikus környezet és a hidrogénkötések (aminosavak protonálódásának/ deprotonálódásának) átrendeződése, valamint

d) egyéb, fehérjén belüli konformációs mozgások (pl. a fényhez és sötéthez alkalmazkodott formák közötti átmenetek).

Érdekes, hogy, bár a reakciócentrum fehérje az evolúció során “nano-méretekben” keletkezett (kb. 10 nm), valamint “nano-teljesítményeket” végez (egy foton egyetlen töltésszétválasztást okoz), ez a fehérje biztosítja a szabadenergiát az egész földi élet számára, beleértve a hatalmas mennyiségben tárolt, de nem kimeríthetetlen fosszilis energiahordozókat is. Fotoszintetikus reakciócentrum/bio-nanokompozit anyagok Jól ismert, hogy a biológiai anyagok az extrém specifitásukat csak az eredeti környezetükben tartják meg. Ha kivonjuk őket az eredi környezetükből, akkor rendszerint csökken, vagy akár el is veszhet az aktivitásuk. Kísérleti bizonyítékok vannak azonban arra, hogy „nem biológiai” anyagokhoz lehet őket kötni úgy, hogy képesek megőrizni aktivitásukat. Egy különleges lehetőség a „nano-anyagokhoz” való kötődésük. Ezekben az anyagokban lehetőség adódik arra, hogy az egyes komponensek (biológiai és nem-biológiai) előnyös tulajdonságait egyesítsük. Ezeket a különleges rendszereket „bio-nanokompozitoknak” nevezzük. Ezek az új típusú anyagok új generációs alkalmazások egész sorát nyithatják meg. Szerves anyagok, pl. olyanok is, amelyek biológiai aktivitással rendelkeznek (pl. porfirin-származékok, flavonoidok) köthetők szilárd hordozó felületekhez, vagy félvezető nanorészecskékhez, átmenetifém-oxidokhoz, szénnanocsövekhez úgy, hogy funkcionális aktivitást mutatnak.

E területen a kutatások fő kérdései: a vizsgálatok reprodukálhatósága, illetve a komplex funkcionális stabilitása – érthető, hogy főleg a biológiai komponens részéről. Fotoszintetikus reakciócentrum/karbon nanocső kompozitok A sikeres kristályosítást követően a reakciócentrum-szerkezet atomi feloldású leírásának (Nobel-díj Michel, Deisenhofer and Huber-nek 1988-ban), a molekuláris biológia, a számítástechnika eredményeinek köszönhetően a RC-működés strukturális követelményei jól leírhatóak. Ez az információrobbanás ma már a fehérjén belüli elektrontranszport elég jó megértéséhez, illetve újabb Nobel-díjhoz vezetett (Marcus, 1992). Az a tény, hogy az elektrontranszport kinetikájáról, energetikájáról részletes ismeretink vannak, a hozzá kapcsolódó folyamatokra (pl. a membránon belüli folyamatokra, protonmozgásokra), a reakciócentrum és környezete közötti kölcsönhatásokra irányította a figyelmet.

A fotoszintetikus RC-ok sok előnyös tulajdonsága használható ki, ha nano-rendszerekhez kapcsoljuk őket.

a) Mint korábban megállapítottuk, a primer töltésszétválasztás kvantumhatásfoka majdnem 100% (Si-alapú berendezésekben ez az érték meg sem közelíti a 100%-ot).

b) A különböző típusú természetes és módosított RC-okban széles időtartományban mérhetünk redox-folyamatok sebességi állandóit (néhány pikoszekundumtól több szekundumig).

c) Karakterisztikus abszorpcióváltozásokat mutat a spektrum infravörös tartományában.

d) A reakciócentrum redox-kölcsönhatásban lehet a környezetében levő molekulákkal, azaz a fény által szétválasztott töltések a környezetben “csapdázódhatnak”.

Módosítatlan és funkcionált karbon nanocsövek, valamint egyéb szervetlen hordozó anyagok is alkalmasnak mutatkoztak arra, hogy a fényenergia átalakítására alkalmas szerves anyagokat a funkciójukat megőrizve a felületükhöz kössünk. Ezek az elsősorban szén-alapú anyagok jól használhatók pl. fotoelektromos berendezésekben úgy, hogy biológiailag fontos, vagy kisebb szerves fényérzékeny anyagokat kötünk a felszínükhöz (pl. porfirinszármazékokat, ftallocianin makrociklusokat). Redox-aktív fehérjéket kapcsoltak már karbon nanocsövekhez abból a célból, hogy a fehérje prosztetikus csoportja és az elektródfelszín közötti elektrontranszportot biztosítsák.

A közelmúltban sikerrel kötöttünk fotoszintetikus reakciócentrumokat egyfalú karbon nanocsövekhez. Megmutattuk, hogy

a) a reakciócentrumok az egyfalú karbon nanocsövekhez hozzákapcsolhatók úgy, hogy azok aktivitása megmarad.

b) A fehérjén belüli elektrontranszportban változás következik be, a változás nem destabilizálódás, hanem a szétválasztott töltések stabilizálódása).

c) A karbon nanocsövek és a reakciócentrum között redox-kölcsönhatás van.

Ezek az eredmények a közelmúlt eredményei, tehát nagyon sok továbblépési lehetőség van. A pályázó partnerek nagy tapasztalattal rendelkeznek a karbon nanocsövek és egyéb szervetlen nanostrukturák előállításában és karakterizálásában, így jó esély van arra, hogy megfelelő hordozó rendszert találjunk egy funkcionálisan sikeres immobilizáláshoz. Az eredmények előnyei és tervezett hasznosításai Az alapkutatások előnyei: kellő információt gyűjthetünk arról, hogy a RC nem-természetes környezete hogyan befolyásolja annak szerkezetét és működését. Különös figyelmet szentelünk a töltés-szétválasztás és stabilizálódás kinetikájára és energetikájára. Alkalmazott kutatások: A primer töltésszétválasztás különlegesen hatékony. Ilyen hatékony rendszert ember még nem tudott megalkotni. A klasszikus (szilíciumalapú) napenergiahasznosító berendezések messze vannak ettől a hatékonyságtól. Bármilyen információ, amit erről a nagyon hatékony energiakonvertáló rendszerről megtudunk, közelebb vihet bennünket egy nagyon hatékony mesterséges napenergiakonvertáló rendszer megalkotásához. Elképzelhető, hogy a fény által gerjesztett elektron hasznos munka végzésére fogható, a sok-sok alkalmazási lehetőség mellett pl. akár szennyező anyagok redukálására, vagy alternatív üzemanyagok előállítására is. Egy speciális alkalmazási lehetőség nyílik a nanotechnológia területén. Alkalmazás az oktatásban: Mivel a munka egyetemi tanszékeken/intézetekben folyik, lehetőség nyílik hallgatók bevonására a képzés legkülönbözőbb szintjein. Az eredmények és a tapasztalatok felhasználhatók az oktatási folyamatok során.

TUDOMÁNYÁGAK

Biológiai tudományokFizikai tudományok