Vonderviszt Ferenc

A négymilliárd éves nanotechnológia

A módosított fehérjék jelenlegi nanotechnológiai alkalmazásai alapvetően két csoportba sorolhatók: egyrészt specifikus molekulafelismerő képességüket kihasználva bioszenzorok alapelemeiként érzékelési feladatokra használhatjuk őket, másrészt önszerveződő képességüket kiaknázva kiválóan alkalmazhatóak molekuláris objektumok építésére.

Konkrét nanotechnológiai alkalmazásként hadd mutassam be, hogy miként hozhatunk létre rendezett kvantumpötty-mintázatokat módosított fehérjék segítségével (animáció).

Animáció: Fém nanogömbök előállítása módosított ferritin fehérjékkel

A kvantumpötty néhány nanométeres átmérőjű parányi fémsziget. A kvantummechanika szerint egy parányi fémpötty elektromos és optikai tulajdonságait (pl. színét, gerjeszthetőségét) elsősorban annak mérete, s nem pedig annak anyagi minősége határozza meg. A méret precíz kontrollja révén tehát az elektromos és optikai tulajdonságok is precízen szabályozhatók. Egy-egy ilyen fémszigetecske memóriaelemként funkcionálhat, amely akár egyetlen elektronnal vezérelhető. Kémiai úton rendkívül nehéz pontosan azonos méretű kvantumpöttyöket előállítani, fehérjék segítségével azonban egészen egyszerűen megvalósítható. A vérben található ferritin fehérje a vasatomok megkötését és tárolását végzi. 24 azonos alegységből áll, amelyek rendelkeznek az önszerveződés képességével, s spontán módon egy üreges, labdaszerű képződményt formálnak. A ferritin fémkötési tulajdonságainak génsebészeti módosításával különféle fémek specifikus felismerésére és megkötésére képes ferritinvariánsokat állíthatunk elő, például olyanokat, amelyek arany vagy éppen nikkel megkötésére képesek. A ferritingömböcskék az alegységek közötti pórusokon keresztül oldatban begyűjtik a megfelelő fémionokat, s a belsejükben egy szigorúan meghatározott méretű fémgömb alakul ki. A fehérjék kristályosíthatóságát kihasználva a fémmagot tartalmazó ferritinmolekulákból alkalmas felületen rendezett mintázatokat, ún. kétdimenziós kristályokat hozhatunk létre. Végeztül a fehérjeburkot eltávolítva (pl. UV- vagy hőkezeléssel) rendezett kvantumpötty-mintázathoz jutunk.

Hogyan csinálhatunk átformált fehérjéken alapuló bioszenzorokat? A korábbiakban láttuk már, hogy a magasabbrendűek immunrendszerében meghatározó szerepet játszó IgG-molekulák akár több millió féle idegen molekulát képesek megbízhatóan felismerni. Valójában a természet nagyszámú IgG-variánst generál, amelyek abban különböznek egymástól, hogy az antigénkötésben szerepet játszó felületi hurokrégiók aminosav-szekvenciája eltér egymástól, ezáltal különféle kötőfelületek jönnek létre. Az IgG doméneknél megfigyelt alapelveket alkalmazva más, eredetileg receptor tulajdonságokkal nem rendelkező fehérjék felületén is kialakíthatunk adott célmolekulára specifikus kötőhelyeket. Például Skerra és munkatársai a lipocalin fehérje felületi hurokrégióinak aminosav-szekvenciáit variálva nagyszámú mutánst hoztak létre (16. ábra), majd ezek közül megfelelő szelekciós eljárások alkalmazásával kiválasztották egy adott célmolekula erős és specifikus megkötésére képes módosulatokat. Az így előállított mesterséges receptorok bioszenzorok alapeleméül szolgálhatnak. Például az ún. rezgőnyelves bioszenzorokban receptorainkat egy nagyfrekvenciával rezgetett parányi sziliciumlapkára rögzítjük (17. ábra).

16. ábra

17. ábra