Lapcsalád
A tudomány és a gyógyítás
szolgálatában
Atudományos eredmények közvetlenül is hozzájáruljanak az emberek egészségének megőrzéséhez és a gyógyítás fejlődéséhez – ez a Szegedi Tudományegyetemen zajló kutatások egyik legfontosabb célja. Intézményünkben a klinikai tapasztalat, az alapkutatás és a modern technológiai fejlesztések szorosan összekapcsolódnak, így lehetőség nyílik arra, hogy a laboratóriumokban születő felfedezések minél gyorsabban jelenjenek meg a betegellátásban is. Az orvostudomány fejlődése ma elképzelhetetlen a különböző tudományterületek együttműködése és a korszerű kutatási infrastruktúra nélkül. Az utóbbi években az élettudományi kutatások egyik legnagyobb jelentőségű technológiai áttörését a krio-elektronmikroszkópia hozta el. A Nobel-díjas módszerrel elérhető, molekuláris szintű felbontás új távlatokat nyit a betegségek kialakulásának megértésében, a gyógyszerfejlesztésben és a személyre szabott terápiák kidolgozásában. A Szegedi Tudományegyetemen működő krio-elektronmikroszkópos kutatási platformtól ezért joggal várjuk, hogy olyan alapvető tudományos felismerésekhez járuljon hozzá, amelyek hosszú távon forradalmi változásokat hozhatnak az orvostudományban. Kiemelten fontosnak tartjuk, hogy kutatóink és hallgatóink a legmodernebb technológiák segítségével dolgozhassanak együtt a jövő gyógyítását meghatározó kérdéseken. Meggyőződésünk, hogy az ilyen csúcstechnológiákra épülő kutatási környezet nemcsak új tudományos eredmények megszületését teszi lehetővé, hanem hozzájárul ahhoz is, hogy az egyetemen születő felfedezések minél hamarabb a betegek javát szolgáló megoldásokká váljanak.
Prof. Dr. Rovó László rektor
ASzegedi Tudományegyetem fejlődése azon a meggyőződésen alapul, hogy a tudományos és infrastrukturális fejlesztések a jövőbe történő befektetést jelentik. Intézményünk számára kiemelten fontos, hogy korszerű kutatási és oktatási környezetet teremtsünk, amely támogatja hallgatóink sikerét, kutatóink eredményességét, valamint erősíti az egyetem hazai és nemzetközi versenyképességét. Évről évre azon dolgozunk, hogy tovább fejlesszük nemzetközi szintű képzési és kutatási kiválóságunkat.
Kutatásaink és innovációs projektjeink tervezésébe már a kezdetektől igyekszünk bevonni hallgatóink, kutatóink és együttműködő partnereink legkiválóbb képviselőit. Kutatás-fejlesztési hálózatunk meghatározó csomópontjai a Science Park Szeged, a Magyar Molekuláris Medicina Kiválósági Központnak is helyet adó Inkubátorház, valamint a Járműipari Kompetencia Központ. Élenjáró vállalkozásokkal építünk ki stratégiai együttműködéseket, miközben műszerközpontjainkat nemcsak saját kutatóink számára tesszük elérhetővé, hanem ipari partnereink előtt is megnyitjuk, elősegítve a tudományos eredmények gyakorlati hasznosulását.
Célunk, hogy a jövőben az egyetem minél több műszerközpontja váljon hozzáférhetővé a tudományos és ipari együttműködések számára. Hisszük, hogy a kutatási infrastruktúra megosztása új lehetőségeket teremt az innováció és a közös fejlesztések számára. Az együttműködések bővítésével az egyetem tudásbázisa még erőteljesebben járulhat hozzá a gazdaság és a társadalom fejlődéséhez.
4 Világszintű krio-elektronmikroszkóp központ a Szegedi Tudományegyetemen 4 – 7 | A LÁTHATATLANBÓL LÁTHATÓ
– 13 | KRIO-EM ADATGYŰJTÉS ÉS REKONSTRUKCIÓ
A Glacios 2 krio-EM és a számítógépes munkaállomások jelentősége
– 15 | ANYAGTUDOMÁNYI ANALÍZIS ÉS IN SITU VIZSGÁLATOK
A Talos F200i TEM és analitikai kiegészítőinek szerepe
16 Az Apreo 2 S LoVac SEM és a VolumeScope II szerepe 16 – 17 | FELÜLETVIZSGÁLAT ÉS TÉRFOGATI REKONSTRUKCIÓ
18 – 19 | NOBEL-DÍJAS TECHNOLÓGIA SZEGEDEN
18 Eredeti alakjukban és akár atomi felbontásban vizsgálhatók a biomolekulák, mikrobák és sejtek
20 – 21 | MIT ÁRUL EL A SEJTEK BELSŐ SZERKEZETE A BETEGSÉGEKRŐL?
22 – 23 | A TERMÉSZET MOLEKULÁITÓL AZ ATOMI FELBONTÁSIG
22 Új dimenziók a bioaktív anyagok kutatásában
24 – 25 | NANORÉSZECSKÉK A DAGANATTERÁPIA SZOLGÁLATÁBAN
24 Új perspektívák a sejtszintű folyamatok feltárásában
26 – 27 | ORSZÁGOS HÁLÓZATTÁ ÁLLT ÖSSZE A KRIO-EM
SZEGEDI EGYETEM MAGAZIN KÜLÖNSZÁM
IMPRESSZUM: Alapító kiadó: Szegedi Tudományegyetem, 6720 Szeged, Dugonics tér 13. • Felelős kiadó: prof. dr. Rovó László, az SZTE rektora • Készítette: SZTE Interdiszciplináris Kutatásfejlesztési és Innovációs Kiválósági Központ • Főszerkesztő: Bobkó Anna • Szöveg: Bobkó Anna, Szegedi Júlia, Bélteky Péter • Fotó: Bobkó Anna, Kovács-Jerney Ádám • Design, tördelés, nyomda: Innovariant Nyomdaipari Kft. (Algyő) • Szerkesztőség: 6720 Szeged Dugonics tér 13. • ISSN: 0230-791X • E-mail: ikikk@szte.hu • Honlap: www.u-szeged.hu/ikikk • Terjesztés: az SZTE rendezvényein, valamint épületeiben.
A LÁTHATATLANBÓL LÁTHATÓ
– Világszintű krio-elektronmikroszkóp központ a Szegedi Tudományegyetemen
Az SZTE új krio-elektronmikroszkóp központja nem csupán egy műszerfejlesztés, hanem tudatos stratégiai beruházás: egyszerre erősíti a kutatási kiválóságot, az oktatást, és a nemzetközi jelenlétet. A fejlesztés révén Szeged a régió meghatározó tudományos csomópontjává válhat, ahol a kutatók olyan folyamatokat vizsgálhatnak, amelyek eddig láthatatlanok voltak.
A technológia lényegét ismertetve Prof. Dr. Kónya Zoltán , a Szegedi Tudományegyetem tudományos és innovációs rektorhelyettese, valamint az SZTE Interdiszciplináris Kutatásfejlesztési és Innovációs Kiválósági Központ szakmai vezetője kiemelte, hogy a krio-elektronmikroszkópia egyik legnagyobb előnye a speciális mintafagyasztás. „Tulajdonképpen befagyasztjuk a pillanatot” – fogalmazott, hozzátéve: ez nem hagyományos fagyasztás. A mintát rendkívül gyorsan hűtik le úgy, hogy ne alakuljanak ki roncsoló jégkristályok, így a szerkezet a természetes állapotához nagyon közeli formában őrződik meg.
A LÁTHATATLAN VILÁG KAPUJA
A fejlesztés jelentőségét Prof. Dr. Csóka Ildikó , a Szegedi Tudományegyetem stratégiai főigazgatója, az SZTE IKIKK operatív vezetője úgy fogalmazta meg: „A láthatatlanból valami láthatóvá válik”. A kutatók eddig ugyanis sok esetben csak következtetni tudtak a sejtszintű folyamatokra, most azonban közvetlen megfigyelés válik lehetővé.
Prof. Dr. Csóka Ildikó kiemelte, hogy a technológia nemcsak tudományos áttörést jelent, hanem motiváló erővel is bír. „Nem kell többé a világ másik végére utazni Szegedről egy mérésért, sőt, ide tudjuk hívni a nemzetközi partnereket, akik inspirálhatják is a szegedi kutatókat. Jól látható, hogy a Szegedi Tudományegyetem nemzetközi hallgatói közössége jelentősen ösztönzi a magyar diákokat; ugyanez a hatás várható a kutatói közösség esetében is – hangsúlyozta. Hozzátette: ez a központ katalizátorként működik majd, amely egyszerre erősíti a kutatást és az oktatást.
Magyarországon hosszú ideig nem állt rendelkezésre krio-elektronmikroszkóp, ezért a kutatók méréseiket külföldi intézményekben végezték. Az érzékeny minták szállítása ráadásul speciális körülményeket igényel, ami további nehézségeket és kockázatokat jelent. Mint azt Prof. Dr. Kónya Zoltán elmondta: az egyetemen és a kapcsolódó kutatóintézetekben – különösen az orvosi, biológiai, kémiai és anyagtudományi területeken – régóta fennállt az igény egy ilyen infrastruktúra kiépítésére. A döntés így egyértelmű volt: Szegeden találkozott a tudományos igény és a megvalósítás lehetősége.
KUTATÁSTÓL AZ IPARI HASZNOSÍTÁSIG
A gyakorlati alkalmazásokról szólva Prof. Dr. Csóka Ildikó rámutatott, hogy a technológia egyik kulcsterülete a fehérjék térszerkezetének meghatározása.
„Atomi pontossággal láthatóvá válik, hogyan illeszkedik egy gyógyszermolekula a célfehérjéhez.”
– emelte ki, hozzátéve, hogy ez alapjaiban formálhatja át a gyógyszerfejlesztést.
Másik fontos alkalmazási irányként Prof. Dr. Kónya Zoltán a tomográfiát emelte ki, amely háromdimenziós képet ad a biológiai struktúrákról. Mint felidézte, a COVID-19 vírus szerkezetének feltárása is ilyen módszerekkel történt, ami jól mutatja a technológia jelentőségét.
Prof. Dr. Csóka Ildikó ehhez kapcsolódva hangsúlyozta, hogy a központ az innovációs lánc teljes spektrumát lefedi: az alapkutatástól a diagnosztikán át egészen a gyógyszeripari alkalmazásokig. Mint mondta, „nemcsak megértjük a jelenségeket, hanem célzott megoldásokat is tudunk rájuk adni”.
NEMZETKÖZI KAPU ÉS KRITIKUS TÖMEG
A nemzetközi szerepről szólva Prof. Dr. Csóka Ildikó kiemelte: a láthatósághoz elengedhetetlen a kritikus tömeg. „Ha sok kicsi műszer van sok helyen, az nem látszik. Egy ilyen központ viszont igen” –fogalmazott. Hangsúlyozta, hogy a nagy műszerplatformok koncentrálása az egyetem tudatos stratégiájának része. A régióban – különösen a Balkánon –jelenleg nincs hasonló infrastruktúra, így Szeged természetes belépési ponttá válhat az európai kutatási hálózatokba. „Ez egy kapu lesz Európa felé” – mondta, kiemelve a nemzetközi együttműködésekben rejlő lehetőségeket. A krio-elektronmikroszkópia központ szervesen illeszkedik a Szegedi Tudományegyetem elmúlt években kiépített fejlett műszerinfrastruktúrájába, az úgynevezett advanced core facility (ACF) hálózatba. Ez a rendszer – amelynek része többek között a Déli Klinikaparkban működő Biobank és a Szekvenáló Központi Laboratórium – egy olyan integrált kutatási környezetet alkot, amely lefedi a teljes innovációs láncot. Az alapkutatás és a preklini-
kai vizsgálatok eredményei innen zökkenőmentesen juthatnak el a klinikai alkalmazásig: ezt támogatja a létrehozott Fázis I. Vizsgálóhely is, amelyből a fejlesztések tovább léphetnek a klinikai II–III. fázisokba. Mindez lehetővé teszi, hogy egy tudományos felismerés – akár a sejtszintű megértéstől kiindulva –egészen a diagnosztikai vagy terápiás alkalmazásig eljusson. A krio-elektronmikroszkópia központ így nem elszigetelt egység, hanem egy komplex, egymásra épülő műszerplatform-hálózat meghatározó eleme, amely tovább erősíti az egyetem kutatási és innovációs kapacitását.
OKTATÁS ÉS JÖVŐ
A központ oktatási szerepéről mindkét vezető egybehangzóan úgy nyilatkozott, hogy a tudomány és az oktatás elválaszthatatlan. A labor köré oktatási terek is épülnek, ahol folyamatos nemzetközi kutatói jelenlétre számítanak.
A jövő kapcsán pedig arra hívták fel a figyelmet, hogy a krio-elektronmikroszkópia még csak fejlődésének elején tart.
A Szegedi Tudományegyetem ezzel a beruházással aktív formálójává válik a nemzetközi tudományos életnek, olyan infrastruktúrát biztosítva kutatóinak és hallgatóinak, amely közvetlen hozzáférést ad a tudomány jövőjéhez.
„Ma még csak a lehetőségek szélét érintjük, de már látszik, hogy egyre több területen válik meghatározóvá”
–
hangsúlyozta Prof. Dr. Kónya Zoltán.
A KRIO-ELEKTRONMIKROSZKÓPIA rövid története
A krio-elektronmikroszkópia (krio-EM) a modern szerkezeti biológia egyik legjelentősebb módszere, amely lehetővé teszi biomolekulák (pl. fehérjék, nukleinsavak) és sejtes/szöveti szerveződések (pl. mikrobák, sejttenyészetek) nagy felbontású vizsgálatát közel természetes, biológiailag aktív állapotukban. A technika kialakulása hosszú tudománytörténeti folyamat eredménye, amely a fizika, a kémia és a számítástechnika egymásra épülő fejlődésén alapul.
Az elektronmikroszkóp az 1930-as években jelent meg, amikor Ernst Ruska és munkatársai megalkották az első olyan berendezést, amely az optikai mikroszkópoknál lényegesen nagyobb felbontást ért el az elektronok hullámtermészetének kihasználásával. Ez az áttörés a tudomány számos területére (pl. anyagtudomány, nanotechnológia) hatással volt, és később, 1986-ban fizikai Nobel-díjjal ismerték el Ruska munkáját. Az elektronmikroszkóp azonban kezdetben nem bizonyult alkalmasnak biológiai minták részletes vizsgálatára, mivel az elektronnyaláb súlyosan károsította az érzékeny molekuláris struktúrákat, és a vákuumban történő vizsgálat torzította a természetes állapotukat. A kutatók így hosszú időn keresztül olyan módszereket kerestek, amelyekkel a minták szerkezete megőrizhető a mérés során.
A döntő áttörést az hozta, amikor a kutatók felismerték, hogy a víz gyorsfagyasztásával elkerülhető a kristályképződés, és így a minták szerkezete torzítás nélkül rögzíthető. A hagyományos fagyasztás során kialakuló jégkristályok ugyanis roncsolják a biomolekulákat, míg a rendkívül gyors hűtés hatására amorf, üvegszerű jég keletkezik, amely „befagyasztja” a molekulákat eredeti állapotukban. Ezt a vitrifikációnak elnevezett technikát Jacques Dubochet és munkatársai dolgozták ki az 1980-as években, és ez tette lehetővé, hogy biológiai mintákat valóban megőrzött szerkezettel lehessen elektronmikroszkópban vizsgálni. A vitrifikáció bevezetése alapvető fordulópont volt, mert megszüntette azt a korlátot, amely addig megakadályozta az elektronmikroszkópia széles körű biológiai alkalmazását.
(forrás: https://www.nobelprize.org)
A módszer fejlődésének következő kulcslépése a képfeldolgozás területén történt. Az elektronmikroszkópos felvételek ugyanis rendkívül zajosak, és csak kétdimenziós vetületeket tartalmaznak, ezért önmagukban nem alkalmasak pontos szerkezeti információk kinyerésére. Joachim Frank úttörő munkája során olyan matematikai és számítógépes eljárásokat dolgozott ki, amelyek lehetővé tették sok ezer egyedi részecskéről készült kép öszszehangolt feldolgozását és egy háromdimenziós szerkezet rekonstruálását. Ez az úgynevezett single-particle analízis forradalmasította a területet, mivel megszüntette a kristályosítás szükségességét, amely korábban a szerkezetmeghatározás egyik legnagyobb akadálya volt.
A módszer így lehetővé tette, hogy a biomolekulákat oldatbeli, funkcionálisan releváns állapotukban vizsgálják.
Richard Henderson munkássága szintén meghatározó volt a krio-elektronmikroszkópia fejlődésében. Már a 20. század végén demonstrálta, hogy az elektronmikroszkópia elvileg képes lehet atomi felbontás elérésére, ami sokáig inkább elméleti lehetőségnek tűnt.
Single-particle analízis forrás: https://www.nobelprize.org)
Az áttörés azonban csak a 2010-es években következett be, amikor új technológiai fejlesztések – különösen a direkt elektrondetektorok megjelenése és a fejlett képfeldolgozó algoritmusok – drámai javulást hoztak a felbontásban. Ez az időszak gyakran „felbontási forradalomként” ismert, és ennek során a krio-EM valóban versenyképes alternatívájává vált a röntgenkrisztallográfiának, sőt bizonyos esetekben túl is szárnyalta azt, különösen nagy és dinamikus fehérjekomplexek vizsgálatában. A krio-elektronmikroszkópia jelentőségét a tudományos közösség 2017-ben a kémiai Nobel-díj odaítélésével ismerte el, amelyet Jacques Dubochet, Joachim Frank és Richard Henderson kaptak. A díj indoklása szerint munkájuk lehetővé tette biomolekulák nagy felbontású szer-
kezetének meghatározását oldatban, ami alapvetően új perspektívát nyitott az élő rendszerek megértésében. Ez az elismerés jól tükrözi, hogy a krio-EM nem csupán egy új technikai eljárás, hanem egy olyan módszertani áttörés, amely mélyrehatóan átalakította a biológiai kutatásokat. Napjainkban a krio-elektronmikroszkópia kulcsszerepet játszik a molekuláris biológia és a gyógyszerkutatás területén. Segítségével olyan fehérjék és komplexek szerkezetük is meghatározhatóvá vált, amelyek korábban elérhetetlenek voltak más módszerekkel. Különösen fontos alkalmazási terület a vírusok és membránfehérjék vizsgálata, amelyek jelentős szerepet játszanak számos betegségben. A módszer előnye, hogy viszonylag kis mennyiségű mintával is működik, és lehetőséget ad különböző funkcionális állapotok megfigyelésére is, ami dinamikus képet nyújt a biomolekulák működéséről.
A krio-elektronmikroszkópia fejlődése ma már nemcsak nemzetközi áttörésekben, hanem a kutatási infrastruktúra bővülésében is megmutatkozik. Kiemelkedő jelentőségű, hogy Szegeden jött létre az első hazai műszerközpont, ahol ez a technika elérhetővé válik, megszüntetve egy korábbi hiányt a magyar tudományban.
A Szegedi Tudományegyetemen kiépülő központ korszerű, több elektronmikroszkópos megközelítést egyesítő műszerparkkal teszi lehetővé a különböző anyagok vizsgálatát, jelentősen hozzájárulva a hazai szerkezeti biológiai, gyógyszertudományi, molekuláris biológiai, anyagtudományi, illetve nanotechnológiai kutatások fejlődéséhez.
(forrás: https://www.nobelprize.org)
MINTÁK ELŐKÉSZÍTÉSE ÉS SZŰRÉSE
A Vitrobot és Tundra
krio-elektronmikroszkóp
A krio-elektronmikroszkópos vizsgálatok egyik legkritikusabb lépése a mintaelőkészítés, amely alapvetően meghatározza a későbbi szerkezetmeghatározás sikerét. A modern krio-EM munkafolyamatok központi eleme a merülő fagyasztásos (plunge freezing) eljárás, amelyet Szegeden a Thermo Scientific Vitrobot rendszer segítségével valósítanak meg. Ennek lényege, hogy a vizes biomolekuláris mintát rendkívül gyorsan lehűtik, így a víz nem kristályosodik ki, hanem amorf, üvegszerű jeget képez, amely megőrzi a molekulák natív szerkezetét.
AHOL A MINTÁBÓL MÉRHETŐ SZERKEZET LESZ
A Vitrobot egy félautomata, számítógép-vezérelt berendezés, amely kontrollált környezetben végzi a teljes folyamatot, biztosítva a reprodukálhatóságot és a magas minőségű mintákat. Ezeket először egy vékony rétegben kerül fel a mikroszkópos mintatartó rácsra (grid), majd egy felitató (blotting) lépés során szűrőpapírral eltávolítják a felesleges folyadékot, hogy megfelelő vastagságú film alakuljon ki. Ezt követően a gridet rendkívül gyors mozdulattal folyékony etánba merítik, ahol a hűtés olyan gyors, hogy a vízmolekulák nem tudnak kristályrácsba rendeződni. A rendszer egyik legfontosabb előnye, hogy a kritikus paraméterek – például a felcseppentés hőmérséklete, a páratartalom, a felitatás ideje és a fagyasztási sebesség – pontosan szabályozhatók, így konzisztens és jó minőségű vitrifikált minták állíthatók elő. A minták ezt követően folyékony nitrogénben tárolva kerülnek át a mikroszkópba. A vitrifikáció azonban önmagában még nem garantálja a sikeres szerkezetmeghatározást. A krio-EM egyik sajátossága, hogy a minta minősége erősen változó lehet. Emiatt a minták előzetes vizsgálata, azaz az úgynevezett „screening” kulcsfontosságú lépés. Ez a folyamat tipikusan alacsonyabb felbontású, de gyors és informatív mérésekből áll, amelyek alapján eldönthető, hogy egy adott minta alkalmas-e nagy felbontású adatgyűjtésre. Az úgynevezett atlasz nézetben a minták nagyobb területének áttekintése során különösen fontos bizonyos tipikus hibák felismerése. Ilyenkor figyelni kell
a jégvastagság egyenletességére, a túl vastag vagy túl vékony régiók jelenlétére, valamint a jégkristályok kialakulására, amelyek rontják a képminőséget. Emellett jól láthatók az esetleges szennyeződések, törések vagy a rács mechanikai sérülései is. A biomolekulák eloszlása szintén kulcsfontosságú: az aggregáció, az üres területek vagy az erősen preferált orientációk mind arra utalhatnak, hogy a minta nem optimális a további mérésekhez.
AI-ALAPÚ TÁMOGATÁS A MINTASZŰRÉSBEN
Ebben a lépésben kap kiemelt szerepet a Thermo Scientific Tundra krio-transzmissziós elektronmikroszkóp . A Tundra kifejezetten úgy lett kialakítva, hogy gyors és hatékony mintaszűrést és optimalizálást tegyen lehetővé, miközben viszonylag egyszerű kezelhetőséget biztosít. A rendszer egyik legnagyobb előnye, hogy a minták gyorsan betölthetők és cserélhetők, így rövid időn belül visszajelzést ad a minta minőségéről, ami jelentősen felgyorsítja az iteratív optimalizálási folyamatot. Egy-egy grid vizsgálata akár perceken belül elvégezhető, így egy nap alatt több minta is értékelhető.
A Tundra mikroszkóp nemcsak egyszerű megfigyelést tesz lehetővé, hanem strukturális információt is szolgáltat biológiailag releváns felbontásban, ami segít annak eldöntésében, hogy a minta alkalmas-e további, nagy felbontású mérésekre. Az integrált, részben automatizált szoftverek és az AI-alapú kiértékelés támogatják a felhasználót a minták gyors összehasonlításában és optimalizálásában, csökkentve a szükséges szakértői beavatkozás mértékét. Ez különösen fontos, mivel a krio-EM mintakészítés gyakran több iterációt igényel, és a nem megfelelő minták hosszadalmas, drága mérésekhez vezethetnek, ha nem szűrik ki őket időben.
Összességében a Vitrobot és a Tundra egymást kiegészítő eszközök a modern krio-EM munkafolyamatban. A Vitrobot biztosítja a megfelelő minőségű, vitrifikált minták előállítását kontrollált körülmények között, míg a Tundra lehetővé teszi ezek gyors és hatékony előszűrését. Ez a kombináció jelentősen növeli a szerkezetmeghatározás hatékonyságát, mivel csak a valóban ígéretes minták kerülnek tovább a nagy felbontású, idő- és erőforrás-igényes mérések felé.
KRIO-EM ADATGYŰJTÉS ÉS REKONSTRUKCIÓ
A Glacios 2 krio-EM és a számítógépes munkaállomások jelentősége
A Thermo Scientific Glacios 2 egy modern, adatgyűjtésre optimalizált krio-transzmissziós elektronmikroszkóp, amely kulcsszerepet tölt be a szerkezeti biológiai vizsgálatokban. A műszer feladata, hogy a megfelelően előkészített, vitrifikált mintákból nagy mennyiségű, jó minőségű képi adatot gyűjtsön, amelyekből később számítógépes módszerekkel háromdimenziós szerkezetek rekonstruálhatók. A Glacios 2 ebben a folyamatban az úgynevezett „adatgyűjtő mikroszkóp” szerepét tölti be: stabil működése, automatizáltsága és megbízhatósága lehetővé teszi a hosszú, akár több napon át tartó méréseket is.
TISZTÁBB KÉPEK, PONTOSABB SZERKEZETEK
A rendszer egyik fontos jellemzője, hogy korszerű detektorokkal és energiaszűrővel kombinálva jelentősen javítja a képminőséget. Az Selectris energiaszűrő kiszűri a rugalmatlanul szórt elektronokat, ezáltal növeli a kontrasztot és a jel-zaj arányt, ami különösen fontos a kis méretű vagy alacsony kontrasztú biomolekulák vizsgálatánál. Ennek köszönhetően a Glacios 2 teljesítménye megközelítheti a nagyobb, 300 kV-os rendszerek felbontását, miközben működése egyszerűbb és költséghatékonyabb marad.
A Glacios 2 által támogatott legfontosabb mérési megközelítések közé tartozik az egyedi részecske analízis, a krio-elektrontomográfia és a mikrokristály elektrondiffrakció. Az egyedi részecske analízis, vagyis single particle analízis során sok ezer vagy akár millió azonos biomolekuláris részecskéről készülnek képek, amelyek különböző orientációkban jelennek meg a vitrifikált jégben. Ezeket a képeket számítógépes algoritmusok segítségével összehangolják és átlagolják, így nagy felbontású háromdimenziós szerkezet állítható elő. Ez a módszer különösen alkalmas fehérjekomplexek és nagy makromolekulák vizsgálatára, ez napjainkban a krio-EM legelterjedtebb alkalmazása.
BIOMOLEKULÁK TERMÉSZETES KÖRNYEZETBEN
A krio-elektrontomográfia ezzel szemben inkább komplexebb, nagyobb rendszerek – például sejtek vagy sejtrészletek – vizsgálatára szolgál. Ebben az esetben ugyanarról a mintaterületről készülnek felvételek különböző döntési szögek mellett, majd ezekből térbeli rekonstrukció készül. A módszer lehetővé teszi, hogy a biomolekulákat természetes környezetükben, sejten belüli kontex tusban tanulmányozzuk, még ha a felbontás általában alacsonyabb is, mint az egyedirészecske-analízis esetében.
A mikrokristály elektrondiffrakció, vagyis MicroED egy harmadik megközelítés, amely a kristályos minták vizsgálatára épül. Itt nem közvetlen képeket, hanem diffrakciós mintázatokat rögzítenek, amelyekből a kristályszerkezet határozható meg. Ez különösen hasznos olyan esetekben, amikor csak nagyon kis méretű kristályok állnak rendelkezésre, amelyek hagyományos röntgenkrisztallográfiával nem vizsgálhatók.
HÁROMDIMENZIÓS ADATOK VIZUALIZÁCIÓJA ÉS ELEMZÉSE
A Glacios 2 egyik legnagyobb előnye, hogy ezekhez a módszerekhez stabil és automatizált adatgyűjtést biztosít. A modern szoftverek képesek önállóan kiválasztani a megfelelő mérési területeket, beállítani az optimális képalkotási paramétereket, és folyamatosan gyűjteni az adatokat. Ez nemcsak a mérési időt csökkenti, hanem növeli az adatok egységességét és minőségét is. Az ilyen automatizált működés különösen fontos, mivel egy-egy nagy felbontású szerkezet meghatározásához hatalmas mennyiségű adat szükséges.
A gyakorlatban a Glacios 2 gyakran egy komplex mérési lánc részeként működik.
A minták előzetes ellenőrzése után – például egy szűrő mikroszkópon – a legígéretesebb minták kerülnek át erre a berendezésre, ahol a tényleges, nagy mennyiségű adatgyűjtés történik. Ez a lépés kulcsfontosságú, mivel a mérési idő és az erőforrások jelentős része itt koncentrálódik, ezért csak jól előkészített és validált mintákkal érdemes dolgozni.
A krio-elektronmikroszkópia ugyanakkor nem kizárólag a biológiai rendszerek vizsgálatára korlátozódik.
Az anyagtudomány és a nanotechnológia területén is egyre nagyobb szerepet kap, különösen olyan rendszerek esetében, amelyek érzékenyek az elektronynyaláb okozta károsodásra vagy a vákuum hatásaira.
Krio körülmények között lehetőség nyílik például lágy anyagok, polimerek, nanorészecskék vagy elektrokémiai rendszerek stabilabb vizsgálatára, mivel az alacsony hőmérséklet csökkenti a sugárkárosodást és megőrzi az eredeti szerkezetet. Emellett a módszer alkalmas lehet folyadékfázisú vagy dinamikus folyamatok „pillanatfelvételszerű” rögzítésére is, ami új perspektívát nyit a nanoméretű rendszerek működésének megértésében.
A krio-EM adatgyűjtést követően a szerkezetmeghatározás egyik legnagyobb számítási igényű lépése a képfeldolgozás és a háromdimenziós rekonstrukció, amely ma már elengedhetetlenül GPU-alapú munkaállomásokon történik. A nagyméretű adathalmazok –gyakran több millió részecske felvételei – feldolgozása párhuzamos számítási kapacitást igényel, amit a grafikus processzorok hatékonyan biztosítanak. Az egyedi részecske analízis esetében a CryoSPARC és a Relion szoftverek számítanak a legelterjedtebbnek, amelyek GPU-gyorsítással teszik lehetővé a részecskék kiválogatását, osztályozását és nagy felbontású térképek rekonstruálását. A krio-elektrontomográfia területén az Amira és az Avizo kínálnak fejlett eszközöket a háromdimenziós adatok vizualizációjára és elemzésére.
A szegedi krio-EM műszerközpontban ezek a korszerű GPU munkaállomások és szoftveres környezetek egyaránt rendelkezésre állnak, így a minták előkészítésétől és mérésétől kezdve egészen a végső szerkezeti modellek előállításáig teljes, integrált kutatási infrastruktúra biztosított.
Anyagtudományi analízis és in situ vizsgálatok
A Talos F200i TEM és analitikai kiegészítőinek szerepe
A transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) az egyik legalapvetőbb eszköz a nanoszerkezetek részletes vizsgálatában, mivel lehetővé teszi a minták szerkezetének, kristályosságának és összetételének egyidejű tanulmányozását. A Thermo Fisher Talos F200i egy 200 kV-os gyorsítófeszültségen működő, többcélú transzmissziós elektronmikroszkóp, amelyet elsősorban anyagtudományi és nanotechnológiai alkalmazásokra terveztek. A műszer szerepe ebben a környezetben az, hogy nagy felbontású képi és diffrakciós információt szolgáltasson, valamint kiegészítő analitikai módszerekkel támogassa a minta részletes jellemzését.
A Talos F200i különböző képalkotási módokat támogat, amelyek egymást kiegészítve adnak átfogó képet a vizsgált rendszerről. A hagyományos TEM-üzemmód elsősorban morfológiai információt nyújt, míg a pásztázó TEM (STEM) lehetővé teszi a nagy kontrasztú, lokális vizsgálatokat. A nagyfelbontású TEM (HRTEM) segítségével atomi léptékű rácsszerkezetek is megfigyelhetők, ami különösen fontos kristályos anyagok, nanorészecskék vagy vékonyrétegek esetében. A diffrakciós módok – például kiválasztott területű elektrondiffrakció (SAED) – további információt adnak a kristályszerkezetről és a fázisösszetételről.
A szerkezeti vizsgálatokat a Bruker XFlash 6|30 energiadiszperzív röntgenspektroszkópiai (EDS) detektor egészíti ki, amely lehetővé teszi a minta elemi összetételének meghatározását. Az elektronnyaláb által gerjesztett karakterisztikus
röntgensugárzás detektálásával kvalitatív és kvantitatív információ nyerhető az egyes elemek jelenlétéről. A modern szilícium drift detektor (SDD) kialakítás gyors adatgyűjtést és jó energiafelbontást biztosít, így akár nagy térbeli felbontású elemtérképek is készíthetők.
Ez különösen hasznos többkomponensű rendszerek – például ötvözetek, heterogén nanorészecskék vagy funkcionális bevonatok – vizsgálatánál, ahol az elemek eloszlása közvetlenül befolyásolja az anyag tulajdonságait.
A mikroszkóp egyik fontos kiegészítője a NanoEx-i/v MEMS alapú fűthető mintatartó, amely lehetővé teszi az úgynevezett in situ vizsgálatokat. Ennek során a minta kontrollált módon melegíthető a mikroszkóp vákuumterében, miközben a szerkezeti változások valós időben követhetők. A MEMS technológián alapuló holder gyors és stabil hőmérséklet-szabályozást biztosít, alacsony drift mellett, ami elengedhetetlen a nagy felbontású mérésekhez.
Az in situ TEM különösen alkalmas dinamikus folyamatok vizsgálatára. Ilyenek például a fázisátalakulások, kristálynövekedési folyamatok, diffúzió vagy nanorészecskék szerkezeti átrendeződése. Katalitikus rendszerek esetében megfigyelhető az aktív fázis kialakulása vagy változása, míg energiatároló anyagoknál a működés közbeni szerkezeti módosulások követhetők nyomon. Az ilyen mérések fontos kiegészítést jelentenek a statikus vizsgálatokhoz képest, mivel közvetlen információt adnak a folyamatok mechanizmusáról.
A Talos F200i így egy komplex analitikai eszközként illeszkedik a modern elektronmikroszkópos munkafolyamatba. Míg a krio-EM rendszerek elsősorban biológiai minták vizsgálatára és nagy felbontású szerkezetmeghatározásra szolgálnak, addig a Talos F200i elsősorban szobahőmérsékletű, anyagtudományi minták részletes szerkezeti és kémiai analízisében játszik kulcsszerepet. A képalkotás, diffrakció és elemanalízis kombinációja, valamint az in situ lehetőségek révén átfogó képet ad az anyagok felépítéséről és viselkedéséről.
Összességében a Talos F200i a vizsgálati lánc azon elemét képviseli, ahol a nanoszerkezet és az összetétel részletes feltárása történik, kiegészítve a mintakészítési és adatgyűjtési lépéseket. Ez a szerep különösen fontos olyan kutatásokban, ahol az anyag funkcionális tulajdonságai szorosan összefüggnek a lokális szerkezeti és kémiai jellemzőkkel.
Felületvizsgálat és térfogati
rekonstrukció
Az Apreo 2 S LoVac SEM és a VolumeScope II szerepe
A pásztázó elektronmikroszkópia (SEM) az egyik legszélesebb körben alkalmazott módszer a minták felszíni morfológiájának és mikroszerkezetének vizsgálatában. A Thermo Fisher Apreo 2 S LoVac egy korszerű, nagy felbontású SEM rendszer, amelyet úgy terveztek, hogy különböző típusú mintákon, beleértve a nem vezető, érzékeny vagy összetett felépítésű anyagokat is, stabil és reprodukálható képalkotást biztosítson. A berendezés elsősorban a minták felszíni tulajdonságainak feltárására szolgál, azonban a megfelelő detektálási módokkal és mérési beállításokkal a szerkezeti különbségek és heterogenitások is jól vizsgálhatók. A rendszer különösen hasznos olyan kutatásokban, ahol a mikrométeres és nanométeres léptékű struktúrák közvetlenül befolyásolják az anyag fizikai vagy kémiai tulajdonságait.
A mikroszkóp egyik fontos előnye a rugalmas képalkotási lehetőség, amely különböző detektorokon és kontrasztmechanizmusokon alapul. Ennek köszönhetően a felhasználó a vizsgálat céljától függően kiemelheti a felszíni topográfiát vagy az anyagi összetételből adódó különbségeket.
A különböző detektorok által szolgáltatott informá-
ciók egymást kiegészítve adnak átfogó képet a mintáról, így ugyanazon területről többféle szempontból is értelmezhető adat nyerhető. Az alacsony vákuumú üzemmód különösen nagy jelentőségű, mivel lehetővé teszi nem vezető minták vizsgálatát vezető bevonat alkalmazása nélkül. Ez nemcsak a mintaelőkészítést egyszerűsíti, hanem biztosítja, hogy a minta eredeti állapota változatlan maradjon, ami például biológiai vagy lágy anyagok esetében kiemelten fontos.
A rendszer kialakítása a stabil és jól reprodukálható méréseket támogatja, ami alapvető követelmény mind kutatási, mind rutinszerű alkalmazások esetén.
A precíz mintapozicionálás lehetővé teszi ugyanazon területek ismételt vizsgálatát, ami különösen
hasznos időfüggő folyamatok, vagy különböző kezelések hatásának tanulmányozásakor. Az automatizált beállítások csökkentik a felhasználói beavatkozás mértékét, miközben növelik a mérési eredmények egységességét. A beépített kamerarendszerek és navigációs eszközök megkönnyítik a mintán belüli tájékozódást, így a nagyobb vagy komplex geometriájú minták vizsgálata is hatékonyan végezhető. Ennek eredményeként a mérési folyamat nemcsak gyorsabbá, hanem megbízhatóbbá is válik.
A rendszer egyik kiemelt kiegészítője a VolumeScope II, amely lehetővé teszi a minták háromdimenziós vizsgálatát sorozatmetszéses megközelítéssel.
A módszer során egy beépített gyémántkés egymást követően nagyon vékony rétegeket távolít el a mintából, és minden egyes metszési lépést követően SEM felvétel készül a frissen feltárt felületről. Ez a ciklikus folyamat egy olyan képsorozatot eredményez, amely a minta belső szerkezetét rétegről rétegre tárja fel.
A legegyszerűbb mérési megközelítésben minden metszethez egyetlen felvétel tartozik, amely elegendő lehet a teljes térfogat általános rekonstrukciójához.
Ugyanakkor lehetőség van arra is, hogy egy adott metszési síkról több különböző területről készüljön felvétel. Ez különösen akkor hasznos, ha nagyobb térfogatot szeretnénk lefedni, vagy ha egy adott mintán belül különböző régiókat kell részletesen vizsgálni. Ebben az esetben a különböző képek kombinálásával egy kiterjedtebb vagy nagyobb felbontású térfogati rekonstrukció hozható létre.
A “z” irányú felbontást ebben a módszerben alapvetően a metszések vastagsága határozza meg, amely tipikusan 40–50 nm nagyságrendű. Ez azt jelenti, hogy a térbeli információ ilyen lépésközökkel áll rendelkezésre a rekonstrukció során. Létezik azonban olyan mérési stratégia is, amely tovább javítja a mélységi információ felbontását. Ebben az esetben ugyanarról a frissen feltárt felületről különböző gyorsítófeszültségek mellett készülnek felvételek.
A gyorsítófeszültség növelésével az elektronok mélyebbre hatolnak a mintában, így különböző mélységekből származó információ jelenik meg a képen. Az így nyert adatok kombinálásával a “z” irányú felbontás jelentősen javítható, és ideális esetben akár 10 nm körüli érték is elérhető.
Az így gyűjtött képsorozatokból háromdimenziós rekonstrukció készíthető, amely részletes képet ad a minta belső felépítéséről. Ez különösen fontos olyan rendszereknél, ahol a térbeli szerkezet meghatározza a működést, például porózus anyagok, kompozitok vagy biológiai minták esetében. A módszer automatizálhatósága lehetővé teszi, hogy nagymennyiségű adat egységes körülmények között kerüljön rögzítésre, ami megbízható és kvantitatív elemzések alapját képezi.
Összességében az Apreo 2 S LoVac és a VolumeScope II egy olyan integrált rendszert alkot, amely a hagyományos felületvizsgálatot háromdimenziós térfogati analízissel egészíti ki. Ez a kombináció különösen értékes olyan kutatási területeken, ahol a minta belső szerkezete és annak térbeli szerveződése alapvetően befolyásolja az anyag tulajdonságait, és ahol a kétdimenziós megközelítés önmagában nem elegendő a teljes kép megértéséhez.
Nobel-díjas technológia SZEGEDEN
Eredeti alakjukban és akár atomi felbontásban vizsgálhatók a biomolekulák, mikrobák és sejtek
A krio-elektronmikroszkópia (cryo-EM) az elmúlt évtized egyik legnagyobb áttörése a szerkezeti biológiában, melynek fejlesztését 2017-ben kémiai Nobel-díjjal ismerték el. A platform lehetővé teszi, hogy a kutatók úgy tanulmányozzák a biológiai molekulákat, ahogyan azok az élő rendszerekben ténylegesen jelen vannak.
„A hagyományos fénymikroszkópokkal bizonyos méret alatt már nem lehet részleteket megfigyelni. Az elektronmikroszkópok viszont elektronokat használnak fény helyett, így sokkal kisebb struktúrák – akár molekuláris szerveződések – is láthatóvá válnak” –mondta Bélteky Péter laborvezető.
A „LEFAGYASZTOTT PILLANAT” A MOLEKULÁK VILÁGÁBAN
A krio-elektronmikroszkópia különlegessége, hogy a mintákat rendkívül gyorsan, közel –196 °C-ra hűtik le. Ez a módszer megakadályozza, hogy a víz jégkristályokat képezzen, így a biomolekulák eredeti szerkezete változatlan marad.
„Olyan, mintha lefagyasztanánk egy pillanatot az életből. A molekulák abban az állapotban maradnak meg, ahogyan a természetben is működnek, így pontosabban megérthetjük a működésüket” – magyarázta a kutató. Ez különösen fontos például vírusok vizsgálatánál. A módszerrel részletesen feltérképezhető egy vírus szerkezete, például az a fehérje, amellyel a sejtekhez kapcsolódik, ilyen kutatások
segítették a tudósokat a járvány idején a COVID-19 vírusának megértésében is.
SEGÍTHET A GYÓGYSZERFEJLESZTÉSBEN ÉS A BETEGSÉGEK KUTATÁSÁBAN
Ha a kutatók pontosan látják egy biomolekula, például fehérje térbeli szerkezetét, könnyebben megérthetik azt is, hogyan kapcsolódnak hozzá más molekulák, például gyógyszerhatóanyagok.
„A gyógyszerek sokszor úgy működnek, hogy egy specifikus molekulához kapcsolódnak a szervezetben. Ha ismerjük ennek a molekulának a pontos szerkezetét, meg tudjuk vizsgálni, hogy egy potenciális gyógyszer képes-e kialakítani ezt a kölcsönhatást” – mondta Bélteky Péter.
A módszer a neurodegeneratív betegségek kutatásában is fontos lehet. Az olyan kórképek hátterében, mint az Alzheimer-kór vagy a Parkinson-kór, gyakran fehérjeaggregátumok – úgynevezett plakkok – kialakulása áll. A krio-elektronmikroszkópia segíthet megérteni, hogyan jönnek létre ezek a szerkezetek.
SEGÍT AZ ANYAGTUDOMÁNYBAN IS
A kutatók szerint az új elektronmikroszkópok nemcsak az orvosbiológiai kutatásokban, hanem az anyagtudomány területén is fontos szerepet kaphatnak. A nanoméretű szerkezetek vizsgálata segíthet például új akkumulátorok, korszerű bevonatok vagy különleges tulajdonságú nanorészecskék fejleszté-
sében. Az ilyen anyagok szerkezetének pontos megismerése azért kulcsfontosságú, mert a tulajdonságaik – például a vezetőképességük, stabilitásuk vagy reakcióképességük – gyakran a nanoméretű struktúrájukból adódnak. Az elektronmikroszkópos vizsgálatok így hozzájárulhatnak ahhoz, hogy a kutatók hatékonyabb energiatárolási megoldásokat, új szenzorokat vagy akár fejlettebb ipari anyagokat tervezzenek.
NÉGY KÜLÖNBÖZŐ MIKROSZKÓP EGY KUTATÓKÖZPONTBAN
A szegedi műszerközpontban összesen négy elektronmikroszkóp áll majd a kutatók rendelkezésére.
A két új krio-elektronmikroszkóp - a Tundra és a Glacios 2 - elsősorban biológiai molekulák, például fehérjék vagy mikrobák és sejtek szerkezetének vizsgálatára szolgál. A kutatók először az egyik berendezéssel ellenőrzik a minták minőségét, majd a másikkal részletes adatokat gyűjtenek, amelyekből háromdimenziós molekulamodellek készíthetők.
A műszerpark része továbbá egy Talos F200i transzmissziós elektronmikroszkóp és egy Apreo 2S pásztázó elektronmikroszkóp is.
Ezek elsősorban anyagtudományi kutatásokban használhatók: például nanorészecskék, új funkcionális anyagok vagy akkumulátorok szerkezetének vizsgálatára.
„Nanoméretű szerkezetek gyakorlatilag mindenhol jelen vannak körülöttünk: az elektronikai eszközökben, akkumulátorokban, bevonatokban vagy akár a naptejekben is. Ahhoz, hogy biztonságosan és hatékonyan használjuk ezeket az anyagokat, meg kell értenünk a szerkezetüket” – mondta a kutató.
REGIONÁLIS KUTATÁSI KÖZPONT LEHET SZEGED
A krio-elektronmikroszkópia eddig nem volt elérhető Magyarországon, ezért a hazai kutatók gyakran külföldi laborokban végezték el ezeket a vizsgálatokat. A tervek szerint a központ a jövőben nemcsak a szegedi kutatók számára lesz elérhető, hanem országos és nemzetközi együttműködésekben is szerepet kaphat.
A kutatók szerint az új műszerpark nemcsak a tudományos kutatásokban hozhat előrelépést, hanem hosszabb távon ipari együttműködések, például gyógyszerfejlesztési vagy anyagtudományi projektek, alapja is lehet.
Mit árul el a sejtek belső szerkezete a betegségekről?
A Szegedi Tudományegyetem krio-elektronmikroszkóp műszerparkja új lehetőségeket nyit a sejtek és biomolekulák finomszerkezeti vizsgálatában. Az infrastruktúra a hazai kutatók számára is elérhetővé teszi azt a technológiát, amellyel a sejtek belső struktúrái szinte természetes állapotukban tanulmányozhatók.
Dr. Szilágyi-Szögi Titanilla biológus kutatásainak középpontjában éppen ezek a sejten belüli szerkezeti változások állnak. Munkája diagnosztikai minták vizsgálatára épül, emellett részt vesz több kutatási projektben. Ezekhez a projektekhez olyan mintákat használnak fel, melyek diagnosztikus céllal érkeztek a laborba. A cél, hogy a sejtszintű és szubcelluláris eltérések feltárásával jobban megértsék a különböző betegségek hátterében zajló folyamatokat.
A kutató jelenleg két fő projekten dolgozik patológusokkal együttműködésben. Az egyik a klorokin hatóanyag tartalmú gyógyszerhez köthető szívizomkárosodás ultrastrukturális jellemzőit vizsgálja, míg a másik emlőtumorok sejtszerkezetét tanulmányozza.
Utóbbi esetében különösen fontos kérdés, hogy bizonyos molekuláris markerek a sejten belül pontosan hol helyezkednek el, és milyen szerepet tölthetnek be a daganatos folyamatokban.
A MITOKONDRIUMOK SZEREPE A SEJTKÁROSODÁSBAN
A vizsgálatok egyik kulcsszereplője a mitokondrium, a sejtek energiatermelő „erőműve”. Számos betegség esetében ezeknek a sejtszervecskéknek a szerkezete és működése is megváltozik. A mitokondriális hálózat térbeli szerveződésének vizsgálata ezért fontos információkat adhat a sejtkárosodás mechanizmusairól.
Bizonyos betegségekben a sejtek belső szerkezete jellegzetesen megváltozik. A klorokin okozta szívizomkárosodás esetében például apró, görbült vonalakra emlékeztető képződmények jelennek meg a sejtekben. Ezeket kurvilineáris testeknek nevezik, és olyan kicsik, hogy csak elektronmikroszkóppal lehet őket kimutatni. Ezek háromdimenziós szerkezetének részletes vizsgálata segíthet pontosabban megérteni a kóros folyamat jellegét és súlyosságát.
MIT AD HOZZÁ A KRIOELEKTRONMIKROSZKÓPIA?
A módszer lehetővé teszi, hogy a biológiai mintákat rendkívül gyors fagyasztással rögzítsék, így a sejtszerkezetek közel természetes állapotukban vizsgálhatók. A sejtszervecskék, membránok és fehérjekomplexek így torzulás nélkül figyelhetők meg.
Az új krio-elektronmikroszkópos platform mikroszkópjai közül az Apreo mikroszkóp ebben a kutatásban különösen fontos szerepet játszhat, ugyanis a mikroszkóp segítségével a kutatók tomográfiás vizsgálatokat, háromdimenziós szerkezeti méréseket tudnának csinálni.
Ez a megközelítés új perspektívát nyithat a sejtszintű kóros folyamatok vizsgálatában. A kutatók
olyan finomszerkezeti eltéréseket is azonosíthatnak, amelyek korábban rejtve maradtak, és amelyek fontos szerepet játszhatnak a betegségek kialakulásában vagy előrehaladásában.
ÚJ LEHETŐSÉGEK A DIAGNOSZTIKÁBAN
Hosszabb távon az ilyen vizsgálatok a diagnosztika fejlődéséhez is hozzájárulhatnak. Ha pontosabban megérthető, hogyan változik meg a sejtek belső szerkezete egy-egy betegség során, új biomarkerek azonosíthatók, ami a célzottabb terápiák fejlesztését is segítheti.
Az új szegedi infrastruktúra emellett az interdiszciplináris együttműködéseknek is lendületet adhat: öszszekapcsolhatja a patológiai diagnosztikát, a molekuláris biológiát és az alapkutatást. A sejtek világának részletes feltérképezése így nemcsak új tudományos eredményekhez vezethet, hanem a betegségek mélyebb megértéséhez is hozzájárulhat.
A TERMÉSZET MOLEKULÁITÓL
AZ ATOMI FELBONTÁSIG
Új dimenziók a bioaktív anyagok kutatásában
A természetes anyagok kémiájának és farmakológiájának határterületein dolgozó kutatócsoportok számára a krio-elektronmikroszkópia nem pusztán új eszköz, hanem szemléletváltás: olyan mélységű betekintést kínál a bioaktív vegyületek működésébe, amely korábban elérhetetlen volt. Prof. Dr. Hunyadi Attilát arról kérdeztük, miként kapcsolódik össze a természet inspirálta gyógyszerkutatás, a komplex élő rendszerek vizsgálata és az új generációs kutatási infrastruktúra, valamint milyen tudományos és innovációs áttöréseket hozhat mindez a közeljövőben.
- Milyen tudományterületi fókusz mentén végzi kutatásait, és melyek azok a kulcskérdések, amelyek jelenleg meghatározzák munkáját?
- Kutatási területem a tágabb értelemben vett természetes anyag kémia, annak minden, elsősorban kismolekulás kémiai és farmakológiai vonatkozásával. Ennek megfelelően foglalkozunk bioaktív természetes anyagok analízisével és tiszta formában való előállításával, félszintetikus módosításaikkal, analógjaik totálszintézisével, és az előállított anyagok egészséggel összefüggésbe hozható biológiai hatásainak vizsgálatával. Kutatásaink középpontjában nagy kihívást jelentő krónikus betegségeket megelőzni és/vagy kezelni képes anyagok állnak: vannak neurodegeneratív kórképekben, csont- és vázizomrendszert érintő betegségekben, és változatos metabolikus, illetve kardiovaszkuláris kórképekben jelentős terápiás hatású anyagaink is. Egy kiemelt, különösen izgalmas témánk a növény–rovar–rovarevő gerinces táplálékláncon végig haladó, és az egyes szinteken jelentős metabolikus változásokat szenvedő bioaktív természetes anyagok komplex kémiai-biológiai vizsgálata, és ezek jelentősége az emberi és állati egészség kapcsán.
- Milyen szerepet tölthet be a krio-elektronmikroszkópia az Ön kutatásaiban, és milyen új perspektívákat nyithat meg a bioaktív természetes anyagok vizsgálatában?
- Kutatócsoportunk nagyon sokféle kutatással foglalkozik, amelyekhez a krio-elektronmikroszkópia kapcsolódhat. Elsősorban a már előrehaladott témákhoz fog jelentős hozzáadott értéket biztosítani ez a technológia, azáltal, hogy lehetőségünk lesz más szemszögből, és a korábbinál sokkal mélyrehatóbban vizsgálni bioaktív természetes vegyületeknek az élő szervezetre sejt, illetve szövet szinten kiváltott hatásait. Az élővilág több szintjét is átfogó kutatásainkban pedig az egymással szorosan kapcsolódó kémiai-biológiai rendszerek strukturális vizsgálata fog nem csak új válaszokat, de bizonyára számtalan új kutatási témához vezető kérdéseket is felvetni.
- Miben jelent minőségi előrelépést a krio-elektronmikroszkópos platform az eddig alkalmazott módszertani eszköztárhoz képest?
- A kutatásainkban eddig csak korlátozottan használtunk konvencionális elektronmikroszkópot egyetlen témában, önrendeződő nanorészecskék vizsgálatára, és a minták természetéből adódóan ez csak jelentős kompromisszumok árán működött. A krio-elektronmikroszkóp egy teljesen új eszköztárat jelent számunkra, amivel olyan jelenségeket fogunk tudni vizsgálni (molekuláris szintű kölcsönhatásokat, az előállított anyagainkkal kezelt farmakológiai modelleken kiváltott sejtorganellum, sejt- és szövet szintű változásokat), amelyek közvetlen megfigyelésére eddig nem volt lehetőségünk.
- Van-e olyan konkrét kutatási projekt vagy tudományos kérdés, amely esetében különösen jelentős áttörést vár ettől a technológiától?
- Több olyan nagy hatékonyságú, eddigi vizsgálataink alapján biztonságosnak tűnő vezérmolekulát is sikerült a közelmúltban előállítanunk, amelyek akár gyógyszerjelöltként is szóba jöhetnek. Ezen anyagok hatásmechanizmusa ugyanakkor részben felderítetlen, illetve megerősítésre vár, amelyben receptor-ligand kölcsönhatások krio-elektronmikroszkópos vizsgálata hozhat
áttörést. Van olyan projektünk is, amelyben egy gyógyszerjelölt vegyület előnyös fizikai-kémiai tulajdonságokkal rendelkező előanyagát sikerült extrém módon feldúsítanunk ipari léptékben tenyésztett, és bioreaktorként is használható ehető rovarfajokban. Az ilyen rovarokból készített szövettani metszetek nagy felbontású feltérképezése alapvetően új információt nyújthat arról, hogy ez pontosan hogyan történik, és ezáltal a hatóanyagok állati szövetekből való, jelenleg nagy kihívást jelentő kivonása is racionalizálhatóvá válik. Vannak olyan természetes anyagokból előállított konjugátumaink is, amelyekből vizes közegben stabil önrendeződő nanorészecskéket tudunk létrehozni; ezek szerkezetének mélyreható vizsgálatára a krio-elektronmikroszkóp egy rendkívül nagy jelentőségű technika lesz.
- Mit gondol, milyen tudományos áttörésekhez járulhat hozzá hosszabb távon a krio-elektronmikroszkópia alkalmazása az Ön szakterületén?
- A természet kémiai-biológiai vizsgálatában, a növények által előállított bioaktív kismolekulák és az összetett élő rendszerek kölcsönhatásainak megértésében, és az ettől elválaszthatatlan, természetes anyagok által inspirált gyógyszerkutatásban a krio-elektronmikroszkópia alapvető áttöréseket fog hozni. Annak köszönhetően, hogy ez a technológia akár atomi szintű felbontást is lehetővé tesz, olyan mélységekben figyelhetjük meg a hatóanyagaink viselkedését, ami korábban elképzelhetetlen volt.
- Összességében mit vár ettől az új kutatási infrastruktúrától – milyen irányokban gyorsíthatja fel vagy mélyítheti el a kutatásait?
- Amellett, hogy munkánk a természet kémiájának mélyebb megismerését célozza (ezáltal jelentős alapkutatási értéket hordoz), számos olyan projektünk van folyamatban, amelyeket a kezdetektől az innováció és az alkalmazott kutatási szempontok, így a várható társadalmi haszon mentén terveztünk meg és indítottunk el. Az új kutatási infrastruktúrától azt várom, hogy mindkét kutatási szempontrendszert jelentős mértékben fogja támogatni, és mind kiemelkedő tudományos publikációk, mind hasznosítható találmányok terén óriási új lehetőségeket fog teremteni.
Nanorészecskék a daganatterápia szolgálatában
Új perspektívák a sejtszintű folyamatok feltárásában
A nanobiotechnológia és a daganatbiológia metszéspontjában zajló kutatások új utakat nyithatnak a gyógyszerrezisztens daganatok kezelésében. A krio-elektronmikroszkópia révén a kutatók ma már olyan, korábban láthatatlan sejtszintű és molekuláris folyamatokat figyelhetnek meg, amelyek kulcsfontosságúak lehetnek a hatékonyabb, célzottabb terápiák fejlesztésében. Dr. Kiricsi Mónikával készült interjúnkból kiderül, hogyan segíthetik a nanorészecskék a daganatsejtek elleni küzdelmet, és milyen áttöréseket hozhat az új kutatási infrastruktúra ezen a gyorsan fejlődő területen.
- Mely tudományterületekre épül a kutatási tevékenysége, és milyen meghatározó kérdések állnak jelenleg a munkája középpontjában?
- Munkánk alapvetően a nanobiotechnológia és a daganatbiológia határterületén helyezkedik el. Kutatásaink középpontjában az áll, hogy különböző nanorészecskék milyen hatást fejtenek ki daganatsejtekre, különös tekintettel azokra az esetekre, amikor a sejtek rezisztenssé válnak a gyógyszeres kezelésekkel szemben. Leginkább a multidrogrezisztencia leküzdésének lehetőségei foglalkoztatnak minket, egyrészt úgy, hogy nanorészecskékkel befolyásoljuk a sejtek védelmi mechanizmusait, másrészt úgy, hogy általuk hatékonyabb hatóanyag-bejuttatást tegyünk lehetővé. Emellett jelentős figyelmet szentelünk a tumor mikrokörnyezetében jelenlévő egyéb sejteknek, így a fibroblasztoknak és makrofágoknak, valamint az immunsejtek és daganatsejtek közötti kommunikációs folyamatoknak.
- Milyen szerepet tölthet be a krio-elektronmikroszkópia a kutatásában?
- Bizonyos kísérleti kiegészítésekkel a krio-elektronmikroszkópia egyfajta nagyítóként funkcionálhat, amellyel jó esetben közvetlenül láthatóvá válik az, amit eddig csupán sejtszintű vagy biokémiai adatokból lehetett következtetni. Különösen izgalmas lehetőség, hogy megfigyelhetővé válnak azok a strukturális változások, amelyeket nanorészecskék idéznek elő a sejtekben.
- Milyen új lehetőségeket nyit meg ez a technológia?
- A kutatás egyértelműen új szintre léphet általa. A technológia legfőbb előnye, hogy a mintákat közel natív állapotukban vizsgálhatjuk, és az előkészítés során nem torzítjuk el a struktúrájukat. Ezáltal olyan részletek válnak feltárhatóvá, amelyek korábban nem voltak hozzáférhetők. Ez a nanotechnológia és
a nanomedicina szempontjából különösen releváns, mivel a nanorészecskék hatásmechanizmusa gyakran rendkívül finom, nanoszintű változásokon alapul.
- Van olyan konkrét projekt, ahol különösen nagy előrelépést vár ettől?
- Igen. Régóta vizsgáljuk, hogy különböző méretű, összetételű, szerkezetű nanorészecskék miként befolyásolják a gyógyszerrezisztens sejtek működését. Ezen a területen lehetne előrelépni. Hasonlóan kulcsfontosságú lehet ez a technológia a gyógyszerhordozó rendszerek fejlesztésében is. Kiemelten izgalmas terület a radioszenzitizáció, ahol a sejtkárosodás mechanizmusait eddig soha nem látott pontossággal lehetne feltérképezni.
- Milyen tudományos áttöréseket vár hoszszabb távon?
- A legnagyobb áttörés az lehet, hogy molekuláris és strukturális szinten közelebb juthatunk a nanorészecskék és sejtek közötti kölcsönhatások megértéséhez. Ez olyan terápiás eljárások fejlesztésében hozhat kézzelfogható eredményt, amelyek célzottabbak, hatékonyabbak és kevesebb mellékhatással járnak. A tumor mikrokörnyezetének mélyebb megismerése szintén meghatározó jelentőségű lehet, különösen az immunrendszerrel fennálló kölcsönhatások tekintetében.
- Mit vár az új kutatási infrastruktúrától?
- Extrém részletességgel lehet bizonyos folyamatok állapotairól pillanatfelvételt készíteni, így olyan kérdésekre adhat választ, amelyekre eddig csupán közvetett bizonyítékok álltak rendelkezésre. Hangsúlyozandó azonban, hogy ez az infrastruktúra nemcsak a meglévő kutatásokat erősíti, hanem új együttműködések és projektek alapját is megteremti és várhatóan ahhoz is hozzájárul, hogy nemzetközi szinten versenyképesebb pozíciót foglaljunk el.
ORSZÁGOS HÁLÓZATTÁ ÁLL ÖSSZE A KRIO-EM
A Szegedi Tudományegyetem olyan kutatási hálózatot hoz létre, amely új szintre emelheti a szerkezeti biológiai és anyagtudományi vizsgálatokat Magyarországon. A szegedi, pécsi és budapesti központokra épülő rendszer nemcsak műszereket kapcsol össze, hanem egységes hozzáférési és működési modellt is kínál, így a kutatók egy közös „kapun” keresztül, átlátható keretek között juthatnak mérési időhöz, adatfeldolgozási kapacitáshoz és szakmai támogatáshoz.
A Szegedi Tudományegyetemen Magyarország első, teljes körű krio-elektronmikroszkópos központja épült ki. A több milliárd forintos beruházásnak köszönhetően Szegeden a teljes kutatási lánc rendelkezésre áll: a minták előkészítésétől a nagyfelbontású vizsgálatokon át az adatelemzésig. Az egyetem nemcsak mérési kapacitást biztosít, hanem módszertani támogatást, képzéseket és kutatástervezési segítséget is nyújt, így a KRIO-EM egyik technológiai és tudásközpontjává válik.
„A KRIO-EM egyik legnagyobb értéke, hogy nem egyszerűen műszereket telepítünk, hanem egy országos szinten összehangolt kutatási ökoszisztémát hozunk létre. A hálózatos működésnek köszönhetően a kutatók gyorsabban jutnak hozzá a szükséges kapacitásokhoz és szakértelemhez, miközben a különböző szakterületek találkozásából új kutatási irányok is megszülethetnek. Ez a modell hosszú távon nemcsak a tudományos eredményeket gyorsítja fel, hanem a hazai innovációs potenciált is jelentősen erősíti” –mondta Prof. Dr. Kónya Zoltán, a Szegedi Tudományegyetem tudományos és innovációs rektorhelyettese, az IKIKK szakmai vezetője.
Néhány éven belül a KRIO-EM hálózat a hazai kutatás mindennapi eszközévé válhat: több tucat la-
bor, több száz kutató évente több száz vizsgálattal kapcsolódhat be a rendszerbe. A keletkező hatalmas adatmennyiség feldolgozásában kulcsszerepet játszanak a nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerek és a mesterséges intelligencia, amelyek nemcsak gyorsítják az elemzést, hanem új összefüggések feltárását is lehetővé teszik.
A most kiépült infrastruktúra így nemcsak tudományos, hanem gazdasági és innovációs szempontból is mérföldkő: hidat képez az alapkutatás és a gyakorlati alkalmazások között – a diagnosztikától a gyógyszerfejlesztésen át egészen az új anyagok tervezéséig.