Hazugnak nevezték, aztán megkapta a Nobel-díjat, most meg már a molekulák mozgását is megfigyelheti
A tudomány egyik legnagyobb áttörése kétségkívül a mikroszkóp feltalálása volt: ez adott lehetőséget arra, hogy megfigyeljük akár az egyes sejteket is, és bepillantsunk az élő szervezetek szabad szemmel láthatatlan világába. Mindezt alapvetően egy posztókereskedőnek köszönhetjük: a 18. században Anton van Leeuwenhoek nagyítólencsékkel kezdte vizsgálni a szövetek szálait, később pedig több mint 500 egyszerű, egyetlen lencséből álló mikroszkópot fejlesztett ki, amikkel különböző biológiai mintákat tudott megfigyelni.
A fénymikroszkóp aztán egy egyetlen lencséből álló, egyszerű szerkezetből olyan műszerré fejlődött, amivel már az élő sejtekben zajló, egyedi biológiai molekulák dinamikája is megfigyelhető. Ehhez pedig az kellett, hogy egy Aradon született sváb származású tudós elkezdje megpiszkálni a fénymikroszkópok addig tudományos dogmának tartott úgynevezett diffrakciós korlátját, vagyis azt a felbontást, amiről úgy hitték: a fény diffrakciója miatt a fénymikroszkópok nem tudják átlépni.
Ez a nagyon szakmainak hangzó kifejezés tök egyszerű fizikai korlátokat takar: mivel a fény hullámokban terjed, a mikroszkóp felbontása nem lehet tetszőlegesen nagy. Két egymáshoz nagyon közel lévő pont képe a mikroszkópban elmosódik, és egyetlen foltnak látszik, így nem lehet őket különállóként megfigyelni.
Konferenciákon és tanulmányokban nevezték hazugnak
Stefan Hell, a korábban említett kutató fejéből 1993 őszén pattant ki a probléma megoldása: úgy döntött, ahelyett, hogy minden molekulát megvilágítana, egy részüket sötétben tartja, hogy egy sokkal kisebb területet sokkal pontosabban tudjon megfigyelni.
A STED-mikroszkópia (Stimulated Emission Depletion) lényege, hogy nem egyszerűen megvilágítja a mintát, hanem két lézerrel éri el a nagyobb felbontást. Az első lézer fénykibocsátásra készteti a fluoreszcens molekulákat, a második, speciális gyűrű alakú fénynyaláb viszont a fókusz szélén lévő molekulákat visszakényszeríti olyan állapotba, amiben nem bocsátanak ki fényt. Így csak egy nagyon apró központi területről érkezik fény, aminek a mérete a lézer intenzitásának növelésével tovább csökkenthető. Nagyjából úgy kell elképzelni, mint egy fánkot, aminek csak a nagyon kicsi közepéből jön vissza fény a megfigyelőhöz.
Nem volt egyszerű az út odáig, hogy Hell elfogadtassa a tudományos világgal az elképzeléseit. Hasonló problémákról számolt be, mint az egyik saját Nobel-díjasunk, Karikó Katalin: a tanulmányait sorra dobták vissza a nagy presztízsű tudományos szaklapok, a kollégái kritizálták, és nem vették komolyan.
„Egyesek odáig mentek, hogy konferenciákon és tudományos publikációkban is azt állították, hogy túlzok, vagy hogy az állításaim hamisak
– mondta korábban egy interjúban. – Idővel ezek az emberek egyre csendesebbé váltak, de később egyikük sem ismerte el nyíltan, hogy tévedett, nemhogy bocsánatot kért volna.”
A kutató nemrég Budapesten járt az Európai Akadémia Building Bridges konferenciáján, ahol a Telexnek azt mondta: a paradigmák megdöntését a tudományban nem feltétlenül fogadják örömmel. „Volt egy Thomas Kuhn nevű tudós és filozófus, akinek az volt az elképzelése, hogy a tudományt mindig bizonyos paradigmák határozzák meg. Ez lényegében azt jelenti, hogy létezik egy adott gondolkodási iskola, amin belül meghatározott logika érvényesül. Ha valaki ezt megkérdőjelezi, és kísérleti eredményekkel is alá tudja támasztani, amit mond, akkor ez összeomlik.”
„Azt meg kell érteni, hogy akiknek a gondolkodási iskolája összeomlik, azok nem feltétlenül fogadják ezt örömmel. Ez teljesen természetes. Különösen igaz ez akkor, ha az új megközelítés mellett még kevés a bizonyíték. Én ismerem Katalint, már az előtt is ismertem, hogy megkapta volna a Nobel-díjat. Ő és én is azt állítottuk, hogy valami nincs rendben, és azt is megmondtuk, milyen irányban kellene továbbhaladni. Csakhogy akkor még nem álltak rendelkezésre a bizonyítékok. De jó okaink voltak a gyanúra.
A régi paradigma képviselői persze nem nézik jó szemmel az ilyesmit, hiszen nagy a kockázata annak, hogy a munkánk feleslegessé teszi az övékét. Aztán amikor már rendelkezésre állnak a bizonyítékok, természetesen hősként ünneplik, hiszen mindenki azt mondja: ó, hát neki volt igaza.”
Hell Aradon született, és 15 éves koráig élt a kommunista Romániában a sváb kisebbséghez tartozva, ami elmondása szerint már korán meghatározta a világképét. „Szörnyű volt, csak olyat mondhattunk, ami a kormány kedvére való volt, akkor is, ha tudtuk, hogy nem igaz. Romániában ez még rosszabb volt, mint Magyarországon. Ha úgy nősz fel, hogy ilyen tapasztalataid vannak, akkor tudod, milyen fontos, hogy önállóan gondolkodj, és ne csak azt fogadd el, amit mások mondanak. Pszichológiai szempontból ez nagyon érdekes. Persze ehhez bizonyos típusú személyiség is kell, mert másokban nem feltétlenül váltott ki ugyanez hasonló reakciót. Én viszont nagyon érzékeny voltam erre” – mondta a Telexnek.
Amikor Hell 15 éves volt, szüleivel emigráltak Nyugat-Németországba. A kutató a rangos norvég tudományos elismerés, a Kavli-díj – amit szintén 2014-ben nyert el – weboldalán arról írt: Ludwigshafenben telepedtek le, jó messze a vasfüggönytől, viszont jó közel Heidelberghez, ahol végül egyetemre is járt. Innen az Európai Molekuláris Biológiai Laboratóriumba, majd a finn Turkui Egyetem lézermikroszkópiai csoportjához ment, utóbbinak vezetője is lett. Itt pattant ki a fejéből a STED-mikroszkóp ötlete.
Az új megoldás nem véletlenül hozott Nobel-díjat a kutatónak: a hagyományos fénymikroszkópok nagyjából 200 nanométeres felbontási korlátjával szemben a STED akár tízszer jobb felbontást is lehetővé tesz. Hell és kutatócsoportja például olyan részleteket is láthatott baktériumokban, amiket hagyományos fénymikroszkóppal nem lehetett elkülöníteni. Ez azért is fontos, mert más megoldásokkal, például az elektronmikroszkópokkal rendkívül apró részleteket is meg lehet ugyan figyelni, a hagyományos elektronmikroszkópos eljárások nem alkalmasak az élő sejtek működésének közvetlen vizsgálatára. A STED viszont fluoreszcens jelöléssel olyan apró sejten belüli struktúrák megfigyelését is lehetővé tette, amiknek működését korábban nem lehetett ilyen részletességgel tanulmányozni.
Elértük a fluoreszcens mikroszkópia elméleti felbontási határait
Hell 1994-ben publikálta az ötletét, az első prototípust pedig 1999-ben mutatták be. A kutató azóta sem tétlenkedik: Budapesten most a MINFLUX-mikroszkópot (minimal fluorescence photon fluxes microscopy) mutatta be, ami még a STED-hez képest is óriási ugrás lehet, ha valódi élő szervezeteken is sikerül bizonyítani, hogy működik. A STED problémája ugyanis, hogy nem lehet vele a molekulák mozgását is megfigyelni – fix képet készít ahelyett, hogy követné időben és térben őket. A MINFLUX azonban, amit Hell és kutatócsoportja először 2017-ben mutatott be, ezt a határt is áttörheti.
„2014 óta a terület óriási fejlődésen ment keresztül. Amikor odaítélték nekünk a Nobel-díjat, az elérhető felbontás nagyjából 20-30 nanométer volt, ennél jobb eredményt nem igazán lehetett elérni, bár már ez is tízszer jobb volt a diffrakciós korlátnál. Azóta viszont eljutottunk odáig, hogy a molekulák mérettartományában, akár egy nanométeres léptékben is tudjunk vizsgálódni. Vagyis a felbontás újabb tízszeresével javult. Mostanra gyakorlatilag elértük a fluoreszcens mikroszkópia elméleti felbontási határait” – mondta a kutató.
A MINFLUX egy fontos ponton másképp működik, mint a STED-mikroszkóp. Ugyanúgy egy gyűrű alakú lézernyalábot használ, csakhogy ennek a közepén nincs fény, csak egy sötét pont. A STED-nél a gyűrű alakú nyaláb a központi területen kívül elnyomja a fluoreszcenciát, így csak egy nagyon kis területről érkezik fény. A MINFLUX-nál viszont éppen a gyűrű közepén található sötét pont a kulcs: a kutatók ezt a fény nélküli területet több különböző pozícióba helyezik a megfigyelt molekula körül, és megmérik, hogy az egyes helyzetekben mennyi fluoreszcens fényt bocsát ki a molekula. Mivel a molekula a sötét pont közelében kevesebb fényt bocsát ki, a mérésekből nagy pontossággal meghatározható a helye.
„A gyűrű alakú nyaláb segítségével rendkívül pontosan meghatározza az egyes molekulák helyét. Így pontosabban lokalizálhatjuk őket, és részletesebb térképet készíthetünk a sejten belüli elhelyezkedésükről, feltéve, hogy a molekulák fluoreszcenciája ki- és bekapcsolható. Nemrég megmutattuk, a módszer arra is alkalmas, hogy megkülönböztessen két megjelölt molekulát, amik csak néhány nanométerre vannak egymástól. Ez pedig azt is lehetővé teszi, hogy akár az egyes biomolekulák, például a fehérjék szintjén figyeljük meg a részleteket. Emellett a sejten belüli fehérjék mozgását is vizsgálhatjuk vele rendkívül nagy térbeli és időbeli felbontással. Tíz évvel ezelőtt egyikre sem volt lehetőségünk” – mondta Hell.
A kutató és társai egyelőre mesterséges, DNS-ből kialakított nanostruktúrában bizonyították, hogy a MINFLUX segítségével két, egymástól mindössze néhány nanométerre lévő, egyébként azonos fluoreszcens jelölésű pontot is meg lehet különböztetni. A módszerrel ráadásul azt is követni tudták, hogyan változik a köztük lévő távolság, akár milliszekundumos időskálán. Az viszont még hátravan, hogy valós élő struktúrán is demonstrálják a módszer hatásosságát.
Hell kiemelte, hogy a fehérjék szerkezetének meghatározására már nagyon jó módszereink vannak, arra viszont nincsenek, hogy közvetlenül megfigyeljük, hogyan változik meg egy fehérje térbeli elrendeződése.
A jövő nem a mesterséges intelligenciáé, hanem a kísérleteké
És hogy mindez mire jó a gyakorlatban, vagyis: olcsóbb lesz-e tőle a kenyér? „A kenyér az nem, de talán az orvoslás költségeit csökkenthetjük – mondta Hell. – Ez talán még fontosabb is, hiszen a kenyér jelenleg viszonylag olcsó, az orvos viszont nem az. A MINFLUX segíthet megérteni, hogyan lépnek kölcsönhatásba a gyógyszerek bizonyos fehérjékkel, hogyan gátolják azok működését, vagy éppen hogyan teszik lehetővé, illetve fokozzák azt. Nagyon remélem, hogy hozzájárulhatok a gyógyszerfejlesztés előmozdításához. Szeretném segíteni annak jobb megértését, hogyan hatnak a gyógyszerek, és remélem, hogy új gyógyszerek felfedezéséhez is hozzá tudok járulni. Ez a célom.”
Azt mondta: már az is jó eredmény lenne, ha sikerülne lerövidíteni az új gyógyszerek felfedezéséhez szükséges időt. „Jelenleg ugyanis egy gyógyszermolekula azonosítása és tesztelése nagyjából tíz-tizenöt évig, olykor akár húsz évig is eltarthat, és a folyamat nagyrészt kiterjedt szűrővizsgálatokon alapul. Ha viszont mechanisztikus szinten megértjük, hogyan hat egy gyógyszer, ha valóban látjuk, mit csinál, akkor csökkenthetjük a szóba jöhető lehetőségek számát, és pontosabban összpontosíthatunk arra a mechanizmusra, amit gátolni szeretnénk.”
Sokan a mesterséges intelligenciától várják ugyanezt a jövőt, Hell viszont emlékeztetett: ahhoz, hogy az MI megfelelően tudjon működni a területen, szükség van a hardverre is, amin keresztül láthat. „A mesterséges intelligencia az utóbbi időben óriási segítséget jelentett. Egyértelműen előmozdítja a terület fejlődését, hiszen már önmagában azzal is sokat segít, hogy kiértékeli a mikroszkóppal gyűjtött adatokat.
Másfelől viszont az MI arra is rámutat, hogy a tudomány és az emberiség fejlődésének szűk keresztmetszete ma már nem annyira a mesterséges intelligencia vagy a számítási kapacitás, hanem a hardver, vagyis a tényleges kísérletek elvégzése és a tesztelés.”
Szerinte az MI most nagy lendületet adhat egy sor tudományos területnek, de a jövő akkor is a kísérleteké, a teszteké, az emberi munkáé. „Amikor ez a kezdeti felfokozott lelkesedés lecseng, világossá válik majd, hogy a tudomány legnagyobb áttörései valójában a kísérleteknek köszönhetők” – mondta.
