Szemmel láthatatlan, pikoliteres cseppekben – mesterséges sejtekben – szimulálják az első létformák kialakulását az ELKH Ökológiai Kutatóközpont igazgatója által vezetett kutatási konzorcium tudósai. A kísérlet annyira újszerű, hogy modernizálni kell hozzá a kísérleti eszközöket – a jelentősége ezért mutat messze túl pusztán a kémiai és a biológiai evolúció határmezsgyéjének a vizsgálatán.
Az Ökológiai Kutatóközpont munkatársai Szathmáry Eörs igazgató vezetésével nemrégiben egy olyan, rendkívül fejlett számítógépes szimuláció segítségével bizonyították a kromoszómák kialakulásának elméletét, amelynek alapjait évtizedekkel ezelőtt ők maguk dolgozták ki. (Az erről szóló hírről nemrégiben számoltunk be az ELKH honlapján.)
Hamarosan azonban minden megváltozhat e téren, hiszen francia, német és holland kutatóintézetek munkatársai – szintén Szathmáry Eörs akadémikus vezetésével – igen előrehaladott kutatásokat folytatnak egy olyan tömegspektrométer kifejlesztése irányában, amely már a pikoliteres térfogatú (a milliliter egymilliárdod része) mesterséges cseppek kémiai összetételét is nagy pontossággal képes meghatározni. Az új vizsgálati eszköz nemcsak az élet keletkezésének kísérletes kutatását fogja forradalmasítani, de a kémia, a fizika és a biológia megannyi területén is új távaltokat nyit meg a tudósok előtt. Ebben az esetben tehát a felfedező kutatás alkalmazott eredmények eléréséhez segíti hozzá a kutatókat.
Pontosan erről szól a CERN szervezésében, az Európai Unió Horizon 2020 programja finanszírozásával létrejött ATTRACT projekt is, amely az alapkutatás és a technológiai innováció között teremt kapcsolatot. A Szathmáry Eörs által vezetett konzorcium EmLife (Emerging Life – Megjelenő élet) projektje korábban már elnyerte az ATTRACT támogatását, és most indul a második fázisa.
„Noha a számítógépes szimulációk ma már megkerülhetetlenek a tudományos kutatásban, a tudósokat mégis a kísérletek győzik meg igazán. Előfordul azonban, hogy egy kérdés kísérletes vizsgálatához – és a sejtes élet megjelenése tipikusan ilyen – a kutatónak először meg kell teremtenie a szükséges technikai feltételeket is” – mondja Szathmáry Eörs akadémikus. – „Ha valósághűen akarjuk modellezni az ősi sejtek viselkedését, akkor le kell mennünk az ő mérettartományukba, hiszen a rájuk ható körülmények csak ebben a közegben érvényesülnek. Vagyis a kísérlet elvégzéséhez a teljes kísérleti apparátust le kellett kicsinyítenünk a sejtek léptékére.”
Ez pikoliteres térfogatokat jelent – egy pikoliter 0,000000000001 literrel egyenlő. Minden mesterséges sejt kémiai összetételét külön kell vizsgálni, az tehát nem megoldás, hogy a rengeteg létrehozott sejtet összeöntjük, és együtt elemezzük őket. Valójában éppen az a lényeg, hogy hogyan függ a sejtek egyedi sikeressége (vagyis az evolúciós előnyük vagy hátrányuk) a belsejükben lévő oldat összetételétől. Mindez rendkívül komoly analitikai problémát vet fel: vajon milyen mérőműszerrel lehet elemezni ilyen apró cseppek összetevőinek (például oligopeptidjeiknek, kisebb, az anyagcserehálózat kialakításában fontos molekuláknak) a koncentrációját? A válasz erre mostanáig az volt, hogy erre általános és gyors módszer nem létezik.
Az oldatok vegyi elemzésének legérzékenyebb módja a tömegspektrometria, amely a töltött részecskéket a tömegük alapján választja szét. Amikor az oldat összetevői elektromágneses téren haladnak át, akkor tömegük és töltésük aránya szerint térülnek el. Ennek köszönhetően jól elkülöníthetők egymástól, és az egymáshoz viszonyított mennyiségük is megmérhető. Csakhogy a jelenleg elérhető tömegspektrométerek alsó mérési határa a mikroliteres tartományban van, amely egymilliószor nagyobb a pikoliternél.
„Az alapkutatás és a technológiai fejlesztés abszolúte nem mond ellent egymásnak. Bár esetünkben a vizsgálat elsődleges motivációja egy tisztán felfedező kutatási kérdés megválaszolása (még ha ez a biológia egyik legfontosabb kérdése is), az eredményként létrejövő technológia más tudományos és ipari területeken is hasznosulni fog” – érvel Szathmáry Eörs, majd hozzáteszi: „Felsorolni sem lehet azokat a tudományos problémákat, amelyek vizsgálatához mikroszkopikus mennyiségű minták összetételét kell, kellene meghatározni. Mára a közelébe jutottunk annak, hogy a tömegspektroszkópia a pikoliteres tartományban is működjön.”
Az ATTRACT első fázisa lezárult. A CERN és az EU jövőre tervezi elindítani a második szakaszt, amelyben az eddig legmesszebbre jutott projektek támogatását növelik meg egy nagyságrenddel. Szathmáry Eörs bízik benne, hogy ha az EmLife projektet is kiválasztják, az gyorsan el fogja érni a célját, és a sejtek kialakulásának kísérletes bizonyítéka mellett immár elérhetővé válhat egy, a mikrocseppek világában is alkalmazható tömegspektrométer is.