Az élet kialakulásának kutatása eredményezheti a sokkal érzékenyebb tömegspektrométer megszületését

Szemmel láthatatlan, pikoliteres cseppekben – mesterséges sejtekben – szimulálják az első létformák kialakulását az ELKH Ökológiai Kutatóközpont főigazgatója által vezetett kutatási konzorcium tudósai. A kísérlet annyira újszerű, hogy modernizálni kell hozzá a kísérleti eszközöket, de a jelentősége ezért mutat messze túl a kémiai és a biológiai evolúció határmezsgyéjének vizsgálatán.

Az Ökológiai Kutatóközpont munkatársai Szathmáry Eörs főigazgató vezetésével nemrégiben egy igen fejlett számítógépes szimuláció segítségével bizonyították a kromoszómák kialakulásának elméletét, amelyet évtizedekkel ezelőtt ők maguk dolgoztak ki. Az erről szóló hír az Ökológiai Kutatóközpont honlapján olvasható.

Ez azonban hamarosan megváltozhat, hiszen francia, német és holland kutatóintézetek munkatársai – szintén Szathmáry Eörs akadémikus vezetésével – igen előrehaladott kutatásokat folytatnak olyan tömegspektrométer kifejlesztése érdekében, amely már a pikométeres (a milliliter egymilliárdomod része) térfogatú mesterséges cseppek kémiai összetételét is nagy pontossággal képesek meghatározni. Az új vizsgálati eszköz nemcsak az élet keletkezésének kísérletes kutatását fogja forradalmasítani, de a kémia, a fizika és a biológia megannyi területén új távaltokat nyit meg a tudósok előtt. A felfedező kutatás tehát alkalmazott eredmények eléréhez segíti hozzá a kutatókat.

Pontosan erről szól a CERN által szervezett, és az Európai Unió Horizon 2020 programja által finanszírozott 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 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. Valójában éppen az a lényeg, hogy hogyan függ a sejtek belsejében lévő oldat összetételétől egyedi sikerességük (vagyis az evolúciós előnyük vagy hátrányuk). Ez rendkívül komoly analitikai problémát eredményezett: milyen mérőműszerrel lehet elemezni ilyen apró cseppek összetevőinek (például nukleinsavainak, polipeptidjeinek) koncentrációját. A válasz egészen idáig az volt, hogy ilyen módszer nem létezik.
Az oldatok vegyi elemzésének legérzékenyebb módja a tömegspektrometria, amely a töltött részecskéket tömegük alapján választja el. Amikor az oldal összetevői elektromágneses téren haladnak át, tömegük és töltésük aránya szerint térülnek el. Így elkülöníthetők egymástól, és egymáshoz viszonyított mennyiségük is megmérhető. Csakhogy a jelenleg elérhető tömegspektrométerek alsó mérési határa a mikroliteres tartományban van, ami egymilliószor nagyobb a pikoliternél.

„Az alapkutatás és a technológiai fejlesztés abszolút nem mond ellent egymásnak. Bár esetünkben a vizsgálat elsődleges motivációja egy tisztán felfedező kutatási kérdés megválaszolása (még ha ez a biológia egyik legfontosabb kérdés is), az eredményként létrejövő technológia más tudományos és ipari területeken is hasznosulni fog – érvel Szathmáry Eörs. – Felsorolni sem lehet azokat a tudományos problémákat, amelyek vizsgálatához mikroszkopikus mennyiségű minták összetételét kell (kellene) meghatározni. Már a közelébe jutottunk annak, hogy a tömegspektroszkópia működjön a pikoliteres tartományban is.”
Az ATTRACT első fázisa lezárult. A CERN és az EU jövőre tervezik elindítani a második szakaszt, amelyben az eddig legmesszebbre jutott projektet támogatását növelik meg egy nagyságrenddel. Szathmáry bízik benne, hogy ha az EmLife projektet is kiválasztják, az gyorsan elfogja érni a célját, és a sejtek kialakulásának kísérletes bizonyítéka mellett elérhetővé válhat a mikrocseppek világában is alkalmazható tömegspektrométer.