Ismeretbővítő kutatás (alap- elméleti kutatás)

biofizika, molekuláris biofizika, protonfelvétel elektrontranszport, reakciócentrum, fotoszintézis

A kutatási program az alábbi főbb tudományterületeket érinti: bioenergetika, fotoszintézis, biomolekulák szerkezet-funkció kapcsolata és környezetvédelem. Bioenergetika. Az élőlényeket az élettelenektől alapvetően az különbözteti meg, hogy jellegzetes mozgásformákat követnek: aktívan képesek helyet vagy helyzetet változtatni, anyagcserét folytatnak, stb. Az élettevékenység fenntartása energiát igényel, amelynek megszerzésével, átalakításával és felhasználásával a bioenergetia tudománya foglalkozik. A bioenergetika tárgya a biomembránokban megvalósuló energiaátalakítás. A megnevezésre napjainkban nagyon káros hatású misztikum rakódott, és kötelességnek érezzük a tisztánlátás megteremtését és terjesztését. A bioenergetika központi fogalma a Gibbs energia (kémiai szabadentalpia). A környezetben több lehetséges formában áll az élőlények rendelkezésére, de nem mindegyik alakjában képesek felvenni. A földi élet kialakulása, elterjedése és diverzifikációja szempontjából kiemelkedően fontos Gibbs energia forma a napfényenergia, amely a földi (geológiai) időlépték szempontjából állandó és közvetlenül hozzáférhető formában volt és van jelen. A Föld felszínére érkező, fény alakjában megnyilvánuló Gibbs energia azonban igen „híg”, azaz a fény teljesítménysűrűsége kicsiny a más, ú.n. „koncentrált” energiaformával (pl. az atomenergiával) összehasonlítva. Emiatt az ipari energiatermelés szempontjait figyelembevéve nem a legkedvezőbb szabadentalpia forma. Fotoszintézis. A fény a növények számára ellenben ideális szabadenergia-forma, mert egyrészt kialakulhatott egy olyan érzékeny apparátus (fotoszintetizáló rendszer), amely finoman szabályozott módon közvetlenül képes a szabadentalpiát hasznosítani, másrészt nem annyira nagy a teljesítmény-sűrűsége, hogy a fotoszintetikus apparátust jelentékenyen károsíthatná. A napfényenergia hasznosítás egyik legegyszerűbb és a fénygátlással (fotoinhibicióval) szemben legellenállóbb módszerét a fotoszintetizáló baktériumok fejlesztették ki, amelyek egyetlen fotokémiai rendszerrel is képesek a fényenergiát elnyelni és más szabadentalpiává (pl. ionelektrokémiai energiává vagy foszforilációs potenciállá) alakítani, amelyet már közvetlenül is felhasználhatnak élettevékenységük fenntartására (pl. ATP termelésre). Szerkezet-funkció kapcsolat. A kutatási program igen fontos része a fehérjék (és ezzel egyéb, biológiai jelentőségű makromolekulák) működési mechanizmusának, a szerkezet/funkció viszonyának felderítése. Leegyszerűsítve és konkretizálva, hogyan működik a (redox)fehérje, azon belül is milyen alapvető viszonyok irányítják az elektronok és a protonok mozgását, milyen csatolás áll fenn a kétféle mikromozgás között. Milyen általános, más fehérjékre is alkalmazható szabályszerűségeket fedezhetünk fel egy bizonyos enzim (a fotoszintetizáló baktérium reakciócentrumának) vizsgálata kapcsán? Környezetvédelem. Különböző baktériumtörzseknek vizes kultúrákban való egyedi fejlődését tudjuk optikai eszközökkel nyomonkövetni. Ezekkel pontos képet kaphatunk a baktériumok fotoszintetizáló kapacitásáról, a fényenergia hasznosításáról, pigmentrendszerek kialakulásáról, átszerveződéséről, és sejtciklussal összefüggő jelenségekről. Mivel a tenyésztés feltételei finoman meghatározzák ezeket a paramétereket, a kérdés meg is fordítható: a tenyésztés körülményeiben bekövetkező (fizikai, kémiai stb.) változásokra következtethetünk a megfigyelhető élettani változásokból. Ezzel gyors és érzékeny biomonitoring rendszert építhetünk ki az esetleges szennyődések (pl. nehézfémion felhalmozódása) kimutatására, sőt a biomediáció reális lehetősége is felvetődik a rendszerünk esetleges későbbi alkalmazása kapcsán. A fentebb említett kapcsolatok, lehetőségek, érvek és a megvilágított összefüggések is jól példázzák a fotoszintetizáló baktériumok kutatásának jelentőségét a földi élet kialakulása, a bioenergetikai alapjaink és az enzimek működésének megértése szempontjából. A kutatási programunk a fotoszintetizáló baktériumokban végbemenő legalapvetőbb energetikai és kinetikai folyamatok tanulmányozását tűzi ki célul, nevezetesen azt, hogy milyen feltételek mellett és hogyan alakul át a fény energiája a baktérium számára közvetlenül hasznosítható kémiai energiává (protonmozgató erővé) a reakciócentrum fehérjében lezajló elektron- és protonmozgások közvetítésével. Tesszük ezt egyrészt alapkutatási indokkal, másrészt azzal a reménnyel, hogy ezek a felismerések a nem túl távoli és belátható jövőben gyakorlati alkalmazást is nyerhetnek, pl. a mesterséges fotoszintézis, a lokális célú (ipari) energiatermelés vagy az emelt produkciójú élelmiszer (fehérje)termelés ma még csak nagy vonalakban és jó részt a kívánság szintjén felvázolható formáiban. Az energetikai irányultságú vizsgálatok mellett a kutatásainknak további célja a fotoszintetikus reakciócentrum-fehérjében fény hatására bekövetkező elektron- és proton átadás ill. az ehhez társuló (ill. ezt elősegítő) molekulamozgás (dinamika), amely egymásba kapcsolódó folyamatlánc. Ennyire „vegytiszta” módon talán egyetlen más fehérjében sem vizsgálhatók ezek a jelenségek, hiszen itt a folyamatok fényfelvillanással indíthatók (triggerelhetők), továbbá a színpad, azaz a fehérje térszerkezete atomi feloldással ismert.