Kémiai Nobel-díj 2002
Főző Attila László
2002/10/12 22:03
1209 megtekintés
A cikk már legalább egy éve nem frissült, az akkor még aktuális információk lehet, hogy mára elavultak.
A 2002. évi kémiai Nobel-díjjal a kémiai szerkezetkutatás két fontos területén, a tömegspektrometria (John B. Fenn és Koichi Tanaka) és a mágneses magrezonancia (Kurt Wüthrich) terén elért eredményeket jutalmazták. A három kutató különböző megoldásokat tárt fel a biológiai makromolekulák vizsgálatához. Munkásságuk nyomán könnyebben és gyorsabban tanulmányozhatók a bonyolult szerkezetű fehérjék.

A díjazottak

A Svéd Királyi Akadémia a 2002. évi kémiai Nobel-díjat

JOHN B. FENN (Virginia Nemzetközösségi Egyetem, Richmond, USA),
KOICHI TANAKA (Shimadzu Corp., Kyoto, Japán) és
KURT WÜTHRICH (Svájci Szövetségi Technológiai Intézet, Zürich és Scripps Kutatóintézet, La Jolla, USA) professzoroknak ítélte

a biológiai makromolekulák szerkezetvizsgáló módszereinek kifejlesztéséért.

A vegyületek "igazoltatása" - MS

A tömegspektrometria (röviden: MS) régóta ismert szerkezetvizsgáló módszer. Az 1934-es kémiai Nobel-díjban is nagy szerepe volt ennek a módszernek, hiszen segítségével fedezte fel és azonosította Harold Urey a deutériumot. A tömegspektrometria lényege az, hogy a vizsgálandó anyag részecskéit ionizálják, majd a kapott ionokat elektromos térben felgyorsítják. A felgyorsított ionokat aztán mágneses térben vezetik tovább, ahol azok tömegüktől és töltésüktől függően más és más pályán (különböző ideig) haladnak. Ilyen módon meghatározható az ion tömege és így azonosítható is. A módszer igen kis mennyiségű anyag esetében is alkalmazható. Ezért az MS elterjedt a doppingtesztek és a kábítószer-kimutatások területén, de ezek a műszerek helyet kapnak az űrszondákon és az élelmiszervizsgáló laboratóriumokban is.
Ahhoz, hogy a makromolekulák is vizsgálhatók legyenek egy tömegspektrométerrel, meg kell oldani az ionná alakítást gázfázisban anélkül, hogy a szerkezet változna. Az első sikeres kísérleteket az 1970-es években végezték. Ebben az esetben a tömegspektrométerben a makromolekula-ion repülési idejét mérik meg, és így következtetnek annak tömegére. Ezt nevezik repülési idő tömegspektrometriának (röviden: TOF-MS). A vizsgálat legnehezebb része az, hogy miként kapunk ionokat a makromolekulákból (pl. fehérjékből) úgy, hogy ne roncsoljuk a szerkezetüket. A 2002. évi kémiai Nobel-díjasok közül kettő éppen ezen a területen talált jó megoldást.
John B. Fenn erős elektromos térbe porlasztotta az anyagot, így nyert ionokat. Ezzel szemben Koichi Tanaka nagy intenzitású lézerimpulzusokkal érte el ugyanezt.
Az ún. elektroporlasztásos módszert Fenn 1988-ban tette közzé, és kísérletileg igazolta, hogy az eljárás alkalmas nagyobb méretű molekulák azonosítására. Ő először polietilén-glikollal, majd kisebb fehérjékkel dolgozott. A porlasztás során az anyag apró cseppek formájában kerül az elektromos mezőbe, ahol elveszítve egy vagy több elektront, ionos formába kerül. A '80-as években a világ másik pontján, Japánban hasonló céllal kísérletezett Koichi Tanaka a Shimadzu laboratóriumaiban. 1987-ben egy szimpóziumon jelentette be Tanaka, hogy a vizsgálathoz szükséges ionizációt lézerfénnyel valósította meg. Ehhez ún. lágy lézert használt, amely a mintát képes porlasztani és ionizálni. Ez az ún. deszorpciós módszer volt az első, amellyel lehetővé vált biológiai makromolekulák tömegspektrometriás vizsgálata.

Az elektroporlasztásos eljárás

A porlasztás során az anyag apró cseppek formájában kerül az elektromos mezőbe, ahol elveszítve egy vagy több elektront, ionos formába kerül. A tömegspektrométerben a makromolekula-ion repülési idejét mérik meg, és így következtetnek annak tömegére.

A lézer deszorpciós eljárás

A mintára lézerimpulzust bocsátanak és ennek következtében a vizsgálandó anyag részecskéi gázhalmazállapotba kerülnek, és ionizálódnak. A tömegspektrométerben a makromolekula-ion repülési idejét mérik meg, és így következtetnek annak tömegére.

A tömegspektrometria alkalmazásai

tömegspektrométer

Mind az elektroporlasztásos eljárást, mind pedig a lágy lézer deszorpciós módszert széles körben alkalmazzák. Segítségükkel lendületet kapott a gyógyszerkutatás, az élelmiszerek összetételének vizsgálata, a malária elleni küzdelem, és az orvosi eljárásoknál gyorsabban diagnosztizálható például a mellrák vagy a prosztatarák is.

A vegyületek "vallatása" - NMR

prion szerkezete

Míg a tömegspektrometria a vegyületek azonosításában játszik szerepet, addig a mágneses magrezonancia (röviden: NMR) segítségével a szerkezet is felderíthető. Még a legnagyobb fehérjék szerkezete sem tanulmányozható mikroszkóppal, így más, hatékonyabb módszer után kellett nézni. Korábban a szerkezet felderítésére röntgensugarakat alkalmaztak és 1962-ben Max Perutz a globuláris fehérjék szerkezetvizsgálatáért el is nyerte a kémiai Nobel-díjat. A röntgendiffrakciós módszer hátránya, hogy az anyagokat csak szilárd halmazállapotban lehet vizsgálni. A biomolekulák azonban többnyire folyadékban vannak természetes körülmények között. Felix Bloch és Edward Purcell az 1940-es években felfedezték, hogy bizonyos atomok magjai erős mágneses térben képesek bizonyos frekvenciájú elektromágneses hullámok elnyelésére. Ezt a felfedezést, mely arra utal, hogy az atommag valamiféle rezonanciára képes, 1952-ben fizikai Nobel-díjjal jutalmazták. A két tudós kimutatta, hogy az elnyelt frekvencia nemcsak a külső mágneses tértől és az anyagi minőségtől, hanem attól is függ, hogy az adott atom közelében milyen más atomok vannak. Ez az ún. mágneses magrezonancia, melyre főleg a H-atomok képesek, és amelyet később a svájci Richard Ernst tökéletesített, elnyerve az 1991-es kémiai Nobel-díjat. Ernst ugyanazon az egyetemen dolgozott, mint a 2002. évi díjazott Kurt Wüthrich. A módszer azonban nehezen volt alkalmazható bonyolultabb molekulákra (pl. fehérjék) a kapott jelek összetettsége miatt. Wüthrich az 1980-as években kidolgozott egy olyan eljárást, mellyel minden egyes NMR-jelhez meghatározható a megfelelő H-atommag a molekulában. Kutatásai nyomán matematikai módszerekkel meghatározható a H-atommagok távolsága is, így fény derülhet egy bonyolult molekula háromdimenziós szerkezetére. Mára a fehérjék 15-20%-ának derítették fel a térszerkezetét az NMR és Wütrich módszerének segítségével. Ez több ezer szerkezetet jelent. A többit röntgen diffrakcióval és más diffrakciós módszerekkel sikerült felderíteni.

A mágneses magrezonancia alkalmazásai

NMR labor

Az NMR jól kiegészíti a többi szerkezetvizsgáló módszerrel kapott eredményeket, és előnye, hogy oldatban levő vegyületek szerkezetét is meg lehet határozni. Ez a technika tette lehetővé a nemrég felfedezett prionok kutatását, amilyenek a Kreutzfeld-Jakob kór okozói is. (Orvosi Nobel-díj 1997) A mágneses magrezonancia alkalmazása előrelépést jelentett a gyógyszerkutatásban, a DNS vizsgálatában, és egyre több helyen jelenik meg az orvosi diagnosztikában is.

Linkek

A Nobel-díj hivatalos oldala - www.nobel.se

A 2002. évi kémiai Nobel-díj - www.nobel.se/chemistry/laureates/2002/index.html

Virtual Biochemistry Laboratory - www.nobel.se/chemistry/educational/vbl/index.html

Bevezetés a tömegspektrometriába - masspec.scripps.edu/information/intro/index.html

Szerkezetvizsgáló módszerek a molekulageometriában - caesar.elte.hu/kation/vegybank/molekula/index.htm

Felületvizsgáló módszerek - http://www.poli.hu/attila/sur/

Csoportot ajánlunk

Kapcsolódó oldalak

Scientix A természettudományos oktatás közössége
All you need is code Minden a kódolás tanulásáról
A National Geographic A National Geographic honlapja.
Interpress Magazin Az IPM honlapja archívummal
Világtudomány.hu A magyar és nemzetközi tudományos élet hírei
Űr világ Asztronautikai hírportál