Világító molekulák a konyhában – egy felfedezés útja a közösségi tudományig

De mitől lesz intelligens egy anyag? Hogyan segíthet a rákgyógyításban vagy a környezeti károk elhárításában? És miként válhat a kémiatudomány hétköznapi otthoni játékká? Többek között erről beszélgettünk a „világító molekulák” felfedezésében részt vett kutatóval, dr. Nagy Miklóssal, a Miskolci Egyetem Kémiai Intézetének egyetemi tanárával, az I-CAN projekt szakmai vezetőjével.

Sokak számára bizonyára magyarázatra szorul, hogy miért nevezhető „intelligensnek” egy molekula?

A 21. századot az intelligens anyagok korának is nevezik. A korábban használt anyagok úgynevezett tömeganyagok voltak, amelyek egy célra voltak használhatók. Ma már viszont elvárás, hogy az anyagok multifunkcionálisak legyenek, és – akárcsak az élőlények – reagálni tudjanak a környezetük változásaira. Gondoljunk csak a kaméleonra: ha a környezetének a háttérszíne változik, alkalmazkodik hozzá. Vagy egy egyszerűbb, hétköznapi példa: a hőérzékeny bögre, amin megjelenik egy minta, ha forró kávét öntünk bele. A mi kutatásunk központi üzenete, hogy egy sikeres magyar példán keresztül sikerült megmutatnunk: a modern kémia képes olyan intelligens molekulákat tervezni, amelyek aktívan reagálnak a környezetükre. Hasonló elven működnek egyébként az űrtechnológiában vagy a sebészetben használt alakemlékező anyagok is.

Valahogy így működik az Önök által felfedezett molekulacsalád is?

Pontosan! A mi anyagunk is a külső ingerekre, egészen pontosan a fényre, főleg az ultraibolya (UV)-fényre válaszol. Ezeket az intelligens izocianidokat úgy érdemes elképzelni, mint parányi, molekuláris lámpásokat. Két nagyon fontos tulajdonságuk van: a fényük színe és az intenzitása. A kutatócsoportunk az utóbbi években úttörő, világviszonylatban is egyedülálló eredményeket ért el egy intelligens, izociano-aminonaftalin (ICAN) alapú vegyületcsalád kifejlesztésében. Képzeljen el egy olyan, bizonyos kémiai anyagok hatására a színüket megváltoztató, úgynevezett szolvatokróm vegyületcsaládot, ami úgy viselkedik, mint egy svájci bicska!

A molekula szerkezetének apró, de célzott finomhangolásával egy hihetetlenül sokrétű, gyönyörűen szabályozható eszközt hoztunk létre. Sőt, ezek a molekulák több „rekordot” is tartanak: a mieink a legkisebb molekulatömegű világító jelzőmolekulák a világon, amelyekkel higanyt, illetve a vegyiparban gyakran használt oldószereket, mint a bőrön keresztül felszívódó dimetil-szulfoxidot, a DMSO-t, vagy akár a szennyvízben károsanyagként előforduló xilolt lehet kimutatni.

Miért is lehet erre szükség?

A fluoreszcencia az anyagtudományok egyik leglátványosabb, és a laikusok számára is legkönnyebben elmagyarázható ága. A fluorofórok, vagyis ezek az apró, fluoreszcens molekulák – nevezhetjük őket „lámpásoknak” is – a környezetüktől függően változtatják a fényüket, ezzel pedig láthatóvá teszik a láthatatlan világot. Aki nézett már mikroszkópba, mondjuk biológia órán, és megnézett egy vékony hagymaszeletet, tudhatja, miről beszélek: festés nélkül szinte semmit sem látni, mert a hagymasejtek is átlátszóak. A mi „lámpásaink” viszont bejutnak a sejtbe, és „világító sejtfestékként” mutatják meg a belső működést. Ráadásul a fluoreszcens fény annyira érzékeny, hogy hihetetlenül kis mennyiségű festék is elegendő a vizsgálatokhoz. És nem csak biológiai, hanem környezeti változásokat is jeleznek: például azonnal megmutatják a nehézfém-szennyezést a vizeinkben, vagy éppen az emberi szervezetre káros aromás vegyületek jelenlétét.

Milyen területeken van jelentősége ezeknek a világító molekuláknak?

Világviszonylatban is egyedülálló, hogy a mi vegyületeink ennyi mindenre jók egyszerre. Az orvostudományban például a rákgyógyításban óriási potenciál van bennük. Már publikáltunk is egy alkalmazást, a fotodinamikus terápiát (PDT), aminek az a lényege, hogy a festékmolekulát egyenesen a rákos sejtbe juttatjuk, majd célzottan, fénnyel megvilágítjuk. A molekula a fény energiáját felhasználva oxigéngyököket hoz létre, amelyek belülről robbantják szét a daganatos sejtet.

De egyedülálló antifungális, azaz gombaölő hatásuk is van! Mivel a természetben alig fordulnak elő izocianid alapú molekulák, a gombák még nem alakítottak ki rezisztenciát ellenük, így a legmakacsabb fertőzéseket is gyógyíthatják a legyengült immunrendszerű betegeknél. Ez például egy újabb világjárványnál rengeteg ember életét mentheti meg.

Ugyanakkor kiválóak környezetvédelmi célokra, például higanymentesítésre is. A fosszilis tüzelőanyagok égetésével rengeteg mérgező higany kerül a természetbe. A mi molekuláink színváltozással, gyorsan és környezetbarát módon jelzik a veszélyes fémek jelenlétét, és szinte „kihalásszák” ezt a szennyeződést a vízből és a levegőből. Sőt, a vegyipar egyik legfontosabb alapanyagának számító aromás szénhidrogénkeverék, az úgynevezett BTX (benzol-toluol-xilol) frakciók pontos meghatározására is alkalmazhatók. Ezekből a sokrétű kutatásokból eddig két elfogadott és két benyújtott nemzetközi szabadalmunk van. Valamint, legfontosabb molekuláink az 1,5-ICAN és az 1,5-DIN már angol nyelvű Wikipédia oldallal is rendelkeznek.

A nem látható világ láthatóvá tétele kimondottan érdekes. De mit hasznosíthat ebből a hétköznapi ember a mindennapi életében, aki az Ön által említett szakkifejezések jelentésével és jelentőségével nincs tisztában? 

A kutatásokkal sokszor az a baj, hogy az emberek nehezen látják, mi közük lehet hozzájuk a hétköznapokban. A kémiát eleve sokan elvontnak, száraznak tartják. A filmek elhitetik velünk, hogy a laboratórium egy varázsműhely, ahol minden gőzölög és színpompás, holott a valóságban az anyagok 90 százaléka „unalmas”, színtelen folyadék vagy fehér por. Ezt nehéz „eladni”. A fluoreszkáló anyagok viszont egyszerűen fantasztikusan néznek ki, és a színváltozások otthoni körülmények között is könnyen előcsalogathatók. Pontosan ezért indítottuk el az I-CAN projektet, aminek a Citizen Science, vagyis a közösségi tudomány az alapja. Célunk, hogy a tudományt kivigyük a laborokból az emberek nappalijába. És persze az is cél, hogy bemutassuk a széles közönségnek, hogy az általunk fejlesztett aromás-izocianid vegyületek milyen izgalmas analitikai, biológiai és környezeti alkalmazásokkal bírnak.

Erre utal az angol elnevezése, az I-CAN, azaz: meg tudom csinálni?

Igen! A tudósok legbelül sokszor nagyra nőtt gyerekek, szeretünk játékos neveket adni a felfedezéseinknek. Az „ICAN” valójában egy kémiai elnevezés (IzoCiano-Amino-Naftalin) rövidítése. Magyarul ez nem igazán poén, de angolul az „I can” azt jelenti: képes vagyok rá. A projekt során olyan biztonságos, otthon is elvégezhető kísérleteket mutatunk be, amikhez nem kell más, csak a fluoreszkáló anyag és egy egyszerű UV-lámpa. Tudta például, hogy a tonikban lévő kinin gyönyörűen, kékesen világít UV-fényben? George Gabriel Stokes már az 1850-es években felfedezte ezt a jelenséget. De fluoreszkálnak a szövegkiemelők, vagy a kalandfilmekből ismert világító rudak – utóbbiak egyébként az úgynevezett kemilumineszcencián alapulnak. Sőt, az egyik kedvenc otthoni trükkünk, hogy fluoreszcenciával le lehet buktatni a hamisított olívaolajat.

Ellenőrizhetjük otthon az olívaolaj valódiságát, hogyan?

Ebből a témából tervezünk egy kifejezett „fluoreszcens online kihívást”, de a titkot már most elárulom: ha veszünk egy egyszerű, az emberi szem számára nagyrészt láthatatlan fényt kibocsájtó, például a bankjegyek vizsgálatára használt 365 nanométeres UV-lámpát és megvilágítjuk vele a valódi, extra szűz olívaolajat, az a benne lévő klorofill és más növényi maradványok miatt sárgás-zöld színben kezd világítani. A finomított vagy hamisított olajból ezek az anyagok hiányoznak, így az teljesen sötét marad az UV-fény alatt.

Hogyan vonják be a közönséget a kihívásokba?

Egy komoly közösségi média hálózatot építünk erre. Lesz saját weboldalunk, de használjuk a Miskolci Egyetem YouTube-csatornáját, a Facebookot, a TikTokot és az Instagramot is. Készítünk rövid, fél- vagy egyperces videókat a kísérletekről, és arra buzdítjuk az otthon lévőket: próbálják ki, vegyék fel videóra és küldjék vissza nekünk. Rendkívül egyszerű, biztonságos, de annál látványosabb kísérletekben lehet majd részt venni.

Ön is így kezdte?

Nagyjából az általános iskola 7. osztályában. Gyerekként rengeteg tudományos ismeretterjesztő könyvet olvastam, az Ég és Föld, a Rejtelmes világ, vagy a Fantasztikus természetrajz óriási kedvenceim voltak. Amikor 7. osztályban bejött a kémia tantárgy, Hajdúnánáson volt egy fantasztikus tanárom, aki teljesen megszerettette velem ezt a világot. Onnantól folyamatosan versenyeztem, országos döntőkbe jutottam, majd egyenes út vezetett a debreceni Kossuth Lajos Tudományegyetem vegyész szakára.

Kutatóként miért tartja fontosnak, hogy leegyszerűsítse és átadja ezt a tudást a fiataloknak?

Mert világszerte megcsappant az érdeklődés az STEM (Science, Technology, Engineering and Mathematics), azaz a természettudományos és mérnöki tárgyak iránt. Mindenki a divatosabb vagy látszólag jobban fizető szakmák felé fordul, jogász, közgazdász vagy influenszer akar lenni. Viszont a világot működtetni kell! Ha nincsenek mérnökök, nem lesz gáz, áram, tiszta ivóvíz, és nem lesz gyógyítás sem. Szükség van az utánpótlásra! A mai multimédiás zajban nehéz megfogni az emberek figyelmét, de a fluoreszcencia látványvilága kiváló eszköz arra, hogy a természettudományokra fogékony fiatalokat elérjük, és remélhetőleg bevonzzuk őket a képzésbe.

Mit tanácsolna azoknak a diákoknak, akik most gondolkodnak a kémikusi pályán?

A saját példámból kiindulva: a sikerélmény megszerzését. A kutatás legnagyobb szépsége az, amikor rájössz, hogy olyasmit, mondjuk egy új molekulát vagy jelenséget fedeztél fel, amit előtted még senki a világon. Ez azonnali, pozitív visszajelzést ad. Mindig olyan szakmát kell választani, amit az ember igazán szeret csinálni, mert a sikerélmény az, ami hosszú távon éltet.

Az interjú a „Project I-CAN: Intelligens Fluoreszcens Molekulák – Látható Tudomány a Környezetvédelemért és Egészségügyi Diagnosztikáért (MEC_N 156757)” keretében készült.