A fény szerepe a mikrovilágban

A Mindentudás Egyeteme Szeged legutóbbi eloadását Ormos Pál, az Szegedi Biológiai Központ Biofizikai Intézetének professzora tartotta "A fény meglepo képességei a mikrovilágban" címmel. Valóban meglepo, hogy a 21. századi technika és tudomány milyen új ismereteket rejt magában.

Középiskolai fizikai tanulmányaiból talán még mindenki számára ismeretes, hogy a fény impulzust hordoz, vagyis erőt képes kifejteni. A makrovilágban ez a hatás általában elhanyagolható, a mindennapokban nem érezzük a fény nyomását. A mikrovilágban azonban ez a hatás jelentős lehet. Ha a lézer fényét mikroszkópban fókuszáljuk, ez már elegendően nagy erőt képvisel ahhoz, hogy mikronnyi méretű testeket mozgasson meg. Ez a hatás kiválóan alkalmazható a biológiában: egyes sejtek, molekulák forradalmian újszerű manipulálására ad lehetőséget. Az eljárás, illetve a készülék neve stílszerűen: lézercsipesz vagy fénycsipesz. E műszerrel a sejteket mechanikai kontaktus nélkül megfoghatjuk, akár sejten belüli szervecskéket is mozgathatunk, anélkül, hogy a sejtmembránt megsértenénk. Ormos Pál az eljárás fizikai alapjait ismertette, példákat mutatott a biológiai alkalmazásokra, és bemutatta a Szegeden végzett munkát, amelyben e módszert továbbfejlesztették és alkalmazzák.

A fénycsipesz...

Ormos Pál

Arthur Ashkin

Az eljárás fizikai alapja az úgynevezett gradiens erő: ha egy átlátszó, de a környezeténél nagyobb törésmutatójú anyagot olyan fénynyalábbal világítunk meg, amelynek az intenzitása térben nem homogén, a testre erő fog hatni, mégpedig olyan irányú, amely a fényintenzitás növekedésének irányába (a fénygradiens irányába) mutat. A közelmúltban történt kifejlesztésük óta e fénycsipeszeket egyre szélesebb körben alkalmazzák, bár a módszer teljes potenciálja még koránt sincs felderítve. A technika megvalósítása mikroszkópban történik: jó minoségű fluoreszcencia-mikroszkóp optikai útjába csatolják be a csapdázó lézerfényt, és a mintatérben rögzíthető a minta. A módszernek számos előnye van a más típusú rögzítési módokkal szemben. Erre néhány példa: mechanikai kontaktus nélkül képes mikronos méretű tárgyak megragadására, többféle mikroszkópos eljárással kombinálható, gyorsan irányítható. Erőssége változtatható, így erőmérésre is használható. A használható előtartomány éppen a biomolekulák működése közben fellépő erők nagyságrendjébe esik, és akár sejten belüli organellumok is könnyen manipulálhatók.

...szerepe a genetikában

Igen érdekes és számunkra fontos terület a fénycsipesznek a DNS-dinamika kutatásában való felhasználása. A DNS-molekula igen hosszú is lehet; a teljes emberi genom néhány méternyi DNS-t képvisel. A DNS-molekula, bár vastagsága kicsiny, igen nagy hosszúsága miatt megfelelő módszerekkel láthatóvá tehető. Fluoreszcens festékekkel jelölve egyes DNS-, illetve RNS-molekulákat közönséges fluoreszcens mikroszkópban láthatóvá lehet tenni. A molekulák végére mikronnyi méretű műanyag golyókat helyezve a nukleinsav-molekula fénycsipesszel rögzíthető, kifeszíthető. Az így kézben tartott molekula mechanikai tulajdonságai változatos módon tanulmányozhatóak. A területen az eddig elért talán legimpozánsabb eredmény egy RNS-polimeráz-molekula által kifejtett erő közvetlen megmérése volt a közelmúltban.

Az orvostudományban hatalmas jelentőséggel bírhat a fénycsipesz használatának elterjedése. Mesterségesen megtermékenyítő eszköznek is lehetne nevezni, mert a fénycsipesz segítségével a hímivarsejtet bele lehet vezetni a petesejtbe. A sejtek mechanikai tulajdonságait is meg lehet vizsgálni, segítségével könnyen meg lehet állapítani egy sejtről, hogy rákos-e, sőt egy sejten belüli orgánumot, mint például a sejtmagot is meg lehet fogni segítségével. Mindemellett még számos hasznos folyamatra alkalmazható: a kromoszómák szétvágása, válogatása, vagy a DNS új fogadósejtbe való áthelyezése is megoldható a fénycsipesszel.

Mikrogépek és chiplaboratórium

Fény hatására keményedő anyagokból lézeres megvilágítással (úgynevezett fotopolimerizációs eljárással) tetszőleges alakú mikroszkopikus testeket alakíthatunk ki. Ilyen testek lézercsipeszben bonyolult mikromanipulációs feladatok elvégzésére adnak lehetőséget. Akár összetett fénnyel hajtott mikrogépek is készíthetők, amelyeket a biológiában, biotechnikában alkalmazhatunk. Ilyen mikrogépek előállítását, működését is illusztrálta az előadás.

Mostanában nagy energiákkal fejlesztik a mikroszkopikus méretű csatornákból, edényekből, reakcióterekből összeállított úgynevezett mikrofluidikai berendezéseket, más néven "chiplaboratóriumokat". Ezeknek az a jelentősége, hogy nagyszámú, egyenként kis mennyiségű anyagon olcsón és gyorsan lehet vizsgálatokat végezni. A genomikai kutatásokban, a modern gyógyászatban sokat várnak e technológiától. A Szegedi Biológiai Központban kidolgoztak egy eljárást, amelyben fényérzékeny anyaggal bevont falú mikroszkopikus csatornákban fénnyel befolyásolni lehet a folyadékok áramlását. Ez a hatás lehetőséget ad a mikrofluidikai rendszerek optikai befolyásolására. A korábban említett eljárások kombinálásával bonyolult feladatokat ellátó, fénnyel vezérelt mikrolaboratóriumok alakíthatók ki. Ormos Pál előadása bemutatott ilyen irányú fejlesztéseket is.

Németh Attila Gergő
Forrás: Szegedi Egyetem