Molekuláris építészet

 

A mögöttünk hagyott században a vegyész a természetes anyagokat elkülönítette (izolálta), szerkezetüket meghatározta és - a kémiai szintézist szinte művészetté fejlesztve - maga is szintetizálta. Századunkban a kémia új irányt vett; molekuláris halmazokat: szupramolekulákat tervezhetünk, s ezeket elemeiből összerakhatjuk. A "molekulamérnökség" kialakulásáról, eszközeiről és a benne rejlő lehetőségekről beszélgetünk Kálmán Erika vegyészprofesszorral.

Mi kellett ahhoz, hogy a molekuláris építészet talpra álljon, a laboratóriumi "rácsodálkozásból" gyakorlattá váljon?
- A XX. század végén - az élet kémiai folyamataiból ellesett algoritmusokat, megoldásokat hasznosítva - létrejött a kémia egy új területe: a szupramolekuláris kémia, a molekulák halmazainak kémiája, más néven a nanokémia. A nanokémiától egyenes út vezetett a molekuláris építészethez; módszerével nano méretű molekuláris eszközök és az élő anyag bizonyos tulajdonságaival felruházott komplex anyagok állíthatók elő. Ehhez, persze, számos dolog együttesére volt szükség. Az életfolyamatok kémiai alapjainak feltárásán kívül egyebek közt a molekuláris önszerveződés és alkalmazkodóképesség jelenségének a felismerésére.

Kalixarén vendégmolekulával

Mi szükség az új "mérnökségre"? Hiszen bármely, a kémiai kötés szabályai szerint felrajzolt molekula szintetizálható.

Mi jellemzi az élő anyag molekulahalmazait?
- A rendezettség, a szervezettség, az önjavítás, a reprodukálás, a növekedés és az alkalmazkodás képessége - hogy csak a legfontosabbakat említsem. Persze, külön-külön e tulajdonságok egyike sem elégséges az élet megjelenéséhez, az élethez ezek együttes jelenléte - és alighanem sok minden más is - szükségeltetik.

Hogyan jelenik meg mindez a molekulahalmazok szintjén?
- A rendezettség mindig valamilyen szerkezetet jelent; a molekulák az élő anyagban nem véletlenszerűen, hanem feladatukhoz igazodóan helyezkednek el. Szervezettségen azokat a mechanizmusokat, algoritmusokat értem, amelyek meghatározzák a halmaz tulajdonságait.
Általában jellemző a biológiai szupramolekulákra, hogy üregeket - zsebeket - tartalmaznak, s hogy az üregek váza, alakja és mérete flexibilis. Nyílásaikban és belső felületükön oxigén-, nitrogén- vagy kénatomok helyezkednek el, ezek mind erősen vonzódnak a fémionokhoz és más molekulák (hidroxidjainak vagy aminjainak) hidrogénjeihez. (Ez az alapja annak, hogy bizonyos molekulák felismerik egymást.)

A négy polipeptidlánc mindegyike egy-egy hemmolekulát (porfirinmolekulát) tartalmaz

Vajon létrehozhat-e az ember valaha is élő anyagot szintetikus módszerekkel?
- Ez izgalmas kérdés, nehéz rá válaszolni. Véleményem szerint a szupramolekuláris kémia fejlődése valószínűleg elvezet az élet eredetének megértéséhez. Az említett tulajdonságok egyikével, másikával rendelkező anyagokat előállíthatunk, s ez az emberiséget egy újabb technikai forradalom küszöbéhez vezetheti. Az úgynevezett intelligens anyagok fejlesztése területén már eddig is számos eredmény született.
Az élő anyag molekuláris szervezettségének vizsgálata során megismert szerkezetek előállítása 1967-ben a klasszikus - kovalens kémiai kötéseket eredményező - szintézis módszereivel indult meg. Charles Pedersen, az amerikai du Pont cég vegyésze egy szintézis melléktermékeként egy tizennyolc oldalú, hat oxigénatomot és két benzolgyűrűt tartalmazó molekulát nyert, ezt aztán később koronaéternek nevezte el. Pedersen azt tapasztalta, hogy a benzolban egyébként nem oldódó káliumpermanganát a koronaéter benzolos oldatában lila színnel oldódik. A jelenséget úgy értelmezte, hogy a káliumion "beesett a molekula centrumába", vagyis gazda-vendég kapcsolat alakult ki a koronaéter-molekula és a káliumion között. Később Pedersen olyan molekulákat is előállított, amelyek nátrium-, kálium- és céziumionok befogadására alkalmasak.
Jean-Marie Lehnnek és munkatársainak sikerült a koronaéterek háromdimenziós analógjait szintetizálni; ionmegkötő képessége tízezerszer jobb, mint a koronaétereké. A szupramolekulák - koronaéter-, a podand-, a kriptand- és szféradmolekulák - előállításában elért eredményeiért Pedersen, Lehn és Cram 1987-ben megosztott Nobel-díjat kapott.
Sok más nagymolekulát is szintetizáltak; konténertípusú gazdamolekulák a porfirinek, a ciklodextrinek és kalixarénmolekulák is. Különösen érdekes a porfirin; ez a csaknem sík szerkezetű molekula negatív töltésű vendégmolekula, például fluoridion megjelenésekor kádformát vesz fel.
Az út a kicsitől a nagy felé - az atomoktól a komplex anyagi rendszerekig, a naprendszerekig, a galaxisokig, az élő és gondolkodó anyagig - az anyag önszerveződésén keresztül vezet. A molekuláris építkezés technológiáját is az önszerveződésre kell alapoznunk.

Kerner István