Tartalomjegyzék. Biokémiai Intézet Biofizikai Intézet Genetikai Intézet Információ Ajánlás Opioid peptidek

Információ................................................................................... 2

Biokémiai Intézet..................................... 33

Ajánlás........................................................................................... 3

Opioid peptidek......................................................................... 38

Igazgatók...................................................................................... 4

Molekulaszerkezet................................................................ 39

Innováció, kapcsolattartás.................................................. 6

Kémiai biológia......................................................................... 40

Biofizikai Intézet....................................... 7 Optikai mikromanipuláció..................................................... 8 Folyadék áramlásának vezérlése fénnyel a mikrofluidikában................................................................... 9 A víz szerkezetének hatása a fehérjeműködésre........ 10 Bioelektronika......................................................................... 11 Femtobiológia........................................................................... 12 Fénnyel hajtott mikrogépek a biológiában ................. 13 Alkalmazott kiroptikai spektroszkópia....................... 14 Humán biofizika, mozgásanalitika.................................. 15 Atomerőmikroszkóp biológiai alkalmazásai............... 16 Neuronális degeneráció....................................................... 17 Vér-agy gát és gyógyszertranszport............................... 19 Az agyi endotélsejtek működésének molekuláris alapjai................................................................ 20 Neuronális protekció és plaszticitás.............................. 21

Tartalomjegyzék

Tartalomjegyzék

Stresszfehérje alapú gyógyszerjelöltek kutatása-fejlesztése.............................................................. 41 Fehérjelebontás szerepe a sejtfolyamatok szabályozásában ..................................................................... 42 Kemoterápiás szerekkel szembeni érzékenység genetikai hátterének vizsgálata..................................... 44 A sejtközötti állomány fehérjéinek szerepe fejlődési és regenerációs folyamatokban..................... 45 Transzgenikus állatmodellek létrehozása a porcregeneráció vizsgálatára ..................................... 46 Betegségmodellek kifejlesztése és alkalmazása....... 47 Immunológia, Tumorbiológia, Fájdalomkutatás......... 48 Restrikciós endonukleázok és dns-metil transzferázok, a géntechnológia eszközei ................. 49 Szintetikus biológia: mesterséges baktériumsejt biomolekulák termeltetéséhez......................................... 50 Génkölcsönhatási hálózatok............................................ 51 Az antibiotikum rezisztencia evolúciója baktériumokban....................................................................... 52

Szinaptikus változások depresszióban........................... 22 A vakuoláris proton-atpáz: biomembránba épített molekuláris gépezet............................................... 23 Membránfehérjék funkcionális szerkezetbiológiája ............................................................... 24 Lipid-fehérje kölcsönhatások biológiai és modell rendszerekben .......................................................... 25 A citokróm c érése.................................................................. 26

Genetikai Intézet..................................... 53 A szimbiotikus nitrogénkötés molekuláris háttere........................................................................................ 54 Lucerna genetika..................................................................... 55 Toxin-antitoxin modulok rhizobiumokban................... 56 Mesterséges kromoszóma-őssejt rendszer.................... 57

Fehérjék elektromos vezetése............................................ 27

Immunválasz szabályozás autoimmun betegségekben és rákban ..................................................... 58

Redox fehérjék működése és szerkezete......................... 28

Daganatos betegségek molekuláris háttere............... 59

Autokatalitikus és oszcilláló enzimreakciók vizsgálata.................................................................................. 29

Egyénre szabott rákdiagnosztika és terápia.............. 60

A citokróm b561 fehérjék...................................................... 30

Régészeti genetikai kutatások.......................................... 61

Biohidrogén............................................................................... 32

Idegi differenciálódásban résztvevő genetikai hálózat vizsgálata............................................ 62

Bioremediáció............................................................................ 33

A veleszületett immunitás.................................................. 63

Biogáz........................................................................................... 34

Az aktin sejtváz szerepe az idegsejt nyúlványok növekedésében................................................. 64

Bioaktív peptidek/molekulák struktúrális bioinformatikája..................................................................... 35

Forminok szerepe az izomfejlődés során....................... 65

1

Tartalomjegyzék

Kromoszómaszerkezet és génszabályozás kapcsolatának vizsgálata.................................................. 66 Epigenetikai szabályozás..................................................... 67 Rovar neurohormonok és receptoraik genetikai analízise drosophila melanogasterben.......................... 68 Ivarsejtfejlődés genetikája................................................. 69 Bal-jobb aszimmetria.............................................................. 70 Dns javítás élesztőben.......................................................... 71 Rovar filogenetika és filogeográfia.............................. 72

Növénybiológiai Intézet........................ 75 A fényszabályozott növényi életfolyamatok molekuláris alapjai................................................................ 76 Biológiai óra növényekben.................................................. 77 Brasszinoszteroidok.............................................................. 78

Stressztűrés fokozása protektív enzimekkel.............. 89 Szárazságadaptáció gabonafélékben............................. 90 Géncsillapítás szintetikus oligonukleotidok alkalmazásával növényekben............................................ 91 A gazdasági növények szerveinek méretét befolyásoló génvariánsok azonosítása és működésük jellemzése............................................................ 93 A növényi növekedés szabályozásában résztvevő molekuláris folyamatok megértése és hasznosítása................................................... 95 A növényi egyedfejlődés szabályozásának sajátosságai............................................................................... 97 Megtermékenyítés és embriófejlődés növényekben.............................................................................. 98

Fotoszintetikus energiaátalakítás vizsgálata ........ 79

A só és szárazságtűrést befolyásoló gének azonosítása és jellemzése.................................................... 99

Nehézfém bioszenzorok kifejlesztése.............................. 80

A prolin és a szárazságtűrés............................................ 101

Komplex növényi stressz-diagnosztikai rendszer kifejlesztése........................................................... 81

A mitokondriális folyamatok szerepe a növényi stresszválaszban............................................... 102

Reaktív oxigén származékok azonosítása növényekben.............................................................................. 82 Önszerveződő fotoszintetikus fénybegyűjtő rendszerek ................................................................................ 83

Központi Laboratóriumok.................. 103 Fehérjecsipek........................................................................... 104

Alternatív elektrontranszport hőstressznek kitett fotoszintetikus rendszerekben .......................... 84

Fehérje-analitika tömegspektrometriával................ 105

Mekkora rend van a sejtekben? Új mikroszkópos eljárás a rendezettség mérésére; biológiai alkalmazások .................................. 85

Biológiai rendszerek modellezése.................................. 106

Anionos (negatív töltésű) lipidek szerepe foto szintetikus szervezetek életfolyamataiban................ 86

Genom-informatika.............................................................. 108

Biodízel előállítás algák segítségével.......................... 87

Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Kutatóközpont Az Európai Unió Kiválósági Központja

2

A gabonafélék fagyállóságának növelése.................... 88

6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Tel.: 62-599-600 Fax: 62-432-576 http://www.szbk.u-szeged.hu vagy http://www.brc.hu

Molekuláris hálózatok..................................................... 106

Géncsaládok funkcionális annotációja...................... 108

Mikroszkópos képfeldolgozás és a sejtosztódás mikroszkópos elemzése.......................... 109

Ajánlás

Ajánlás A Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Biológiai Kutatóközpontjának bemutatkozó kiadványát tartja kezében a kedves érdeklődő. A Kutatóközpont közel 40 évvel ezelőtti alapítása óta a molekuláris biológia egyik meghatározó kutatóbázisa, ma a Magyar Tudományos Akadémia legnagyobb kutatóhelye. Négy Intézetre tagolt struktúrában összesen 460 dolgozóval, 250 kutatóval a modern biológia valamennyi területét lefedve végzünk tudományos kutatást. Szoros kapcsolatot ápolunk a Szegedi Tudományegyetemmel. Lehetőségeinkhez mérten részt veszünk az egyetemi oktatásban is valamennyi szinten, ennek keretében még 70 PhD hallgató is részese kutatói gárdánknak. A kiadvány részleteiben ismerteti a Kutatóközpont Intézeteiben folyó kutatómunkát. Az anyag struktúrája természetes: bemutatjuk az Intézetekben kutatott témákat, a vezető kutatókat. Jól látható témáink sokfélesége, a molekuláris genetikától többek között a szerkezeti biológián, a fejlődésbiológián, fotobiológián, rendszerbiológián át a nanobiotechnológiáig szinte minden, a modern biológiára jellemző területen végzünk elsőrangú kutatómunkát a nemzetközi tudós közösség által elismert és nagyra értékelt eredményekkel. Munkánkat természetesen – a tudományos kutatásra alapvetően jellemző módon – a hazai és nemzetközi tudós társadalom részeként, együttműködésekben végezzük. Tevékenységünk jellege felfedező kutatás: célunk új biológiai jelenségek, összefüggések felfedezése, új ismeretek szerzése. Eredményeink az egyetemes tudást

Szeged, 2010.

gazdagítják, egyúttal az új ismeretek hozzásegítenek új ipari eljárások kidolgozásához. Tisztában vagyunk azzal, hogy a társadalom hasznosságot vár tőlünk, felfedezéseinknek végül anyagi értéket kell termelniük, elő kell segítsék a társadalom jólétét. Jól működő társadalomban az ipar a tudomány eredményeit jó hatásfokkal hasznosítja, igazán fejlett, korszerű ipar a tudomány felfedezéseire épül, azokat alkalmazza új eljárásaiban. Munkánk, kutatásaink beágyazódnak az ország kutatás-fejlesztésének rendszerébe. Magunk is hozzájárulunk, hogy a Kutatóközpontunkban született tudományos eredmények gyakorlati hasznosulása minél hamarabb megtörténjen. Segítjük a felfedezésekre épülő úgynevezett spin-off vállalkozások létrejöttét-működését. Jelenleg körülbelül 65 ipari szabadalom védi a rövid távon is alkalmazható eredményeink jogait, és több spin-off cég alakult és működik a nálunk elért eredmények gazdasági hasznosítására. Mindent megteszünk e cégek további fejlődésének elősegítéséért, mert meggyőződésünk, hogy az ezek által kínált lehetőségek fontos kitörési pontjai lehetnek a korszerű magyar ipar fejlődésének. Reméljük, anyagunk jól bemutatja a Kutatóközpontban folyó munkát, és bízunk benne, hogy az egyes kutatási témák áttanulmányozása élvezetes intellektuális élményt nyújt. Akkor érünk el e kiadvánnyal valóban jó eredményt, ha sikerül az érdeklődő kíváncsiságát annyira felkeltenünk, hogy további információra, kapcsolat felvételére merül fel igény. Készséggel állunk az érdeklődők rendelkezésére.

Dr. Ormos Pál főigazgató

3

Igazgatók

Igazgatók

Dr. Ormos Pál Főigazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-768 • Fax: 62-433-188 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Keczán Józsefné Telefon: 62-599-769 E-mail: [email protected]

Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-613 • Fax: 62-433-133 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Gémes Andrea Telefon: 62-599-614 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Hrk Anikó Telefon: 62-599-609

Dr. Pósfai György Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Biokémiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-778 • Fax: 62-433-506 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Ökrösné Miklós Olga Telefon: 62-599-654 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Kordás Mónika Telefon: 62-599-642

4

Igazgatók

Igazgatók

Dr. Erdélyi Miklós Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Genetikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-686 • Fax: 62-433-503 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Soltész Csilla Telefon: 62-599-657 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Abonyi Csabáné Telefon: 62-599-656

Dr. Vass Imre Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont, Növénybiológiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-700 • Fax: 62-433-434 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Károlyi Mariann Telefon: 62-599-714 E-mail: [email protected] Gazdasági ügyintéző: Kanalas Józsefné Telefon: 62-599-713

Dr. Báthori János Gazdasági Igazgató, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-736 • Fax: 62-433-494 • E-mail: [email protected] Titkárnő: Miletin Anna Telefon: 62-599-735 E-mail: [email protected]

5

Innováció, kapcsolattartás

Innováció Dr. Vígh László Innovációs Főigazgató-helyettes, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Tel./Fax: 62-432-048 E-mail: [email protected] Titkárnő: Ökrösné Miklós Olga Telefon: 62-599-654 E-mail: [email protected]

kapcsolattartás Dr. Páy Anikó Tudományos Titkár, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-763 Fax: 62-432-576 E-mail: [email protected] Titkárnő: Gondáné Lehmann Edina Telefon: 62-599-763 E-mail: [email protected]

Dr. Heffner Péter Pályázati Iroda Vezető, MTA Szegedi Biológiai Kutatóközpont 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521. Telefon: 62-599-727 E-mail: [email protected] Pályázati Asszisztens: Kiss Anita Telefon: 62-599-727 E-mail: [email protected]

6

Biofizika

SZBK Biofizikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

7

Biofizika

Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium Témavezető:

Dr. Ormos Pál

Tel.: 62-599-613 E-mail: [email protected]

OPTIKAI MIKROMANIPULÁCIÓ A fény impulzust hordoz, vagyis testekbe ütközve erőhatást képes kifejteni. Mégis, a mindennapok makrovilágában a fény nyomása elhanyagolható. Más a helyzet azonban a mikrovilágban: ha mikrométeres mérettartományú részecskét átlagos intenzitású lézerfénnyel világítunk meg, a fénynyomás hatása jelentős lehet. Ha egy, a környezeténél nagyobb törésmutatójú anyagból készült mikroszkopikus testet fókuszált fénybe helyezünk, az a fókuszban csapdázódik. E módszerrel egyes sejtek, molekulák manipulálhatók: mozgathatók, nyújthatók, stb. Alapesetben egy gömb alakú test pozícióját határozza meg az optikai csipesz. További manipulációs lehetőséget nyújtana, ha még a megragadott test helyzetét, orientációját is meg tudnánk határozni: ez kiterjesztené a manipulációs lehetőségek körét. Laboratóriumunkban azt vizsgáljuk, milyen a kölcsönhatás az optikai csipesz és speciális alakú mikroszkopikus testek között. Fényre keményedő gyantából foto-polimerizációval tetszőleges alakú testeket tudunk előállítani, és e testekkel vizsgáljuk a csapdázás új jelenségeit, illetve segítségükkel újfajta mikromanipulációs eszközt készítünk. Két tipikus eljárást mutatunk be. Helikális, propeller alakú testek fénycsipeszben forogni kezdenek, e rotorokkal testek forgathatók, gépek hajthatók velük. Készítettünk fény hajtotta összetett, biológiában használandó gépeket.

8

Ha az optikai csipeszt lineárisan polarizált fény alkotja, lapos testek csapdázva a polarizáció síkjában orientálódnak. Ezen eljárással a testek orientálhatók. Ha a lapos testre próbamolekulát erősítünk, arra forgatónyomatékot tudunk kifejteni, mérni. Így molekulákat csavarhatunk, meghatározhatjuk molekulák torziós tulajdonságait. Ez a biológiában nagyon fontos, hiszen sok forgással járó biológiai folyamat van. Például a DNS-ben tárolt információhoz a molekula csavarásával lehet hozzájutni. Módszerünkkel meg tudunk csavarni egyetlen DNS molekulát, és meg tudjuk határozni a DNS molekula csavarási rugalmassági állandóját – a működés megértéséhez fontos paramétert.

Óriásmolekula csavarása a lézercsipeszben. A fény polarizáció síkját forgatva forgatjuk a molekula végére erősített lapos testet.

Témavezető:

Biofizika

Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia Laboratórium

Dr. Ormos Pál

Folyadék áramlásának vezérlése fénnyel a mikrofluidikában A modern, genomikai megközelítésre alapozott biokémiai, orvosdiagnosztikai kutatásokban egyre nagyobb szükség van olyan műszerekre, amelyek kis mennyiségű anyagon de igen nagyszámú mintán lehetőleg gyorsan végeznek méréseket. E követelményeknek a méretek csökkentésével lehet megfelelni, és a mikrofluidika (chiplaboratórium) az a kutatásfejlesztési irányzat, amely ebben az irányban keres új megoldásokat. Világszerte nagy intenzitással kutatják-fejlesztik a területet. A mikro- illetve nanométer karakterisztikus méretű reaktorokban lezajló folyamatok dinamikája nem pontosan ismert még, ennek megfelelően nincs kialakult megoldás az egyes feladatokra, számos irányban folyik a fejlesztés. Ilyen mikrofluidikai eszközöket fejlesztünk, mégpedig olyanokat, amelyeket fénnyel lehet vezérelni: ez nagyfokú rugalmasságot ígér a működésben. A megalapozó fizikai jelenségeket kutatjuk, vizsgáljuk az alkalmazás lehetőségeit. Kidolgoztuk a fényvezérelt elektroozmózis technikát. Folyadékkal telt csatorna falának töltését leárnyékoló töltések jelennek meg a folyadékban, és ezek elektromos térrel mozgathatók. Mikroméretű csatornákban a teljes folyadékmennyiség mozgatható ily módon, ez az elektroozmózis jelensége. A mikrocsatorna falát fény vezető anyaggal vonjuk be. A folyadékot az elektroozmózist felhasználva elektromos térrel mozgatjuk a mikrocsatornában, de a fényérzékeny falú csatorna megvilágításával az elektromos tér fénnyel befolyásolható, és így a folyadék mozgatása fénnyel vezérelhető. Különböző áramlásvezérlő elemeket dolgoztunk ki. Egyetlen csatornában a folyadék áramlását tudjuk fénnyel ki-be kapcsolni. Készítettünk fénnyel vezérelt

folyadékkapcsolót, itt fénnyel választjuk ki, hogy elágazó csatornában a folyadék melyik ágban folyjon. A mikrofluidika mérettartományában az áramlás mindig lamináris, ezért különös probléma a keverés, márpedig ez kulcskérdés a kémiai reakciók hajtásánál. A fényvezérelt elektroozmózis megoldást ígér e problémában is. Ha a mikrocsatorna fényérzékeny falát megfelelő mintázatú fénnyel világítjuk meg, a folyadék áramlás mintázatát is befolyásolni, szabályozni tudjuk egyetlen mikrocsatornán belül. Ezzel az eljárással lehetőség nyílik folyadék keverési algoritmusok kialakítására. A jelenséget kísérletekkel tanulmányozzuk, illetve megvalósítottuk a vizsgált rendszerek teljes számítógépes szimulációját. A kidolgozott módszerek alkalmasak a mikro csatornák áramlási jelenségeinek a vizsgálatára, ugyanakkor komoly gyakorlati jelentőségük van, hiszen újszerűen vezérelhető mikrofluidikai eszközök előállítására ad lehetőséget. Célunk teljesen fényvezérelt, komplex biokémiai feladatot ellátó mikrofluidikai rendszerek kifejlesztése.

Fényvezérelt folyadékkapcsoló szimulációja. Az elektromos tér és a folyadékáramlás jellemzőit véges elem módszerrel határoztuk meg.

9

Biofizika


Dr. Dér András


A VÍZ SZERKEZETÉNEK HATÁSA A FEHÉRJEMŰKÖDÉSRE A vízmolekula a harmadik leggyakoribb molekula a világegyetemben (a H különböző formái és a CO után), és a leggyakoribb a Földön. Az élőlények nagy része víz (minden szervezettségi szinten). Ha elvonjuk a vizet, a fehérjék sem működnek. „A víz a fehérjéket körülvevő mátrix, amely biztosítja a stabilitásukat és a flexibilitásukat egyaránt” (Philip Ball). Különleges molekuláris tulajdonságai: nagy dipólmomentum, H-kötések hálózata, gyors kicserélődés. Mindezek miatt a vízmolekulák laza, dinamikus struktúrákba szerveződnek:

Alacsony hőmérsékleten sok ilyen konformáció van, magas hőmérsékleten kevés (a H-kötések gyengülése miatt). Mi lehet a következménye a H-kötések erőssége változásának a fehérjékre? A hőmérsékletváltozás hatása komplex, mert a hőmozgást is megváltoztatja. A fenti kérdés kísérleti megválaszolásához ezért ehelyett próbálkozhatunk olyan sók hozzáadásával, amelyek nem lépnek specifikusan kölcsönhatásba a fehérjékkel, de hatnak a vízre. A sók ilyen közvetett 10

hatása a fehérjékre régóta ismert, összefoglaló néven Hofmeister-hatásnak nevezik. Lényege, hogy a semleges sók közepes és nagy koncentrációkban (>100 mM) befolyásolják a fehérjék aggregációs tulajdonságait. A megfigyelések szerint a hatást főként az anionok határozzák meg. Hofmeister 1888-ban sorba rendezte az anionokat aszerint, hogy milyen hatékonysággal csapják ki a globuláris fehérjéket: SO4–– > F– > CH3COO– > Cl– > Br– > I– > ClO4–, SCN– A Cl – ionnak a legkisebb az oldhatóságra gyakorolt hatása. A sorban tőle balra elhelyezkedőket kozmotropoknak nevezik (hatásuk: „kisózás”, fokozott aggregáció), jobbra a kaotropok találhatók („besózás”, csökkent aggregáció). Érdekes módon később ugyanezt a sort találták a fehérjeaktivitásra is: a kozmotropok általában stabilizálnak és növelik az enzimaktivitást, a kaotropok pedig ellenkezőleg, de esetenként éppen fordítva van. Többek között az ilyen kivételek miatt még mindig nincs koherens elmélete a Hofmeister-effektusnak. Kutatásaink célja egy ilyen elmélet kidolgozása és gyakorlati alkalmazása. Kiindulópontul az szolgál, hogy mind az aggregációnál, mind a konformáció-változásnál felületváltozás történik. Hipotézisünk szerint a víz-fehérje határfelületi feszültség sófüggése magyarázatot ad a Hofmeister-hatásokra. Ezt már lényeges elméleti és kísérleti bizonyítékokkal támasztottuk alá.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A hatás mikroszkopikus értelmezését a fehérjék fluktuációinak vizsgálatával szándékozzuk megadni. Célunk továbbá a fehérjeműködést kísérő nagy konformációváltozások kimutatása a Hofmeister-hatás segítségével.

Dr. Dér András

Témavezetők:


Biofizika


Dr. Ormos Pál


BIOELEKTRONIKA A nemzetközi szakirodalomban a bioelektronika szót általában két különálló tudományág megjelölésére használják. Az egyik – a biofizikai alapkutatás részeként – az élő szervezetekben lejátszódó elektromos jelenségekkel foglalkozik, a másik pedig – mint a legutóbbi évtizedekben kifejlődött információ-technológiai diszciplína – biológiai eredetű anyagok elektronikai alkalmazási lehetőségeit kutatja. E két szakterület szoros kölcsönhatásban van nemcsak egymással, hanem olyan – első pillantásra kissé távolabb eső – tudomány ágakkal is, mint pl. az alkalmazott optika. Az elektromos jelenségek meghatározó szerepet játszanak az érzékelésben, mozgásban, energiaátalakításban és más fontos életfunkciókban. A különböző szervezettségi szinteken mérhető elektromos jelek értékes információval szolgálnak a fenti folyamatokra vonatkozóan (ld. pl. a közismert diagnosztikai alkalmazásokat [EKG, EEG]). A kutatások kiderítették, hogy mindezek a jelenségek visszavezethetők sejtmembrán-közeli folyamatokra, amelyekben az ún. ionpumpák játsszák az aktív szerepet. Ezek a membránba ágyazott különleges fehérjemolekulák pl. fény, ATP, vagy metabolitok rovására hozzák létre az általuk transzportált ion aszimmetrikus eloszlását (az „elektrokémiai potenciált”), amely az információtovábbító és energiaátalakító folyamatok hajtóerejét adja. Az ionpumpák működésével együtt járó elektromos és abszorpciókinetikai jelek mérésére, illetve értelmezésére intézetünkben többféle módszert is kidolgoztunk. Egyik módszerünket sikerült oly módon általánosítanunk, hogy az elektromos jelek mindhárom térdimenzióban történő detektálása lehetővé vált. A technika alkalmazásától azt várjuk, hogy – molekuladinamikai számolásokkal kombinálva – alapvető információval szolgál az ionpumpák elektromos szerkezetének a molekula működése közben bekövetkező változásaira vo-

natkozóan. Módszerünk hatékonyságát a legegyszerűbb ionpumpáló membránfehérje, a bakteriorodopszin (bR) példáján mutattuk be, amely esetben már elérhető közelségbe került a fehérjeműködés atomi szintű leírása.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az előzőekben olyan biofizikai kutatásokról számoltunk be, amelyek azt demonstrálják, hogyan segíthet a fizika biológiai alapproblémák megoldásában. Emellett azonban ez a reláció akár meg is fordítható, vagyis a biológia is hozzájárulhat (alkalmazott) fizikai kutatási eredmények eléréséhez. Különleges fotoelektromos és optikai tulajdonságai miatt a bR lehetséges opto elektronikai alkalmazásait minden más biológiai eredetű anyagénál intenzívebben kutatják szerte a világon. A publikációk egy része a fehérje fotoelektromos tulajdonságát használja fel, nagyobb hányaduk pedig azt használja ki, hogy bR polarizációs hologramok rögzítésére, illetve dinamikus adattárolásra alkalmas. Saját kísérleti adataink mindezek mellett azt bizonyítják, hogy a bR-alapú filmek – kedvező optikai tulajdonságaiknál fogva – integrált optikai alkalmazások aktív elemeiként, pl. optikai kapcsolókként is használhatók.

Távolabbi célunk a kapcsolási sebesség növelése, valamint egyedi struktúrájú hullámvezetők felhasználásával komplex, fehérje-alapú integrált optikai áramkörök kialakítása. 11

Biofizika


Dr. Groma Géza


FEMTOBIOLÓGIA A femtobiológia a közelmúltban létrejött új tudomá nyág, mely a biológ ia i rendszerekben a femtos zekund umos (10 -15 s) időskálán lezajló folyamatokkal foglalkozik. Noha a közismert biológiai reakciók általában ennél lényegesen lassabbak, az elemi molekuláris események, így kémiai kötések kialakulása és bomlása, valamint a vibrációs és rotációs mozgások ebben az időtartományban mennek végbe. Ilyen értelemben tehát minden kémia femtokémia és minden biológia femtobiológia. A klasszikus spektroszkópiai módszerekkel a fenti folyamatok csak közvetve, a frekvenciatartományban voltak tanulmányozhatók. Az ultragyors lézerek megjelenése lehetővé tette e jelenségek közvetlen időtartományban történő vizsgálatát, ezáltal lényegesen gazdagabb, ezelőtt elérhetetlen információk megszerzését. Nemzetközi együttműködések keretében folytatott vizsgálataink elsősorban a bakteriorodopszin (bR) fehérjében lejátszódó fényindukált ultragyors töltésszétválasztási folyamatokra irányultak, melyeket az általuk keltett koherens elektromágneses sugárzás mérésével követtünk (1. ábra).

A koherens emissziót az infravörös tartományban 10 fs időfelbontással detektálva biológiai mintán elsőként mutattuk ki az optikai egyenirányítás jelenségét, amely a fehérje retinál kromofórjának gerjesztett állapotában fellépő elektron polarizációból adódik. E technikával a tényleges időtartományban megfigyelhetővé váltak a gerjesztést követő molekuláris vibrációk is (2. ábra). 0.15

acid blue bR

0.1

0.05

0

−0.05

−0.1

0

0.2

0.4

0.6 0.8 Time (ps)

1

1.2

1.4

2. ábra. A koherens molekularezgések időbeli detektálása (kék) és annak modellezése (piros).

Ugyancsak elsőként mutattuk ki a bR fényindukált koherens sugárzását a terahertzes tartományban. A 200 fs időfelbontással végzett mérések lehetővé tették a gerjesztést követő elektron- és a kezdeti funkcionális protonmozgások együttes megfigyelését.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás

1. ábra. A bR aktív centrumában lezajló töltésátrendeződés elektromágneses sugárzást kelt.

12

Intézetünkben fejlesztés alatt áll egy ultragyors mérőegység, melynek segítségével a közeljövőben ~100 fs időfelbontással fluoreszcencia élettartam mérések lesznek elvégezhetők. A rendszert országos szolgáltató laboratóriumként kívánjuk működtetni kutatási és fejlesztési feladatok megoldására.

Témavezető:

Biofizika


Dr. Kelemen Lóránd Tel.: 62-599-419 E-mail: [email protected]

Fénnyel hajtott mikrogépek a biológiában Az előállított apró eszközök fény segítségével mozgathatók. Ezeknek az eszközöknek egyik első példánya egy üveg felületre polimerizált és fénynyomással hajtott 10 μm átmérőjű kerék (ld. ábra). A kereket a mel-

10 μm

lé integrált, szintén lézeres polimerizációval készült fényvezető szálból kilépő fény hajtja meg. Hasonló módon előállított kerekek összetett szerkezetekben,

Napjainkban egyre nagyobb igény mutatkozik arra, hogy bonyolult, költséges és nagyméretű analitikai berendezéseket azok egyszerűbb, olcsóbb és kisebb változatai váltsák fel. Ezt az igényt az igen széles körben kutatott, mikrofluidikai módszereket alkalmazó ún. csiplaboratóriumok (lab-on-a-chip) alkalmazása elégítheti ki. Ezek olyan eszközök, ahol néhány mm 2 felületen alakítanak ki csatornákból, reaktorokból és rezervoárokból álló hálózatot a vizsgálandó minta szállításához, reagáltatásához, illetve analíziséhez. Ezek a csiplaboratóriumok számos, a mikrométer tartományába eső méretű eszköz alkalmazását igényelhetik. Laboratóriumunkban a mikrofluidikai alkalmazások során használható mikroeszközök előállításának lehetőségeit kutatjuk. Az általunk készített mikrostruktúrák anyaga fényre keményedő polimer, ami fókuszált lézerfénnyel megvilágítva szilárdul meg az előre meghatározott 3 dimenziós formába. A femtoszekundumos impulzusokból álló lézernyaláb a fotopolimerben kétfotonos abszorpciót idéz elő kizárólag a fókuszfolt közvetlen környezetében. A kétfotonos polimerizációval mikrométer alatti feloldású szerkezetek előállítása válik lehetővé.

megfelelő áttételeken keresztül erőforrásként szolgálhatnak. Kutatjuk továbbá az optikai csipesszel mozgatható eszközök előállítását és alkalmazhatóságuk lehetőségeit is. Ebbe a kategóriába például biológiai minták – elsősorban sejtek – vizsgálatára alkalmas manipulátorok, mikroméretű viszkozitás mérők tartoznak. A mikroeszközök alkalmazhatóságát felületük biológiai-kémiai funkcionalizálása teszi teljessé. Fontos kutatási területünk a módosított lézernyalábokkal való polimerizáció is. Ebben az esetben a lézernyalábot térbeli fénymodulátorral (SLM) úgy alakítjuk, hogy egyetlen pont helyett komplex mintázatot világítson meg és polimerizáljon a mintában. Ezzel a polimerizációs eljárás hatékonyságának növelését érhetjük el.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A lézeres polimerizációval előállított mikroszerkezetek alkalmazhatók lehetnek például pikoliter térfogatú folyadék pumpálására, egyedi sejtek vagy sejtalkotók manipulálására, vagy rajtuk lokalizált mérések elvégzésére.

13

Biofizika


Dr. Laczkó Ilona Tel.: 62-599-608 E-mail: [email protected]

Alkalmazott kiroptikai spektroszkópia A kiroptikai spektroszkópia legfontosabb felhasználási területe a biopolimerek, elsősorban a fehérjék és nukleinsavak térszerkezetének vizsgálata. A peptidek és fehérjék cirkuláris dikroizmus (CD) spektroszkópiája a rutinszerűen vizsgált spektrális tartományban (185–250 nm) közvetlen információt szolgáltat a királis (aszimmetrikus) környezetben lévő amidcsoportok relatív térbeli elhelyezkedéséről, ami elsősorban a másodlagos szerkezettől függ. A CD egyszerű és gyors módszer, amelynek időskálája a femtoszekundum tartomány alatt van. A mérés időskálája következtében elvben bármely összetett CD-spektrum az egyes konformerekre jellemző, tiszta komponens-spektrumokra bontható fel. A módszer sikeresen kombinálható a hasonló időskálájú vibrációs spektroszkópiai módszerekkel (infravörös, vibrációs cirkuláris dikroizmus, Raman). Az elmúlt években hazai és nemzetközi együttműködés keretében számos területen végeztünk vizsgálatokat, amelyek közül a legfontosabbak: – Az Alzheimer-kór kialakulásában döntő szerepet játszik a 42 aminosavból álló neurotoxikus amiloid polipeptid, amelynek aggregációja az idegsejtek elhalásához vezet. Az aggregáció során az amiloid másod- és harmadlagos szerkezete megváltozik, amely CD spektroszkópiával követhető. Kombinált

14

CD és FTIR spektroszkópia segítségével a különböző kisméretű peptidek, fémionok, stb. aggregációt befolyásoló hatását tanulmányozzuk. – Az antiszensz oligonukleotid (AON) modulált génexpresszió az orvosi terápia új és ígéretes területe. Az eljárás során különböző fúziós peptidekkel kombinált AON-t juttatnak a sejtekbe. Vizsgálataink célja olyan fúziós peptidek kiszűrése, amelyek hatékony membrán transzlokációs és célbajuttató képességgel rendelkeznek. A fúziós peptid-AON komplexképződés CD és FTIR spektroszkópiával követhető és megállapítható a penetráció szempontjából legkedvezőbb peptid/AON moláris arány is. A biológiai kísérleteket külföldi együttműködésben végezzük. – Az utóbbi években nagy érdeklődés mutatkozik a nem-vizes enzimológia iránt. Az enzimek más katalizátorokkal ellentétben ugyanis sztereoszelektívek. A szerves oldószer/víz elegyében is működő hidrolítikus enzimek különösen hasznosak, ha a szubsztrát vízben nehezen oldódik, vagy egy hidrolítikus reakció visszafordítására van szükség. Tanulmányozzuk a különböző szerves oldószerek és stabilizátorok hatását az enzimek (tripszin, kimotripszin, papain, pepszin, stb.) másod- és harmadlagos térszerkezetére és katalitikus aktivitására.

Dr. Tokaji Zsolt

Témavezetők:


Biofizika

Fehérjedinamika, Biológiai Energiaátalakítás és Nanobiotechnológia laboratórium

Dr. Dér András


HUMÁN BIOFIZIKA, MOZGÁSANALITIKA Az élet alapvető jellemzője a mozgás, s nincs ez másképp a legmagasabb rendű élőlény, az ember esetében sem. Annak jelentősége, hogy ez a mozgás információt hordoz – akár a legmélyebb, molekuláris, sőt intramolekuláris szintekig terjedően – intuitíve már régóta sejthető volt (ld. pl. alkohol hatása), kvantitatív vizsgálatára igazán alkalmas módszerek azonban csak mostanára alakultak ki, illetve még csak a kialakulás állapotánál tartanak. Kutatásaink jelenlegi két fő irányvonala az ember, mint objektum (akaratlagosan is befolyásolható) mozgását jellemző aktigráfia, valamint az ember egy kívülről is jól megfigyelhető (de akaratlagos kontrollnak gyakorlatilag nem alávethető) belső mozgását nyomon követő videopupillográfia. Az aktigráf – többnyire a csuklóra erősíthető, – nagyjából karóra méretű szerkezet, mellyel egy adott időszak (akár több nap vagy hét) mozgási aktivitás– idő diagramjait lehet rögzíteni, és számítógépre áttölteni elemzés céljából. A video-pupillográfia esetében a pupilla (pupillák) mozgása rövidebb-hosszabb időtartományban – általában 1–15 perc – videokamera rendszerrel kerül felvételre, s számítógéppel elemzésre. Mindkét módszerünk alkalmasnak bizonyult a hangulatzavar (depresszió) és az egészséges állapot közötti eltérés kimutatására. Mindkét módszerünk jól felhasználható az – egyébként más objektív eljárásokkal nehezen meghatározható – éberség mérésére, melyben a video-pupillográfia erőssége az aktuális

éberség, míg az aktigráfiáé a hosszabb távú, átlagos éberség, és periodicitásának jellemzése. Az aktigráfia segítségével már az eddigiekben is sikerült a napi mozgási aktivitás magasabb struktúrákba szerveződését igazolnunk és jellemeznünk. A sötétben alkalmazott video-pupillográfiával pedig – mint relatíve kis vizsgálati időigényű eljárással – akár egy mérésen belül következtetni lehetett az éberség természetes (pl. hiperaktív gyerekek), vagy szer (pl. nikotin) indukálta változásaira. Másfelől, szobai megvilágítási körülmények között, a video-pupillográfia alkalmas a szimpatikus/paraszimpatikus idegrendszeri aktivitás egyensúlyában bekövetkező természetes, szer (pl. metilfenidát) vagy fizikai hatás (pl. fényterápia) indukálta változásainak feltárására is. Laboratóriumainkban az aktigráfiában és a videopupillográfiában még nem alkalmazott új elemzési módszerek bevezetése és fejlesztése is folyik, mint például wavelet-analízis, eloszlásfüggvények elemzése.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Módszereink alkalmasak bizonyos idegrendszeri állapotok és folyamatok, az emberi viselkedés, gondolkodás, és ezek időbeli szerveződésének, valamint patológiás elváltozásainak jobb megismerésére, gyógyszerek agyra gyakorolt hatásának, oda történő transzportjának, illetve eliminációjának tanulmányozására (szerkölcsönhatások segítségével pedig akár inter- vagy intramolekuláris folyamatok jellemzésére is).

15

Biofizika


Dr. Váró György Tel.: 62-599-620 E-mail: [email protected]

ATOMERŐMIKROSZKÓP BIOLÓGIAI ALKALMAZÁSAi Az utóbbi években bámulatba ejtő eredményeket mutattak fel az egyedi molekula vizualizációs és manipulációs technikák. A biofizikai kutatásokban egyre jobban elterjed a 20. század vége felé kifejlesztett modern műszer, az atomerőmikroszkóp, amely egy rugólapka végén található hegyes tű segítségével tapogatja le a vizsgált felületet. A rugólapka elhajlása, a pásztázás során, arányos a tű és a felszín között ható erővel. A műszer térbeli felbontásának a tű hegye szab határt. A legnagyobb felbontással készült képeken egyedi atomok is megkülönböztethetőek. A készülék óriási előnye, az elektronmikroszkóppal szemben, hogy a mintát a saját természetes környezetében képes vizsgálni, lehetőséget biztosítva arra, hogy egyes fehérjéket, vagy sejteket valós működésük közben figyelhessünk meg. Atomerőmikroszkóp segítségével sikerült különböző biomolekuláris rendszerekről olyan ismeretekhez jutni, amelyek egyéb módszerekkel nem elérhetőek. Az intézetünkben folyó atomerőmikroszkópos kutatásokból néhány eredmény: – Oligonukleotidok vizsgálata során megfigyeltük, hogy ezen rövid nukleinsav láncdarabkák csillám felületén önszerveződve, hosszú láncszerű képződményeket hoznak létre. A jelenségnek szerepe lehet az élet keletkezése során a fontos, információhordozó molekulák, a DNS és RNS kialakulásában. – Fehérje szinten vizsgáltuk a bakteriális reakciócentrum kölcsönhatását szén nanocsövekkel. A kölcsönhatásból kapott komplexum ígéretes anyag a biotechnológiai alkalmazásokra.

16

– A bakteriorodopszin fehérjét vizsgálva sikerült direkt módon, mechanikai méretváltozás megfigyelésével kimutatni a fehérje működése során létrejövő konformációváltozást.

– Endotél sejtek (lásd az illusztrációt) vizsgálata során megfigyeltük, hogy a mannitolos kezelés befolyásolja úgy a sejt térfogatát, mint a rugalmasságát. Kalciumos kezelés során, hosszabb időn keresztül vizsgálva a sejteket, megfigyeltük a sejtek alakváltozását. – Vad típusú és mutáns baktériumok között kimutattunk alakbeli, valamint rugalmasságbeli különbségeket.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A megfigyelések során szerzett ismeretek hozzásegítenek új nanobiotechnológiai anyagok fejlesztéséhez, valamint gyógyszeres kezelések hatásmechanizmusának a megértéséhez.

Témavezető:

Biofizika

Molekuláris Neurobiológia Laboratórium

Dr. Siklós László Tel.: 62-599-611 E-mail: [email protected]

NEURONÁLIS DEGENERÁCIÓ Kísérleteink az idegi degeneratív folyamatok általánosítható alapjainak megértését célozzák abban a reményben, hogy a gyógyítás céljából lehetséges beavatkozási pontokat azonosíthatunk. Munkahipotézisünk, hogy egyes kalcium-kötő fehérjék, mint pl. a parvalbumin magasabb intracelluláris szintje az idegsejteket ellenállóbbá teszi a sérülésekkel szemben, melynek alapja a sérülések során tapasztalha-

ző. Jelenlegi kísérleteink a két komponens összefüggéseinek vizsgálatát célozzák a gerincvelői mozgató idegsejtek kísérletesen indukált sérülése, és ennek jellemzése során (fenti ábra) olyan állatokban, melyek mozgató idegsejtjeiben egy kalcium-kötő fehérje (parvalbumin) szintjét mesterségesen megváltoztattuk. Ehhez egy olyan képanalitikai módszert fejlesztettünk ki, mellyel, fénymikroszkóposan, a sérült mozgató idegsejtek környezetében a mikroglia sejtek aktivációja (lenti ábra) tanulmányozható, és számszetó kalcium-szint növekedés mérséklése lehet (a fenti ábra, színkódolva, egy sérült sejt mitokondriumában a megnövekedett kalcium szintet mutatja be). Hipotézisünket a mozgató idegrendszer leggyakoribb betegségének (ALS) és állatmodelljeinek jellemzése során nyert eredményekre építettük, de számos adat utal arra, hogy a jelenség általánosítható az idegrendszer más degeneratív betegségeire is. Az ALS kiváltó oka alapvetően ismeretlen, azonban egyes kórfolyamatait már sikerült azonosítani. Míg a sérült sejten belüli folyamatok összekapcsolásában a kalcium-szint emelkedése lehet döntő, a sérülés környékén elhelyezkedő támasztó, vagy immun-felügyeletet ellátó sejtek reakciója lehet a sejtek túlélését befolyásoló további ténye-

rűen jellemezhető. Az eddigi kísérletek meglepő eredményekkel is szolgáltak: egyrészt, ahogy várható volt, 17

Biofizika 18


a sérült mozgató idegsejtekben a kalcium-kötő fehérje megemelt szintje a sérüléssel járó intracelluláris kalcium-szint emelkedését csökkentette, ugyanakkor, ami kevésbé volt megjósolható, a környező mikroglia sejtek reakcióját is mérsékelte. A legújabb észleléseink számos, eddig nehezen értelmezhető jelenségre adnak magyarázatot, így többek között arra, hogy a kísérleti állatokban krónikus (hos�szan tartó) stresszhelyzetben miért vallottak kudarcot azok a védekező eljárások, melyek a sérült sejtek kalcium-puffer kapacitását voltak hivatottak növelni, hiszen ez a véges kapacitású puffer a hosszú idő alatt telítődhet. A kísérleteink másik, jövőbe mutató hozadéka, hogy megerősíti azokat az elképzeléseket, miszerint

a sérülés során a sejtek kalcium-szintjére szükséges a védekezés szempontjából koncentrálni, viszont olyan mechanizmusokra érdemes stratégiát építeni, melyek hosszantartó stresszhelyzetekben sem telítődnek.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A mikroglia sejteknek a mozgató idegsejtek degenerációjában betöltött aktív szerepét igazoltuk, és megmutattuk, hogy reakciójuk a motoneuronok kalcium háztartásának stabilizálásával csökkenthető. A továbbiakban olyan módszereket vizsgálunk (pl. specifikus csatorna-blokkolók alkalmazása), melyekkel a kalcium-szint nem telítődő módon csökkenthető.

Témavezető:

Biofizika


Dr. Deli Mária Tel.: 62-599-602 E-mail: [email protected]

VÉR-AGY GÁT ÉS GYÓGYSZERTRANSZPORT Az agyi hajszálerek tápláló és védő funkcióikkal vesznek részt az idegrendszer működéséhez szükséges állandó, szigorúan szabályozott környezet megteremtésében. Az agyi erek belhámsejtjei, az agyi endotélsejtek különleges működésüket és tulajdonságaikat az őket környező sejtekkel, a pericitákkal, gliasejtekkel, és idegsejtekkel való szoros kölcsönhatásnak köszönhetik. Ezt modellezzük az általunk kifejlesztett anatómiailag korrekt három sejtes vér-agy gát modellel (szabadalom: Niwa, Nakagawa, Deli WO07072953, 2007; Nakagawa, Deli et al., Cell. Mol. Neurobiol., 27: 687, 2007; Nakagawa, Deli et al., Neurochem. Int., 54: 253, 2009). A modellen több mint 40 vegyület átjutását teszteltük eddig, és jó korrelációt kaptunk in vivo adatokkal.

az efflux pumpák és a metabolikus enzimek jelentik a legfőbb gátló tényezőt. A sejtközötti kapcsoló struktúrák nyitása, az efflux pumpák gátlása, valamint a vér-agy gát agyba irányuló transzportrendszerei, a carrier- és receptor-mediált transzporterek kiaknázása felhasználható az agyba való gyógyszerbejuttatás elősegítésére. Az SZTE Gyóg yszertechnológiai Intézetével együttműködésben az orron keresztül való gyógyszerbeviteli utat, és a vér-agy gát transzportrendszereit kihasználó targetált nanopartikulumokat vizsgáljuk. Igazoltuk, hogy fluoreszcens dextrán mint jelzőanyag, és bioaktív peptid is bejuttatható különböző agyrégiókba az általunk kifejlesztett mukoadhezív vivőanyagot és abszorpció fokozót tartalmazó hordozó segítségével patkányokban. In vivo optikai képalkotó eljárást alkalmazó kísérleteinkben fluoreszcens festékkel töltött 150 nm nagyságú nioszómákat sikeresen tudtunk agyba juttatni a vér-agy gát carrier-mediálta transzportereinek segítségével egerekben.


Az agyba való gyógyszerbejuttatás szempontjából az agyi endotélsejtek szoros sejtközötti kapcsolatai,

A vér-agy gát modell mint a preklinikai vizsgálatok „added value” kísérletes metodikája alkalmas gyógyszerjelölt molekulák vér-agy gáton való átjutásának vizsgálatára. Alternatív gyógyszerbeviteli utak feltárása és a vér-agy gát transzportereinek kihasználása agyi gyógyszerbejuttatásra új terápiás lehetőségeket teremthet az idegrendszeri betegségek kezelésében.

19

Biofizika


Témavezető:

Dr. Krizbai István Tel.: 62-599-602 E-mail: [email protected]

Az agyi endotélsejtek működésének molekuláris alapjai A központi idegrendszer számára a vér-agy gát biztosítja azt az elkülönített biokémiai környezetet, amely működése számára létfontosságú. E gát kialakításában és fenntartásában az agyi erek, illetve kapillárisok endotél sejtjei alapvető szerepet játszanak. Számos olyan központi idegrendszeri megbetegedés ismeretes, mint amilyen az agyi ischaemia, a központi idegrendszer gyulladásos és daganatos megbetegedései, amelyek a vér-agy gát sérüléséhez, és ezáltal a központi idegrendszer homeosztázisának felbomlásához vezethetnek. Ennek súlyos következményei lehetnek a kórkép lefolyásást illetően. Ugyanakkor éppen a vér-agy gát relatív impermea bilitása az, ami megakadályozza azt, hogy különböző gyógyszerek terápiás koncentrációban jussanak be az agyba. A vér-agy gát legfontosabb alkotóelemei az agyi endotélsejtek, amelyek úgynevezett szoros zárókapcsolatok segítségével kapcsolódnak egymáshoz. Csoportunk kutatásainak célja az agyi endotélsejtek működését fiziológiás és patológiás körülmények között szabályozó molekuláris mechanizmusok megismerése. Ehhez egy in vitro vér-agy gát modell rendszert alkalmazunk. A közelmúlt kutatásai során sikerült kimutatnunk, hogy különböző idegrendszeri kórképekben, mint amilyenek az agy vérellátásának a zavarai és a vérzéses shock, a szoros zárókapcsolatokat alkotó fehérjék mennyisége olyan mértékben csökken, ami funkciójuk ellátását akadályozza. Ezzel párhuzamosan olyan sejten be-

20

lüli jeltovábbító mechanizmusokat találtunk, amelyek befolyásolni képesek agyi endotélsejtekben a gát funkciók ellátását. Kutatásaink célja azonosítani azokat a jeltovábbító útvonalakat, amelyek agyi megbetegedések során a vér-agy gát sérülésében kulcsszerepet játszanak.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az agyi endotélsejtek és a vér-agy gát működését szabályozó molekuláris mechan izmusok megismerése jelentősen hozzájárul egyes idegrendszeri betegségek patomechan izmusának megértéséhez. Ugyanakkor azon molekulák azonosítása, amelyek kulcsszerepet játszanak a vér-agy gát sérülésében, új terápiás célpontok kifejlesztéséhez vezethetnek.

Témavezető:

Biofizika

Molekuláris Neurobiológiai Laboratórium

Dr. Párducz Árpád Tel.: 62-599-604 E-mail: [email protected]

Neuronális protekció és plaszticitás Az utóbbi időben alapvetően megváltozott szemléletünk a nemi hormonok és elsősorban az ösztrogén szerepét illetően. Kiderült ugyanis, hogy a neuroendokrin szabályozásban játszott szerepe mellett fontos organizáló és morfogenetikai tulajdonságokkal rendelkezik, ennek alapján inkább számos fehérje expresszióját befolyásoló általános modulátornak tekintik. Felelős az idegrendszer szerveződésében és működésében megnyilvánuló nemi különbségek kialakulásáért, de a klinikai adatok ugyanakkor azt is mutatják, hogy fontos szerepet játszhat az idegrendszer védelmében, a neuroprotekcióban is. Így például az ösztrogén kezelés csökkenti az Alzheimer betegség kockázatát, késlelteti kialakulását, és elősegíti a gyó gyulást traumatikus idegrendszeri sérülések után. A neuroprotektív hatás sejt, illetve molekuláris szintű alapjairól keveset tudunk, annak ellenére, hogy a kérdésnek fontos klinikai vonatkozásai lehetnek. A laboratóriumunkban azon sejt és molekuláris szintű mechanizmusokat tanulmányozzuk, melyek az öregedésből, illetve agyi sérülésekből adódó funkcionális károsodások enyhítését lehetővé teszik. Igazoltuk, hogy az ösztrogén fontos szerepet játszik az idegsejtek közötti szinaptikus kapcsolatok kialakulásában és átrendeződésében. Ez fontos tényezője lehet a neuroprotektív hatásnak, hiszen a neuronok pusztulása az idegi kapcsolatok elvesztésével is jár, és a re-

generáció ez esetben új szinapszisok létrejöttét igényli. Az utóbbi években előtérbe került az ösztrogén terápiás alkalmazásának lehetősége, de egyre nyilvánvalóbbá válik, hogy az ösztradiol rendszeres terápiaszerű alkalmazása korlátozott, ezért szükség lenne egyéb, neuroprotektív célzatú kezelésben használható szteroidokra. Ilyen lehet a neuroszteroidok közé tartozó dehidroepiandroszteron (DHEA), mely a tesztoszteron és az ösztradiol prekurzora, a vérben a legmagasabb koncentrációban megtalálható szteroid. A DHEA állatokban neuroprotektív hatású, ugyanakkor férfiak és nők DHEA-nal történő kezelése jótékony hatással van a fizikai, pszichikai és kognitív állapotra anélkül, hogy bármilyen patológiás elváltozás kockázatát növelné, vagy endokrin változásokat idézne elő.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Olyan, a hormonhatásokra érzékeny célmolekulákat keresünk, melyek ismerete hasznos lehet neuro protektív hatású farmakonok tervezésében. A gyakorlati alkalmazás oldaláról nézve eredményeink új stratégiák kidolgozását segíthetik elő a neuro degeneratív betegségek elleni, minimális mellékhatással rendelkező hormonalapú gyógyszerek tervezésében.

21

Biofizika


Témavezető:

Dr. Hajszán Tibor Tel.: 30-603-5247 E-mail: [email protected]

Szinaptikus változások depresszióban A depresszió egy súlyos lelki betegség, ami a WHO előrejelzései szerint a következő évtizedre komoly népegészségügyi problémává válik. A depresszió önmagában is képes a beteget munkaképtelenné tenni, de legnagyobb veszélye, hogy öngyilkossághoz vezethet, és más betegségek kifejlődésében is szerepet játszik, mint pl. a magas vérnyomás, szív- és érrendszeri betegségek, vagy az Alzheimer-kór. A depresszió hátterében álló mechanizmusokat mind a mai napig alig ismerjük. A jelenleg még mindíg elfogadott elméleteket (monoamin hipotézis, neurogenezis hipotézis, stb.) tucatnyi módon és alkalommal cáfolták már, mégis a ma elérhető antidepresszáns gyógyszerek hatásmechanizmusa ezekre a hipotézisekre épül. Nem csoda hát, hogy egy nemrégiben több ezer betegen elvégzett klinikai vizsgálat szerint a betegek 70%-a (!!!) rezisztens az elsőként választandó ún. SSRI gyógyszerkezelésre, ami a monoamin hipotézisen alapul. A másik komoly klinikai probléma, hogy a jelenlegi antidepresszáns gyógyszerek hatásának kialakulása több hetet vesz igénybe, így például akut öngyilkosság-veszély esetén nincs a kezelőorvos kezében gyors hatású szer. Mivel a depresszió három legfontosabb tünete (hangulatzavar, memóriazavar és motiválatlanság) egyértelműen a hippokampális agyterület zavart működésére utal, kutatásaimban szinte kizárólag a hippokampusszal foglalkozom. Elsődleges célom, hogy olyan antidepresszáns terápiákat fejlesszek, amelyek hatása gyorsan kialakul (percek vagy órák alatt), és amelyekkel szemben nem lép fel rezisztencia, megoldandó a depresszió kezelésének legégetőbb problémáit. A gyors hatás eléréséhez meg kellett találnunk azt a hippokampális mechanizmust, amely 22

egyértelműen összefügg a depresszió tüneteivel és amely „gyors reagálású”. Az amerikai Yale Egyetemen végzett kutatásaim során bebizonyítottuk, hogy a hippokampális szinapszisok száma fordítottan arányos a depressziós tünetek súlyosságával, vagyis minél kevesebb a szinapszis, annál súlyosabbak a tünetek. A szinapszisok az idegsejtek közötti mikroszkópikus kapcsolatok. A szinapszisok számának csökkenésével sérül az idegsejtek közötti kommunikáció, és emiatt az egész hippokampusz működése zavart szenved. Ami izgalmas ebben a felfedezésben, hogy ezek a szinapszisok nagyon gyorsan, akár percek alatt képesek regenerálódni. Sikerült is azonosítanunk egy vegyületet, aminek antidepresszáns hatása percek alatt kialakul a hippokampális szinapszisok számának gyors emelése által. Ez a szer jelenleg klinikai kipróbálás alatt áll.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Jelenleg futó projektünket az EU7KP Mobilitás programja támogatja. Ennek célja, hogy a hippokampális szinapszisok depresszióban mutatott viselkedését alapul véve olyan antidepresszáns gyógyszert fejlesszünk, amivel szemben nincs, vagy minimális a rezisztencia. Mivel a hippokampális szinapszisok változása a depresszió alapvető mechanizmusának tűnik, a kimondottan a szinapszisokra „szabott” terápia várhatóan jóval hatékonyabb lesz elődeinél; mivel ez un. „evidence-based therapy”, vagyis a valós pathomechanizmust figyelembe vevő gyógymód. Reményeink szerint ez a megközelítés a jövőben több nagy hatású antidepresszáns kezelés kifejlesztését, szabadalmaztatását, és klinikai gyakorlatba való sikeres bevezetését eredményezheti.

Témavezető:

Biofizika

Membránszerkezet és Dinamika laboratórium

Dr. Páli Tibor


A VAKUOLÁRIS PROTON-ATPáz: BIOMEMBRÁNBA ÉPÍTETT molekuláris gépezet Az élő sejtek egyik legfontosabb sajátossága, hogy bennük az ionok nem egyenletesen oszlanak el. Ez egyes életfolyamatoknak következménye, míg másoknak hajtómotorja is egyben. A közeg a sejtek belső kamráiban és gyakran a sejten kívüli térben is savasabb, mint a citoplazma. Ezt a proton koncentrációban meglévő különbséget elsősorban a sejtkamrák membránjában és a plazmamembránban is megtalálható, két doménből álló membránfehérje, a vakuoláris proton-ATPáz (V-ATPáz) biztosítja. A fehérje ATP-t hidrolizál, és az ebből nyert energia révén protonokat mozgat a membránon keresztül. A V-ATPáz mindkét doménje több alegységből áll. Az alábbi ábra csak a membránban lévő, protont szállító rész fő alegységeit mutatja sematikusan. Működése során a fehérje 6 alegységből álló központi gyűrűje (az ábrán téglapiros rotor) forgó mozgást végez a membránban rögzített alegységhez képest (ami az ábrán a zöld kar). Proton csak a rotor és a kar érint-

kezési felületén, a forgás miatt periódikusan kialakuló és megszűnő csatornán keresztül haladva juthat át a membránon. A fehérje tekinthető egy membránba épített molekuláris gépezetnek, afféle motoros futószalagnak, amely protonokat szállít egy gáton, a membránon keresztül. Az ilyen molekuláris motorok atomi felbontású szerkezetének meghatározása és működésének, szabályozásának megértése a biofizika egyik legfontosabb kihívása napjainkban. A membránfehérjék és a membránokban zajló életfolyamatok tanulmányozására spektroszkópiai technikákra alapozott funkcionális szerkezetbiológiai módszercsomagot fejlesztettünk ki, amelyet folyamatosan továbbfejlesztünk. Legújabb méréseink szerint a rotor 29–87 Hz közötti frekvenciával forog.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatásaink nag yrészt arra irányulnak, hog y a V-ATPázról minél több, a funkció szempontjából releváns szerkezeti adatot gyűjtsünk, amelyek alapján működését modellezzük. A V-ATPáz szerepet játszik több betegségben (például daganatok áttétjeinek kialakulásában, csontritkulásban). Ezért vizsgáljuk potenciális V-ATPáz gátlóanyagok hatásmechanizmusát és a rotor lipid környezetének szerepét is. A fentiek miatt a fehérje szövetspecifikus gátlása igen komoly gyógyászati jelentőséggel bír.

23

Biofizika

Membránszerkezet és Dinamika Laboratórium Témavezető:

Dr. Páli Tibor

MEMBRÁNFEHÉRJÉK FUNKCIONÁLIS SZERKEZETBIOLÓGIÁJA Az életfolyamatokat elsősorban fehérjék végzik, illetve katalizálják. A fehérjék működésük során jól meghatározott konformációváltozás sorozaton mennek keresztül. Az ismert atomi felbontású fehérjeszerkezetek között zavaróan csekély számban találunk membránfehérjéket. Ennek oka, hogy nehéz őket gombolyodott formában kristályosítani, szolubilizálni, ami pedig feltétele a klasszikus szerkezetbiológiai módszerek (Röntgen kristályosítás, mag mágneses rezonancia, NMR spektroszkópia) alkalmazhatóságának. Emellett a nem natív környezetben kapott szerkezetek funkcionális relevanciája mindig vitatható, illetve megvizsgálandó. Ezért a membránfehérje szerkezetek iránt, részben a gyógyszer- és kozmetikai ipar által is felfokozott hatalmas igény alternatív eljárásokat sürget.

Az ábra az M13-as bakteriofág fő burokfehérjéjének szekvenciáját és azt az NMR-el meghatározott szerkezetét mutatja, lipid láncokkal együtt, amely legjobban megfelel lipid membránban mért szerkezeti adatoknak. Az ábra a szerkezetbiológia alapvető problémájának matematikai, fizikai lényegét reprezentálja, amely egyben az egyik legnagyobb kihívás a biofizikában, molekuláris biológiában és bioinformatikában is: ha ismerjük egy fehérje szekvenciáját, hogyan tudjuk meghatározni a szerkezetét? Az ábrán a nyíllal jelzett szekvencia -> gombolyag kódolás érvényes a fehérje natív környezetében, csakhogy a kódnyelvet nem ismerjük. Membránfehérjékkel, spektroszkópiai és modellezési technikákkal kapcsolatos tapasztalatainkra alapozva egy újszerű eljárást fejlesztünk folyamato24

san, amely egyszerűsített szerkezetet, „gombolyagot” generál, ami megfelel az adott fehérjén, annak membránkörnyezetében mért szerkezeti adatoknak. A módszer lényege, hogy a fehérjéket vagy eredeti lipid környezetükben hagyjuk, vagy olyan mesterséges membránba építjük, ahol a funkciójuk ellenőrizhető. Ezért a jósolt gombolyagok funkcionálisan relevánsak lesznek. „Kézzel” ezt az eljárást már sikerrel alkalmaztuk. Középtávú célunk a gombolyagok generálásának automatizálása. Az algoritmust először transzmembrán alfa-hélix (V-ATPáz c alegység) és béta-hordó (E.coli külső membrán pórus) fehérjéken mért saját és más publikált szerkezeti és kinetikai adatokkal finomítjuk, általánosítjuk. Ehhez spektroszkópiára alapozott szerkezetbiológiai módszereinket használjuk, másrészt molekulamechanikai modellszámításokat végzünk a kísérleti adatokra alapozva. Kutatásaink másik célja annak vizsgálata, hogy a membránba beépülő vagy annak felszínére kötődő fehérjék gombolyodását és szerveződését hogyan befolyásolja a membránok kémiai összetétele és fizikai állapota.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Bármely technika, legyen az kísérleti vagy tisztán elméleti, amely közelebb visz a fehérjék gombolyodásának részletes megértéséhez, és azon keresztül a szerkezeti predikciók megbízhatóságának javításához, jelentős előrelépést jelenthet a szerkezetbiológia területén. Ez különösen fontos a membránfehérjék esetében. Amen�nyiben az algoritmus megbízhatóan mű-ködik, úgy megfontolandó lesz bizonyos részeinek szabadalmaztatása. Mindennek, többek között, közvetlen gyógyászati és ipari jelentősége van. Továbbá, az eredmények segítik a biológiai szempontból fontos kiválasztott fehérjék szerkezet-funkció kapcsolatának megértését is.

Témavezető:

Biofizika

Membránszerkezet és Dinamika laboratórium

Dr. Szalontai Balázs Tel.: 62-599-603 E-mail: [email protected]

Lipid-fehérje kölcsönhatások biológiai és modell rendszerekben Membrán nélkül nincs élő szervezet. A membránok határolják el a sejteket a külvilágtól, de ugyanakkor a membránokban foglalnak helyet azok a fehérjék, amik a sejtek számára közvetítik a külvilág jelzéseit, lebonyolítják a sejtek anyagcseréjét. A sejtek belsejében levő membránokban zajlanak az energiatermelő folyamatok, beleértve az egész földi élet számára elsődleges fontosságú fotoszintézist is. Több szervezet teljes genetikai állományának feltérképezése alapján úgy tűnik, hogy a teljes genom kb. 30%-a membránfehérjéket kódol. Ehhez képest a több tízezer atomi felbontásban ismert szerkezetű fehérjéből mindös�sze néhány tucat a membránfehérje. Ennek az az oka, hogy membránok rendkívül összetett képződmények, ahol a fehérjék a lipidekkel együtt alkotnak funkcionális egységeket. A lipidek biztosítják a membrán szigetelő képességét, illetve kettősrétegük hidrofób belsejében a működési feltételeket a membránfehérjék számára. Ezért a membránfehérjék külön, magukban, igen nehezen vizsgálhatóak, és mindig kérdéses, hogy az esetleg kapott eredmények milyen viszonyban vannak a valóságos viszonyokra jellemzőkkel. A probléma megoldására két, egymással ös�szefüggő lehetőség kínálkozik. Egyrészt a biológiai membránok vizsgálata, úgy, ahogy vannak, egyes tulajdonságaikra szelektíven érzékeny módszerek alkalmazásával. A másik, olyan modell rendszerek kialakítása, amelyek a természeti körülményeket a lehető

leginkább megközelítve teszik lehetővé egyes fehérjék, folyamatok vizsgálatát. E stratégiának megfelelően, egyrészt, biológiai membránokban az eredeti szerkezetet egyáltalán meg nem változtató módszerrel, infravörös spektroszkópiával vizsgáljuk a fehérjék és a lipidek kölcsönhatását, amit az tesz lehetővé, hogy a fehérjékre, illetve a lipidekre jellemző tartományok elkülönülten jelennek meg az infravörös spektrumban. Másrészt, olyan modellrendszereket fejlesztünk ki, ahol a sejtekben meglévő, a biológiai membránokat kifeszítő fehérjékből álló „vázat” mesterségesen, molekulánként, nanotechnológiai módszerekkel készítjük el, és erre feszítünk fel egy mesterséges lipid membránt, amibe be tudjuk ágyazni a vizsgált fehérjéket. Ezeket a fehérjéket tanulmányozzuk aztán különféle módszerekkel (infravörös spektroszkópia, atomerő mikroszkópia, elektrokémia).

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Minden későbbi hasznosításhoz elengedhetetlen az alapjelenségek megértése, ez kutatásaink fő célja. Reményeink szerint azonban, az általunk kifejlesztett modell rendszer alkalmas lesz arra is, hogy orvos-biológiai szempontból fontos fehérjék (pl. ioncsatornák) működését, és ennek során egyes (potenciális) gyógyszerekkel való kölcsönhatását, működésének befolyásolhatóságát tanulmányozzuk.

25

Biofizika

Metalloproteinek biofizikája laboratórium

Témavezető:

Dr. Zimányi László Tel.: 62-599-607 E-mail: [email protected]

A citokróm c érése A citokrómok hem csoportot tartalmazó fehérjék, melyek változatos élettani feladatokat látnak el, például a sejtek energiaháztartásában fontos elektronszállítás feladatát. A c típusú citokrómokat az különbözteti meg az egyéb citokrómoktól, hogy lényegében tisztázatlan okból a hem csoport kovalensen kötődik a fehérjéhez. A mitokondriumban elektronszállító feladatot ellátó citokróm c érését, azaz a hem csoport kötését, a citokróm c hem liáz fehérje katalizálja. A két fehérje és a hem kölcsönhatásáról, a katalízis menetéről szinte semmilyen ismeretünk nincs annak ellenére, hogy ezek a fehérjék az élesztőtől az emberig mindenhol megtalálhatók és nélkülözhetetlenek. A citokróm c az elektronszállítás mellett egy egészen más folyamatban, a programozott sejthalálban (apoptózis) is alapvető szerepet játszik, mint arra az utóbbi évek kutatásai rámutattak.

mind a citokróm szerkezete megváltozik akkor, ha egymással vagy a hem csoporttal kölcsönhatásra lépnek. Ennek a kölcsönhatásnak a mibenlétéről közvetett információt szolgáltat az a megfigyelésünk, hogy jóval kisebb hatásfokkal ugyan, de a hem spontán módon, azaz hem liáz segítsége nélkül is képes beépülni a citokrómba, és azzal létrehozni a természetes fehérjére jellemző két kovalens kötést. Ugyanakkor az így „készült” citokróm c néhány fizikai-kémiai tulajdonságában kis mértékben eltér a természetes citokróm c-től. Ez arra enged következtetni, hogy a hem liáz feladata nemcsak a hem kovalens kötésének katalízise (hatékonyságának, sebességének növelése), hanem a citokróm fehérje végleges konformációjának (szerkezetének) a kialakítása is. Hem liáz nélkül az első folyamat, még ha lassan is, de végbemehet, de a második nem. A hem liáz működésének és szerepének tisztázása céljából tervezzük mindkét fehérje pontmutánsainak előállítását (konzervált aminosavak kicserélésével). A működés szempontjából elengedhetetlenül fontos aminosavak azonosításával a működés menetének modelljét akarjuk felállítani.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A citokróm c hem liáz fehérjét baktériumban termeljük és onnan tisztítjuk. Vizsgáljuk a tisztított hem liáz, a hem és a hemet még nem tartalmazó citokróm kölcsönhatását abból a célból, hogy részleteket tudjunk meg molekuláris szinten a citokóm c éréséről. A folyamatokat spektroszkópiai módszerekkel figyeljük meg (ábra). Hipotézisünk szerint mind a hem liáz, 26

Kutatásaink alapkutatás jellegűek, céljuk ismereteink bővítése a vázolt tudományos kérdésben. Eredményeink, reményeink szerint, hozzájárulhatnak nemcsak a konkrét enzimatikus reakció jobb megértéséhez, hanem olyan általános kérdések megválaszolásához is, hogy milyen előnyei lehetnek a szerkezetnélküli, illetve átmeneti szerkezettel rendelkező fehérjéknek egyes fontos életfolyamatokban.

Témavezető:

Dr. Zimányi László

Biofizika


FEHÉRJÉK ELEKTROMOS VEZETÉSE Az élőlények termodinamikai szempontból olyan rendszerek, melyek nincsenek egyensúlyban (a termodinamikai egyensúly az élet megszűnését jelentené), hanem nyitott rendszerként környezetükkel állandó anyag- és energiacserét végeznek. A földi életben az energia forrása végső soron a Nap sugárzása. A baktériumok egy része és a növények (ld. fotoszintézis) ezt a fényt közvetlenül fel tudják használni kémiai energia raktározására (főleg az ATP molekula formájában), a többi élőlény, beleértve az állatokat és az embert is, az elfogyasztott táplálék molekuláinak lebontása során (ld. anyagcsere) alakítja ki az energiaraktározó ATP molekulákat. Mind a fotoszintézis, mind az anyagcsere azon alapszik, hogy jól szervezett fehérjemolekula láncokon keresztül elektronok vándorolnak az alacsonyabb energiájú hely felé, hasonlóan ahhoz, ahogy a villamos vezetékben a hálózati csatlakozó egyik pólusából a fogyasztón át a másik pólusig. Alapvető különbség van azonban a vezeték (azaz fém) és a fehérjék elektronvezetési módszere között! Kutatásaink célja a fehérjék elektromos vezetési mechanizmusának jobb megértése, illetve annak vizsgálata, hogy egyes fontos fehérjék esetében a természet optimalizálta-e, és ha igen, hogyan, az elektronvezetés folyamatát. Kísérleteinket elsősorban a citokróm c fehérjén végezzük. Ez a fehérje gyakorlatilag minden élőlényben előfordul, és feladata egy elektron átvétele egy magasabb energiájú fehérjétől és elszállítása, majd leadása egy alacsonyabb energiájú fehérjének. A citokróm felszínét olyan molekulával jelöljük meg, mely egy lézerfény-impulzussal megvilágítva elektronforrássá válik, és egy elektront ad le a citokróm belsejében lévő hem csoportnak, majd onnan vissza is veszi azt. Eközben

mérni tudjuk az elektronátadás sebességét, és össze tudjuk hasonlítani a fehérje felszínének egyes tartományait, a fehérjében elképzelt különböző irányokat az elektronvezetés szempontjából. Modellszámításokkal próbáljuk magyarázni az elektronvezetés hatékonysága és a fehérje szerkezete közötti összefüggéseket. Az ábrán a citokróm c felszínét aszerint színeztük ki, hogy a középen látható hem csoporttól a felszínre átlagos (zöld), annál jóval hatékonyabb (piros) vagy jóval gyengébb (kék) az elektronvezetés.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Alapkutatás szempontjából fontos tervünk annak vizsgáltata, hogy a citokróm c elektronját fogadó, jóval bonyolultabb, de hasonlóan fontos fehérjében, a citokróm oxidázban milyen útvonalon, milyen hatékonysággal történik az elektron (és az elektromos töltés) szállítása, valamint ennek energetikai hasznosítása. A citokróm c önmagában ígéretes molekula biológiai alapú érzékelők, bioelektronikai eszközök építőköveként, amihez szintén érdemes megismerni a belsejében lezajló elektronáramlás sajátosságait.

27

Biofizika


Témavezető:

Dr. Bagyinka Csaba Tel.: 62-599-605 E-mail: [email protected]

REDOX FEHÉRJÉK MŰKÖDÉSE ÉS SZERKEZETE A redox fehérjék fontos szerepet játszanak az élő rendszer energetikai folyamataiban. Mivel energia átalakító, energia termelő és használó folyamatok az összes élőlényben megtalálhatók, a redox fehérjék kutatásának fontosságát nem lehet túlbecsülni. A redox fehérjékben többnyire fématomok játszanak szerepet (vas, réz, stb.). Kutatócsoportunk a Thiocapsa roseopersicina bíbor, fotoszintetizáló kénbaktériumból izolálja a fehérjéket. Számos fémtartalmú és redox aktivitást mutató fehérjét izoláltunk. Régi kutatási témánk a hidrogenáz enzim szerkezete és funkciója, melyről a következő kutatási téma leírásakor beszélünk részletesen. Emellett sikerült egy, ilyen baktériumokban eddig ismeretlen, citokróm c4 redox fehérjét, s egy kék rézfehérjét is azonosítanunk. Meghatároztuk jellemző adataikat (redox potenciál, móltömeg, stb.). Spektroszkópiai mérésekkel kiderítettük, hogy a citokróm c4 anaerob körülmények között hőtűrő, dacára annak, hogy maga a baktérium 30 °C felett elpusztul. Megállapítottuk, hogy a hőmérséklet emelésének hatására a citokróm c4 -ben konformációs változások mennek végbe, melyek anaerob körülmények között reverzibilisek, aerob körülmények között viszont a jelenlevő oxigén hatására a konformációs változások fixálódnak.

28

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fehérjék vizsgálata alapvetően a hőtűrés további megértését segíti elő. Ugyanakkor a redox fehérjékkel való mérések során új mérési technikákat is kidolgoztunk. Ezek közül legjelentősebb, hogy egy új fehérjeszekvenáló módszert fejlesztettünk ki egy amerikai kutatócsoporttal közösen. Az új módszerrel tömegspektrométer segítségével határozzuk meg a fehérje aminósav sorrendjét. Az aminósav sorrendet mostanában jellemzően a nukleinsav sorrend meghatározásával és átkódolásával állapítják meg. Ez a módszer egy genetikailag nem feltérképezett organizmus esetében (s az élőlények többsége ilyen) meglehetősen komplikált és időigényes, nem is minden esetben valósítható meg. Ugyanakkor nem feltétlenül a működő fehérje szekvenciáját kapjuk meg. Új módszerünk időben versenyképes a nukleinsavból történő szekvencia meghatározással, s további fejlesztéssel az anyagmennyiség is annyira csökkenthető, hogy két dimenziós gélelektroforézis fehérje foltjaiból is meghatározható lesz a szekvencia. Hátránya pillanatnyilag, hogy drága és terjedelmes műszert (több tömegspektrográfot) igényel, ezért csak kevés helyen alkalmazható. Ennek ellenére meggyőződésünk, hogy ez az új módszer nagy lökést ad majd a fehérje szerkezet és funkció kutatásának.

Témavezető:

Dr. Bagyinka Csaba

Biofizika


Autokatalitikus és oszcilláló enzimreakciók vizsgálata Az autokatalitikus folyamatok az élővilágban makro szkópikusan igen gyakran megfigyelhetőek. Tipikus autokatalitikus folyamat a szaporodás. Az utód létrehozásához az élőlényeknél egy vagy két szülőre (és természetesen tápanyagra, szubsztrátra) van szükség. Az autokatalitikus folyamatokat legkönnyebben jellegzetes térbeli mintázatukról ismerhetjük fel. Ha semmi zavaró körülmény nem jön közbe, akkor tipikusan gömbalakú (sík reakciók esetén köralakú) reakcióf rontok jönnek létre, melyek sugara az időben állandóan növekszik (lásd az ábrán). Az emberiség is hasonló módon hódította meg a Földet, az addig lakatlan területeket. Bár az élővilágban jellegzetes, de elemi reakciókban mégis ritkaság az autokatalitikus működés. Munkánk során ilyen autokatalitikus reakciókat vizsgálunk biomolekulákon, enzimeken.

A hidrogenáz autokatalitikus reakciója vékonyrétegben.

Vizsgálataink alanya a hidrogenáz enzim, mely alacsonyabbrendű élőlényekben (prokariótákban, archeákban, stb. vulgárisan „bacikban”) fordul elő.

Régi maradvány ez az enzim a „bacikban”, azt feltételezzük, hogy akkoriban alakult ki, mikor a Föld légköre még „redukáló” volt, tehát nem volt benne oxigén, a légkört zömmel redukáló gázok, pl. hidrogén alkották. A hidrogenáz enzim igen egyszerű reakciót katalizál, a hidrogén gázt bontja el elektronokra és protonokra illetve, mint minden katalizátor, fordítva is működik, tehát protonokból és elektronokból hidrogén gázt tud készíteni. Az enzim vas és nikkel atomokat tartalmaz. Kutatócsoportunk felfedezése, hogy a hidrogenáz enzim reakciója autokatalitikus, bizonyos esetekben oszcilláló. Ez a legegyszerűbb biológiai oszcilláló reakció, ehhez csak egyetlen enzimre van szükség.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az autokatalitikus folyamatok más elemi biológiai folyamatok esetében is megjelennek. Autokatalitikus folyamatok játszanak szerepet az úgynevezett „prion” betegségek (kergemarhakór, Creutzfeldt-Jakob betegség, stb.) esetében is. Az auto katalízis kinetikai megfigyelése (hogyan játszódik le a folyamat, mi történik a folyamatok során) a prion fehérjék esetében igen nehéz. Mivel a hidrogenáz reakciója könnyen kezelhető, megfigyelhető, reméljük, hogy a megfigyeléséből kapott információk, az itt kifejlesztett mérési technikák a prion betegségek vizsgálata során is alkalmazhatók lesznek. A hidrogenáz autokatalitikus reakciója biotechnológiai jelentőségű is. Abban ugyan nem hiszünk, hogy a hidrogenáz segítségével biológiai úton, ipari méretekben hidrogén gázt fogunk termelni, de a hidrogén gáz ipari felhasználásában (pl. tüzelőanyag cellákban) valószínűleg fontos szerepe lehet ennek az enzimnek. Kiválthatja az ott jelenleg egyeduralkodó platina és más nemesfém katalizátorokat, mert olcsóbb, kön�nyebben előállítható és nem kell bányászni, mivel a napenergia segítségével hozható létre. 29

Biofizika


Témavezető:

Dr. Bérczi Alajos Tel.: 62-599-617 E-mail: [email protected]

A CITOKRÓM b561 FEHÉRJÉK 1971-ben skandináv kutatók marha mellékvesekéreg idegsejtjeiben találtak egy olyan membránba ágyazódott b-típusú citokrómot, amely (1) elektronokat szállított a biomembrán egyik oldaláról a másikra, de nem volt tagja a mito kondriá lis elektron-transzportláncnak, (2) nélkülönözhetetlen volt az idegsejtekben termelődő ingerületátvivő anyagok szintézisénél, és (3) működéséhez C-vitaminra volt szükség. Ezt a fehérjét – a spektroszkópiai tulajdonságok alapján – citokróm b561 fehérjének nevezték el. A fehérje minden fontos fizikai és kémiai jellemzőjét meghatározták már, a pontos térszerkezete és működési mechanizmusa azonban mindmáig ismeretlen.

bé-kevéssé különböző, de a citokróm b561 fehérjéhez hasonló fizikai és kémiai paraméterekkel rendelkező fehérjét is azonosítottak. Valamennyi ilyen fehérje együtt egy fehérjecsaládot alkot (Cyt-b561), amelynek tagjaira az a legjellemzőbb (lásd az ábrát), hogy (1) a biomembrán egyik oldalán egy elektront (e–) vesznek át C-vitamin molekuláktól (ASC), (2) az elektront a fehérjék – a biomembránba beágyazódott „testükön keresztül” – átszállítják a biomembrán másik oldalára, és (3) ott átadják elektronra várakozó molekuláknak (Aox). A fehérjecsalád névadó tagjánál ez az elektront fogadó molekula a C-vitamin-gyök molekula (Aox≡ASC*), a fehérjecsalád újonnan azonosított tagjainál azonban mindmáig ismeretlenek az elektront befogadó molekulák. A jelen kutatások legfontosabb területei: (1) az elektront befogadó molekulák és (2) más elektront szolgáltató molekulák azonosítása a Cytb-b561 fehérjecsalád tagjainál, hiszen ezek ismeretében lehet csak bizonyossággal megmondani, milyen életfolyamatokban játszhatnak szerepet ezek a fehérjék, illetve (3) a molekulák pontos szerkezetének meghatározása, hiszen csak ezeknek ismeretében lehetséges a tudásunk hasznosítása akár a gyógyításban, akár a növénynemesítésben, akár a gyógyszerkutatásban.

Az elmúlt 10 évben kiderült, hogy a citokróm b561 fehérjéhez hasonló fehérjék megtalálhatók az élővilág minden magasabb szervezettségi szintjén, állatokban és növényekben egyaránt. Sőt, mindezen élőlényekben több, az aminosav összetételében egymástól töb30

A fehérjecsalád eddig azonosított tagjait mindig olyan biomembránban találták meg, amely egy savas térrészt választott el a közel semleges kémhatású citoplazmától, és amelyben H+-transzportáló ATPázok

biztosították a savas térrész savasságát. Az már most is bizonyos, hogy a Cyt-b561 fehérjecsalád valamen�nyi tagja valamilyen szinten szerepet kap a C-vitamin anyagcserében. Laboratóriumi kísérleti eredmények alapján az is feltételezhető, hogy a fehérjecsalád egyes tagjai részt vesznek a vasanyagcsere folyamatban. Bizonyított továbbá az, hogy a fehérjecsalád egyik tagja akkor jelenik meg rákos sejtekben, amikor „aktiválódnak” a rákos sejt bizonyos védekezési mechanizmusai.


Biofizika


A Cyt-b561 fehérjecsalád tagjai újonnan felfedezett, a C-vitamin anyagcserében és nagy valószínűséggel a vasanyagcserében is szerepet játszó, transzmembrán helyzetű, elektront ranszportáló fehérjék. A fehérjék szerkezetének, biológiai szerepének, és bioregulációjának megismerése új lehetőségeket nyithat meg a gyógyszerkutatás és növénynemesítés számára.

31

Biofizika

Energiaátalakító Redox enzimek laboraTÓRIUM Témavezetők:

Dr. Kovács Kornél Tel.: 62-546-930 E-mail: [email protected]

Dr. Rákhely Gábor


BIOHIDROGÉN Aki manapság gyermeket szeretne, annak a szokásos gondokon és természetesen örömökön kívül szembesülnie kell egy olyan problémával is, amely talán most jelentkezik az emberiség történetében először: a gyermek életének második felében nem látszik biztosítottnak az emberiség energiaellátottsága, egy globális energiaválság fenyeget. A technológia fejlődése, a Föld népességének növekedése olyan ütemben aknázza ki a meglévő fosszilis energiahordozókat, hogy optimista becslések szerint is pl. az olajkészletek 40–60 éven belül kimerülnek. A fos�szilis energiahordozók hasznosítása más, hasonlóan súlyos problémát vet fel: az elégetésekor keletkezett széndioxid okozta üvegházhatást. A csökkenő fosszilis energiakészletek miatt a jövőben új, alternatív megújuló energiaforrások kerülnek előtérbe, melyek bevezetését a növekvő környezetvédelmi problémák is indokolttá teszik. Ezeket az energiaforrásokat valamilyen formában környezetbarát energiahordozókká kell alakítani, ilyen lehet pl. a (bio)etanol, (bio)dízel, biogáz vagy a (bio)hidrogén. A jövő számára a hidrogén az egyik legígéretesebb jelölt és a hosszabb távra tervező, és előrelátó országok tekintélyes összegeket költenek a hidrogén-gazdaság bevezetését elősegítő kutatásokra, demonstrációs projektekre. Hidrogén biológiai előállítására három fő stratégia létezik: 1. A napfény energiáját felhasználva a sejtek vizet bontanak, amely során oxigén és hidrogén képződik.

32

2. A sejt a napfény energiáját ATP-vé alakítja, s a nitrogén asszimilációja mellett jelentős mennyiségű hidrogént fejleszt. 3. A napfény energiáját vagy más szerves forrásokat (energia növények, szerves növényi, állati, ipari hulladékok stb.) biomasszává alakítjuk át. Az így keletkezett biomasszát hasznosítják a fermentatív mikrobák, miközben számottevő mennyiségű hidrogént termelnek.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatásaink célja, hogy megértsük a hidrogén biológiai termelésében és átalakításában szerepet játszó enzimeket és metabolikus folyamatokat. Ezen ismeretek birtokában biokémiai és metabolikus mérnöki eszköztárral olyan új mesterséges enzim vagy egészsejtes biokatalizátorokat, biotechnológiai eljárásokat fejlesztünk, amelyek segítségével a hidrogén termelés optimalizálható, gazdaságosabbá tehető.

Dr. Kovács Kornél

Témavezetők:

Dr. Rákhely Gábor

Biofizika

Energiaátalakító Redox enzimek laboraTÓRIUM

BIOREMEDIÁCIÓ Az elmúlt évszázad ipari fejlődésének egyik súlyos következménye, hogy jelentős mennyiségű szintetikus vegyület, ártalmas anyag került környezetünkbe. A környezetszennyezések azon túlmenően, hogy károsítják a helyi ökoszisztémát, különösen veszélyesek olyan területeken, ahol a talajvízbe és/vagy felszíni vizekbe mosódva nagy távolságokra eljuthatnak és ivóvízbázisokat, illetve élővizeket veszélyeztethetnek, ezért ezek ártalmatlanítása mind az emberiség, mind a földkerekség fenntartható léte miatt elengedhetetlen.

a káros anyagokkal. Ezért a természetes izolátumok mellett mesterségesen tervezett „környezetvédő biokatalizátorokat” kell alkalmazni.

Kutatásaink során olyan törzseket izolálunk, illetve fejlesztünk, melyek képesek különféle – az ipari tevékenység során képződő – toxikus szerves anyagok, mint pl. olajok, halogénezett szénhidrogének, szulfonált aromás vegyületek stb. bontására. A sejtkultúrák ipari léptékű előállítását a csoportunkkal szoros szakmai-ipari kapcsolatban álló Corax-Bioner Zrt. végzi, ahol évente mintegy 20 000 m3 mikrobiális sejttenyészetet állítanak elő bioremediációs célokra. A környezetidegen anyagok ipari lebontásának két módja lehetséges, abiotikus és biotikus. A biotikus módszerek alapját a szennyeződést lebontani képes mikroorganizmusok jelentik, melyek a környezetidegen molekulákat nem veszélyes, általuk felhasználható (metabolizálható) vegyületekké alakítják át. Ha valamely szennyeződés huzamosabb ideig van jelen a talajban, ott – az adott szennyeződést bontani képes – mikroorganizmusok spontán feldúsulhatnak. Ugyanakkor a természetes mikrof lóra a legtöbb esetben csak nehezen vagy lassan képes megküzdeni ezekkel

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A mikrobák általános tanulmányozásán túl csoportunk fontos kutatási témája a sejten belüli folyamatok tanulmányozása, a biodegradációs utak pontos leírása. Korszerű molekuláris technikákkal feltárjuk, hogy hogyan lesz képes egy sejt a mérgező vegyületből a sejt számára hasznosítható táplálékforrást előállítani. Ezek alapján pedig új, hatékony biokatalizátorokat fejlesztünk.

33

Biofizika


Témavezető:

Dr. Kovács Kornél

BIOGÁZ A biogáz a szerves anyagok anaerob bomlása során képződő metántartalmú gáz. A szerves biomas�szát végső soron egy mikrobaközösség hasznosítja és átalakítja, egyedül egyik mikroorganizmus sem képes az összes, a biomasszában előforduló kémiai kötés felbontására. Ezért válik szükségessé egy olyan mikrobapopuláció létrejötte, melyben az egyes mikroorganizmusok egymással táplálékláncként együttműködve a biomassza biopolimereit, kisebb és nagyobb szerves molekuláit saját metabolizmusukra és növekedésükre tudják felhasználni. A folyamat összetett, a biopolimereket először kisebb egységekre bontják, majd ezekből a kisebb molekulákból építik fel saját

anyagaikat, illetve fejlesztenek metánt és széndioxidot: együttesen biogázt. A biometán képződése reduktív folyamat. Az egyik legígéretesebb, legegyszerűbb redukálási mód, ha olyan mikrobákkal dolgozunk,

34

melyek a helyszínen hidrogént fejlesztenek, amit a metanogének metántermeléshez használnak fel. A természetes mikrobakonzorciumok nem a biogáz termelésére, hanem saját önfenntartásukra törekszenek, ezért a mikrobiális konzorcium a biogáz kihozatal tekintetében nem optimális.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A kutatásaink során laboratóriumi és ipari skálán azt igazoljuk, hogy ennek a komplex biokémiai, mikro biológiai folyamatnak szinte minden lépése felgyorsítható alkalmasan megtervezett biotechnológiai beavatkozással, a megfelelő mikrobiális aktivitások stimulálásával vagy kiegészítésével. Molekuláris biológiai módszerekkel követjük a mikroba együttes összetételének, biogáz termelő képességének változásait. Ezzel a rendszer stabil működését és hatékonyságának növelését érjük el. Sokféle alapanyagból termeltethető biogáz és a fenti stimulációs stratégiát demonstráljuk állati hulladékok, trágya, szennyvíziszap, ipari és kommunális hulladékok valamint energia növények biokonverziója esetén. A K+F tevékenység eredményeképpen a mikrobiális aktivitások biotechnológiai újratervezése segítségével költségkímélőbb, gazdaságosabb biogáztermelés érhető el, ami napjaink energiagondjainak ismeretében kiemelkedő fontosságú problémára nyújthat megoldást.

Témavezetők:

Dr. Rákhely Gábor Tel.: 62-546-940 E-mail: [email protected]

Biofizika

Energiaátalakító Redox enzimek laboraTÓRIUM

Dr. Leitgeb Balázs Tel.: 62-599-726 E-mail: [email protected]

BIOAKTÍV PEPTIDEK/MOLEKULÁK STRUKTuRÁLIS BIOINFORMATIKÁJA A bioaktív peptidek olyan széles spektrumú biológiai aktivitással rendelkező molekulák, melyekkel kapcsolatosan az utóbbi fél évszázad során hihetetlen men�nyiségű kutatási adat látott napvilágot. Biológiailag aktív peptideket termelhetnek baktériumok, gombák, vagy magasabb rendű eukarióták, illetőleg szövetek. Ezeknek a peptideknek számos biológiai hatása lehet: lehetnek antimikrobiálisak, vagy olyan jelátviteli molekulák, amelyek a fejlődésben, sejtválaszban vagy a szabályozási mechanizmusokban játszanak szerepet. Számos olyan idegrendszeri betegség van, amely kis fehérjék vagy peptidek (pl. polialanin vagy poliglutamin) konformációs változásaival áll összefüggésben. A bioaktív peptidek hatásukat különféle módon fejthetik ki: lehetséges, hogy aspecifikus módon lépnek kölcsönhatásba a membránnal, de sokkal általánosabb, amikor egy specifikus receptoron keresztül fejtik ki hatásukat. Általában a peptid-receptor kölcsönhatás a partnerek egy speciális konformációs állapotában jöhet létre. A peptidek bioaktív konformációját bioinformatikai megközelítéssel tanulmányozhatjuk, mely lehetővé teszi egy molekula konformációs állapotainak jellemzését, a szerkezeteket stabilizáló kölcsönhatások azonosítását és a molekuláris történések időbeli lefutásának követését. A peptid-receptor kölcsönhatásokat számítógépes dokkolási módszerekkel tanulmányozhatjuk, amen�nyiben a receptor 3D szerkezete rendelkezésünkre áll. A fehérje konformáció időbeli kialakulásának (folding) jellemzésére molekuladinamikai számításokat végezhetünk.

A bioaktív konformációk számítógépes jóslása alapján mélyebb betekintést nyerhetünk a különféle biológiai folyamatok molekuláris mechanizmusába, s emellett ezek a módszerek lehetővé teszik terápiás célú peptidomimetikumok, gyógyszerek költséghatékony tervezését. A csoport szakmai érdeklődése olyan bioaktív peptidekre irányul, amelyek vagy idegrendszeri rendellenességekkel állnak kapcsolatban vagy anti mikrobiális hatásúak. Ennek során jellemeztük a különféle homopoliaminosavak, polialanin, poliglutamin konformációs terét. Ezen homopoliaminosavak aggre gációja olyan neurodegeneratív betegségekkel áll összefüggésben, mint az Alzheimer-kór.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az antimikrobiális peptidek közül az indolicidin, illetve palindrom sajátságokkal bíró peptidek szerkezeti jellemzése áll kutatásaink fókuszában. Ezen peptidek strukturális tulajdonságainak számítógépes leírása olyan új antimikrobiális szerek kifejlesztésének szolgálhat alapjául, amelyeknek óriási egészségügyi jelentősége van. 35

36

Biokémia

Biokémia

SZBK Biokémiai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

37

Biokémia

Neurobiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Tóth Géza

Tel: 62-599-647 E-mail: [email protected]

OPIOID PEPTIDEK Az idegsejtek felületén található, a fájdalomcsillapításban szerepet játszó ún. opioid receptor fehérjék vizsgálatához fontos a hozzájuk speciálisan kapcsolódó molekulatípusok (mü-, delta-, kappa-szelektív peptid ligandumok) tanulmányozása. Opioid receptor és ligandumjainak kölcsönhatásának vizsgálatát a ligandumok oldaláról közelítjük meg. Az új opioid peptidek tervezését multidiszciplináris megközelítéssel valósítjuk meg. A peptidlánc módosítását pszeudopeptid kötés kialakításával, míg oldalláncának háromdimenziós térszerkezetének módosítását, konformációsan gátolt nem természetes aminosavak (dimetil-tirozin, aliciklikus béta aminosavak, bétametil-fenilalanin, tetrahidroizokinolin karbonsav) beépítésével valósíthatjuk meg. Ezekkel a módszerekkel új, nagy affinitású és szelektivitású analógokat fejleszthetünk ki. Az új analógok szerkezetét kooperációs partnereink NMR, molekuladinamikai és tömegspektrometriás módszerekkel igazolják. A peptidek biológiai hatékonyságát radioreceptor kötési, funkcionális és analgetikus tesztekkel részben laboratóriumunkban részben hazai és külföldi kutatókkal együttműködve végezzük (közös kutatási projektek). A leghatékonyabb új ligandumjainkat radioaktív izotópokkal is megjelöljük. A tricium jelölés az elsődleges, de radioaktív jódozást és 14-C jelölést is alkalmazunk. A trícium jelöléshez a prekurzor vegyületeket laboratóriumunkban szintetizáljuk kettőskötést

38

vagy halogént tartalmazó aminosavak felhasználásával, míg a radioaktív jódozást kloramin-T módszerrel végezzük. 14-C jelölésnél 14-C jelzett aminosavakat alkalmazunk a peptidszintézishez. A radioaktív peptidjeink új kutatási eszközök lesznek az opioid rendszer vizsgálatához.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatási munkánkat az egyértelműen alapkutatási eredményeink estében is mindig motiválta a gyakorlati felhasználhatóság. A fő célunk hatékony fájdalomcsillapítók kifejlesztése, ebben az interdiszciplináris munkában kémikusként veszünk részt. Ez a feladat a jövőben is fontos marad, amit nyertes európai pályázatunk csak erősíteni fog. Új peptideket és aminosavakat állítunk elő, amiket részben szabadalommal védünk és forgalmazunk. A legsikeresebb opioid peptidjeinket tríciált formában is előállítottuk, ezeket az Izotóp Intézet Kft. forgalmazza. Radioaktív jelölési módszereink kifejlesztése tette lehetővé, hogy munkánkra felfigyeljenek hazai és külföldi kutatók és gyógyszergyárak is (ESTEVE, Ferring, Sanofi-Aventis-Chinoin, Egis, Richter Gedeon, IVAX). A közös kutatásaink során született eredményeinket általában a radioaktív vegyületeink motiválták.

Témavezető:

Biokémia


Dr. Borics Attila

Tel.: 62-599-600/582 E-mail: [email protected]

MOLEKULASZERKEZET Az élő szervezetben lejátszódó folyamatok szinte minden esetben a résztvevő molekulák kémiai szerkezetére, azon belül is a térszerkezetre visszavezethető tulajdonságoktól függenek. Különböző spektroszkópiai és elméleti kémiai módszereket alkalmazó kutatásaink elsősorban a µ-opioid receptorhoz való kötődés szerkezeti feltéte leinek megismerésére, félszintetikus prion fehérjék sejtmembránba való ágyazódásának tanulmányozására, valamint egy új konformációanalízis-stratégia fejlesztésére irányulnak. A horgonymolekulához kötött, lipid-membránba ágyazott prion fehérje származékok orientációját és eloszlását atomi szinten, molekuladinamikai módszerek alkalmazásával vizsgáljuk. A µ-opioid receptorhoz kötődő peptidek farmakofor csoportjainak a kötődés és az indukált sejten belüli folyamatok szempontjából előnyös térbeli elhelyezkedését biztosító konformációra korábban nem született általánosan elfogadott, bizonyított javaslat. Kutatásunk célja, hogy további betekintést nyújtson a μ-opioid aktivitás szerkezeti vonatkozású részleteibe. Az endomorfinok (EM-1 és EM-2) és különböző affinitású, szelektivitású analógjaik szerkezetének különböző biokémiai környezetet figyelembe vevő molekuladinamikai összehasonlítása során négy térszerkezeti kritérium teljesülésének fontos szerepét igazoltuk. Rövid peptid típusú ligandumok esetén további segítséget nyújthat egy új, elméleti és kísérleti módszereket egyesítő eljárás kifejlesztése és alkalmazása. Ezen eljárás során a peptidek

rezgési cirkuláris dikroizmus (VCD) spektumát modellezzük kvantumkémiai számítások segítségével, molekuladinamikai szimulációk eredményeiből következtetett konformációs sajátságok alapján. Az cél kísérletileg igazolt szerkezeti információ nyerése olyan oligopeptidekről és származékaikról, melyek esetében a fokozott szerkezeti rugalmasság miatt a domináns konformációs családok meghatározása a gyakorlatban legelterjedtebben használt NMR spektroszkópiás mérések alapján nem egyértelmű.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A kutatás során nyert eredmények segítséget nyújthatnak hatékonyabb, a μ-opioid rendszeren alapuló fájdalomcsillapítók tervezésében, valamint a módosított prion fehérjék működési mechanizmusának megértésében. Az ismertetett eljárás kísérletileg igazolt szerkezeti információt szolgáltathat az endomorfinokon és analógjaikon túl más olyan biológiai szempontból jelentős peptidekről is, melyek konformációs sajátságainak kísérleti meghatározása nehézségekbe ütközik.

39

Biokémia


Témavezető:

Dr. Tömböly Csaba Tel.: 62-599-646 E-mail: [email protected]

KÉMIAI BIOLÓGIA Az élő szervezetek számára kulcsfontosságú, hogy a genetikailag kódolt több tízezer különböző fehérjemolekula a megfelelő helyen, a megfelelő időben és megfelelő kémiai szerkezettel rendelkezésre álljon. Amen�nyiben sérül ez a komplex rendszer, valamilyen kóros elváltozást tapasztalunk. Egy ilyen nem megfelelő fiziológiás állapot korai detektálásához, valamint hatékony kezeléséhez ismernünk kell a folyamatot befolyásoló fehérjemolekulák szerkezetét és funkcióját. Ehhez nagy tisztaságú, homogén fehérjemintákra van szükség, a szerkezetvizsgáló fizikai módszerek pedig speciális „riporter” molekula részletek beépítését is igénylik. A kémiai biológia tulajdonképpen a kémia eszköztárának alkalmazását jelenti a biológiai problémák megoldásában, valamint a biológiai folyamatok befolyásolásában. Vagyis alkalmas a fehérjemolekulák kémiai információtartalmának specifikus növelésére bizonyos kémiai reakciók specificitása révén. A kémiai módszerek általános alkalmazhatóságának azonban gátat szab, hogy az a három dimenziós szerkezet, amellyel egy fehérjemolekulának rendelkeznie

40

kell specifikus funkciójának ellátásához, csak bizonyos körülmények között stabil. Ha tehát egy kémiai módosítást ettől eltérő közegben végzünk, a fehérjemolekula irreverzibilis szerkezeti változást szenvedhet. Ezért olyan magas specificitást mutató kémiai reakciók kutatása az egyik célunk, amelyek fiziológiás körülmények között is alkalmazhatók. Ezen kívül rekombináns és szintetikus fehérje fragmensekből, peptidekből kiindulva állítunk elő specifikusan módosított fehérjemolekulákat, amelyek a fehérjék működésének megértését szolgálják.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fehérje alapú gyógyszermolekulák fejlesztése egy igen intenzíven növekvő terület, ahol a gyógyszerként való alkalmazhatósághoz az adott fehérjemolekula tulajdonságait optimalizálni kell, valamint az előállítási költségeket hatékonyabb módszerek alkalmazásával csökkenteni kell. Ehhez lényeges hozzájárulás várható a kémiai biológiai módszerektől.

Témavezető:

Biokémia

Molekuláris Stresszbiológiai Csoport

Dr. Vígh László Tel.: 62-432-048 E-mail: [email protected]

Stresszfehérje alapú gyógyszerjelöltek kutatása-fejlesztése A Molekuláris Stresszbiológiai Csoport irányításával több hazai és külföldi kutatócsoport és ipari partnerek közreműködésével folytatott, mintegy két évtizedes múltra visszatekintő kutatás-fejlesztéseink homlokterében az ún. „lipidterápiára” alkalmas kismolekulák szelekciója, hatásmechanizmusának feltárása, valamint farmakológiai hasznosíthatóságának vizsgálata áll. Tudományos szenzáció volt a célzott membránkölcsönhatásra képes, nem-toxikus hidroximsavak stresszfehérje (molekuláris chaperon) koindukciós képességének felismerése, az ún. „membrán-szenzor” elv alapjainak lerakása. A chaperon koindukciót igazoló felfedezésünknek nem csak komoly üzleti visszhangja (Businness Week, stb.) de jelentős üzleti sikere is volt. Később feltártuk e molekulák lehetséges membránlipid hatóhelyét, illetve legújabban azokat a plazmamembránból induló komplex szignalizációs utakat, amelyekkel interferálva a megfelelően tervezett hatóanyagok olyan patológiás állapotok gyógyítására válhatnak alkalmassá, mint a 2. típusú diabétesz, a szívinfarktus, vagy a különböző neurodegeneratív és rákos betegségek. A membrán támadáspontú, originális „chaperon gyógyszer” típusú hatóanyagok felismerését célzó, sejtalapú szűrőrendszerek továbbfejlesztése jelenleg a LipidArt Kft. koordinációjával, többek között

a „LipidomicNet” (FP7) európai uniós pályázatra támaszkodva folytatódik. A K+F technológiáink kulcselemét képező „egymolekula követésére alkalmas mikroszkópiás” vizsgálatainkat a linzi Kepler Egyetem Biofizikai Intézetének munkatársaival együttműködésben végezzük. A biológiai membránok mikroheterogén struktúráját is figyelembe venni képes „csúcstechnológia” lehetővé teszi az élő sejtek membránjai topológiájának és dinamikájának minden eddiginél nagyobb feloldását, a patológiás membránváltozások hiperfinom tér- és idő-felismerését.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Ez a módszer tágabb értelemben lehetőséget biztosít a legkülönbözőbb membránfüggő jelenségek (receptorkutatás, immunológiai vizsgálatok, jelátviteli és transzport folyamatok, stb.) mélyebb megértéséhez, azok eddig feltáratlan részleteinek tisztázásához. A K+F tevékenységünk másik, komplementer kulcs eleme a lipidomika, aminek révén akár izolált membrándoménekből is lehetséges a „lipidsokaság” molekula-speciesz szintű elemzése. E két technológia kombinációja révén válik reális céllá a stresszfehérje válasz célzott, „lipidterápiás” korrekciója a különböző betegségekben.

41

Biokémia

Drosophila Sejtbiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Deák Péter


Fehérjelebontás szerepe a sejtfolyamatok szabályozásában A sejtosztódások során a kromoszómák szétválását egy ubikvitin-függő fehérjelebontó mechanizmus szabályozza, amely két lépésből, egy jelölő és egy degradációs lépésből áll. A jelölési lépésben egy enzim-kaszkád ubikvitin láncot kapcsol szabályozó fehérjékhez. Ezt követően a megjelölt fehérjéket felismeri és lebontja a sejtek fehérjelebontó szerve, a proteaszóma. A jelölő folyamat kulcsfontosságú szereplője egy nagy, ubikvitin-ligáz aktivitással rendelkező komplex, az APC (anaphase promoting complex), amely alkalmas felületet biztosít a jelölő folyamat számára, és meghatározza szubsztrátspecificitását is. A kromoszóma szegregációban játszott szerepe mellett, a mitótikus ciklinek lebontásával az APC szabályozza a mitózis befejezését és a G1 fázis fenntartását is. Az APC eg y igen nag y méret ű, 1.5 MDa-os fehérjek omplex, amelynek eddig 10–13 alegységét azonosították különböző fajokban. Az egyes alegységek homológjai nagymértékű szekvencia és topológiai hasonlóságot mutatnak, ami evolúciós konzerváltságot bizonyít. Annak ellenére, hogy ismerjük az APC alapvető szerepét és szabályozásának főbb elemeit, még számos kérdés megválaszolatlan mind felépítésével, mind pedig működésével kapcsolatosan. Csoportunkban funkcióvesztéses Drosophila mutánsokat állítottunk elő az APC összes ismert alegységére. Ezek részletes fenotípus analízisét végezzük, hogy megismerhessük az alegységek funkcióját, valamint hogy további ismereteket szerezzünk az APC felépítéséről és működéséről is. 42

A jelölő lépést követően ubikvitin receptorok közreműködésével jön létre kölcsönhatás a poli-ubik viti nált fehérjék és a proteaszóma között. Eddig két es�szenciális és két nem esszenciális ubik vitin receptort ismertünk. Csoportunkban azonosítottunk egy újabb esszenciális ubikvitin receptor gént, a PubR-t, amely génterméke leginkább a már ismert Dsk2 ubikvitin receptorhoz hasonlít. A gén funkcionális analízise folyamatban van.

Apc10 hiányos lárvális idegsejt fenotípusa. A sejtek rendellenesen kondenzálódott kromoszómákkal (kék) megrekednek metafázisban, és felhalmozódnak bennük a mitótikus ciklinek (piros). Mindkét fenotípusjelleg arra utal, hogy az Apc10 alegység hiánya működésképtelen APC-t eredményez.

Az ubikvitinálással ellentétes folyamat a dezubi kvitinálás, melynek során ún. dezubikvitináló enzimek (DUB) eltávolítják a fehérjékhez kapcsolt ubik viti neket, és mono-ubikvitinekre hasítják a poli-ubikvitin láncokat. Az ubikvitinációval ellentétben a DUB enzimek vizsgálata csak az utóbbi néhány évben kezdődött, ezért a biológiai folyamatokban betöltött funkciójuk kevésbé tisztázott. A katalízisben szerepet játszó konzervált domén jeik alapján öt alosztályát különíthetjük el a dezubi

kvitinázoknak: ubikvitin specifikus proteázok (USP), ubikvitin C-terminális hidrolázok (UCH), MachadoJoseph domént tartalmazó proteázok (MJD), OTU domént tartalmazó proteázok (OTU) és JAMM motívumot tartalmazó proteázok (JAMM). Az első négy alosztályba tartozó enzimek cisztein proteázok, a JAMM-ok pedig a metalloproteázok osztályába tartoznak.

A DUB-ok aktivitásának köszönhetően az ubikvitin illetve a poliubikvitin lánc eltávolítható a szubsztrátról, így megváltozhat annak az aktivitása vagy megnőhet féléletideje a sejten belül. Ugyanakkor egyes DUB-ok monomerekre bontják a szabad poli-ubikvitin láncokat, így hozzájárulnak a sejt monoubikvitin (Ub) készletének fenntartásához.

Bioinformatikai módszerekkel 39 Drosophila gént azonosítottunk, amelyek nagymértékű hasonlóságot mutatnak ismert humán és élesztő DUB génekkel. Jelenleg ezek funkcionális analízise folyik csoportunkban.

Biokémia

Drosophila Sejtbiológiai Csoport

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az alapvető sejtfolyamatokat szabályozó fehérjék lebontásának hiánya, vagy túlzott mértéke egyaránt káros a sejtek számára, és elszabadult sejtosztódást eredményez. Éppen ez történik a rákos daganatokban, ezért az ubikvitin-függő fehérjedegradáció megismerése lehetőséget biztosít a rákos sejtekre specifikusan ható molekulák és új gyógymódok kifejlesztésére. A lényeges szabályozási lépéseket érintő mutánsaink felhasználásával létrehoztunk egy gyors és nagy áteresztőképességű tesztrendszert, amely alkalmas hatóanyag-jelöltek tesztelésére és az ubikvitin-függő fehérje degradációs mechanizmus különböző lépéseire, vagy alkotóelemeire specifikusan ható molekulák azonosítására egy intakt soksejtű organizmusban.

43

Biokémia

Drosophila Sejtbiológiai Csoport Témavezető:

Dr. Deák Péter

Kemoterápiás szerekkel szembeni érzékenység genetikai hátterének vizsgálata

44

mutattak az alkalmazott szerekkel szemben. Ez annak lehet a következménye, hogy az egyes gének eltérő mértékben járulnak hozzá az ellenőrzési mechanizmusok funkciójához, így az egyes checkpoint és DNS-hibajavítási gének mutációi azok, amelyek jelentősen meghatározzák a sejtek genotoxikus hatásokra adott válaszát. Mivel mind a checkpoint, mind pedig a DNS-hibajavítási gének jelentős evolúciós konzerváltságot mutatnak az élesztőktől az emberig, azt gondoljuk, hogy a kísérleteink hasznos információval szolgálnak a checkpoint mutációk szerepéről a tumorok kemoszenzitivitásának kialakításában.

nd

nd

log M

A rákos megbetegedések kezelésében a kemoterápia a leggyakrabban alkalmazott módszer. Ez a kezelés azon a megfigyelésen alapszik, hogy rákos sejtek érzékenyebbek DNS-t károsító szerekkel szemben, mint a daganatokat körülvevő normális testi sejtek. Sajnos azonban ezek a szerek hatással vannak a nem daganatos sejtekre is, és éppen ez okozza a kemoterápiás kezeléseket kísérő toxikus mellékhatásokat. A jelenleg alkalmazott kemoterápiás protokollok a testsúly, testfelszín, metabolizmus és látható toxikus hatások által megengedhető legnagyobb dózisú kezelést alkalmazzák. Magas dózis esetén azonban csökken az érzékenységbeli különbség a normál és rákos sejtek között, ezért a kemoterápiás kezeléseket általában alacsony terápiás index jellemzi. A kemoterápia specifitását és hatékonyságát jelentősen növelné az egyes tumorok kemoszenzitivitásának előrejelzése. Feltételezhető, hogy a sejtciklus ellenőrzési mechanizmusaiban (checkpoint) és a DNS-hibajavításban résztvevő géneknek szerepe lehet a tumorsejtek eltérő kemoszenzitivitásban. Egyrészt egyre nyilvánvalóbb, hogy az ellenőrzési folyamatok károsodása általános jelenség a tumorgenezis során. Másrészt pedig az ellenőrzési mechanizmusokban és DNS-hibajavításban résztvevő gének mutánsai az eddig vizsgált kísérleti fajokban fokozott érzékenységet mutattak DNS-t károsító szerekkel szemben, köztük olyanokkal szemben is, amelyeket kemoterápiában alkalmaznak. Ebben a projektben meghatározzuk ismert Drosophila checkpoint és DNS-repair mutánsok érzékenységét az FDA által engedélyezett kemoterápiás szerekkel szemben. Ezek a mutánsok azonos genetikai háttérrel rendelkeznek, ezért a mutánsok között megfigyelhető érzékenységbeli különbség közvetlenül kapcsolható az érintett gének funkciójához. Eddigi eredményeink azt mutatják, hogy a különböző checkpoint mutánsok feltűnően eltérő érzékenységet

Egy DNS-alkiláló vegyület toxicitási profilja. A grafikon a relatív LC50 (log M) értékeket mutatja, amelynél az egyes mutánsok aránya fele a kezeletlen populációban kapott aránynál.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Munkánk célja, hogy egy intakt, soksejtű kísérleti organizmusban meghatározzuk a kemoterápiás szerek szelektivitását a különböző checkpoint és DNSrepair mutációkkal szemben. Azt reméljük, hogy ezek az adatok, a humán daganatok „checkpoint és DNSrepair genotípusának” hatékony diagnosztizálásával együtt, hozzájárulhatnak a jelenleginél hatékonyabb, személyre (vagy tumorra) szabott kemoterápia kifejlesztéséhez, amelyben a kezelést megelőzően meghatározható a legnagyobb szelektivitással rendelkező, ezért leghatékonyabb szer.

Biokémia

Extracelluláris Mátrix Molekuláris Biológiai Csoport

Dr. Kiss Ibolya

Témavezetők:


Dr. Deák Ferenc


A sejtközötti állomány fehérjéinek szerepe fejlődési és regenerációs folyamatokban A többsejtű állatokban a sejtek közötti teret egy meghatározott összetételű és sajátos szerveződésű sejtközötti állomány, az extracelluláris mátrix (ECM) tölti ki. Az ECM igen változatos és sokszor létfontosságú feladatokat lát el a gerincesek szerveinek védelmében, a szöveti integritás fenntartásában, mozgásban, differenciálódási és fejlődési folyamatokban. Az ECM komponensek három fő csoportba tartoznak. A kollagén rostok és hialuronsav-proteoglükán hálózatok között a multiadhéziós fehérjék létesítenek kapcsolatot. Szerepük még kevéssé ismert az ECM-ECM és sejt-ECM kölcsönhatásokban. A multiadhéziós fehérjék közül az általunk felfedezett matrilinok a szövetekben részben kollagén rostoktól függő, részben azoktól független, finom hálózatot hoznak létre. Matrilin-1 és -3 csak a vázelemekben fordul elő, míg a matrilin-2 és -4 szinte minden szövetben megtalálható. Matrilin gének kifejeződését és szerepét vizsgáljuk differenciálódási, regenerációs és kóros folyamatokban, állatmodellekben és sejtkultúrákban. Matrilin-2 génben hiányos transzgenikus egereket hoztunk létre nemzetközi kollaborációban. Matrilin-2 mutáns változatait termelő sejtek létrehozásával a fehérje szerepét kutatjuk az ECM makromolekuláris hálózatainak kialakításában. Hazai együttműködések keretében tanulmányozzuk a matrilin-2 szerepét vázizom-regeneráció és differenciálódás során, egészséges és beteg szívben, valamint tumorképződésben. Vizsgáljuk a fehérje kölcsönhatását más ECM és sejt membrán

alkotókkal, valamint részvételét jelátviteli folyamatokban. A matrilin-2 expresszió jelentősen emelkedik egyes rákos sejtekben. A fehérje hiánya befolyásolja az izomdifferenciálódást és a tumorképződést is. Vizsgáljuk továbbá ECM fehérjék és ioncsatornák expressziójának változását beteg szívben.

Matrilin-2

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Vizsgáljuk, hogy matrilin-2 jelenléte és hiánya milyen jelátviteli utakon át befolyásolja a génexpressziót. A matrilin-2 egyes rákos folyamatokban diagnosztikai markerként alkalmazható. A génben hiányos transzgenikus egereket pedig tumorellenes vegyületek tesztelésére használjuk. A fehérjét és mutáns változatait termelő sejtek mesterséges matrix létrehozására is felhasználhatók, ami a szöveti regenerációt elősegítő biotechnológiai eljárások kidolgozását segítheti elő.

45

Biokémia

Extracelluláris Mátrix Molekuláris Biológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Kiss Ibolya

Transzgenikus állatmodellek létrehozása a porcregeneráció vizsgálatára A váz- és izomrendszer megbetegedései teszik ki a tartós fájdalommal és munkából való kieséssel járó megbetegedések több, mint 50%-át világszerte. Ezen belül az átlagéletkor emelkedésével egyre nő az ízületi megbetegedések aránya. Az öröklött ízületi betegségek a csontnövekedés zavara miatt sokszor törpeséget okoznak, aminek a gyógyítása megoldatlan. Más ízületi betegségek, pl. rheumatoid arthritis és osteoarthrosis hátterében gyulladásos eredetű, autoimmun folyamatok állnak, amelyek a porc- és csontszövet valamint az ízületi tok leépüléséhez vezetnek. A gyulladásos citokinek gátolják a porcspecifikus génműködést és a porcot alkotó makromolekulák reszintézisét. A rendelkezésre álló gyógyszerek azonban csak a gyulladást csökkentik. Ezért szükség van új, hatékony gyógyszerek és gyógyítási eljárások kidolgozására, amelyek a porcspecifikus génműködés fokozása révén az ízületi porc regenerációját eredményezik. A gyógyszerek tesztelésére használt állatmodellek is csak a gyulladás és a porc erózió mértékének detektálásán alapulnak, és nem teszik lehetővé a porcspecifikus génexpresszió változásának követését. Korábbi munkáink során klónoztuk és behatóan tanulmányoztuk a matrilin-1 gént, ami specifikusan porcszövetben működik. A gén egyedi sajátossága, hogy kifejeződése a növekedési korongnak csak azokra a zónáira korlátozódik, melyek a csontok hosszanti növekedéséért felelősek. A gén regulációjának vizsgálata során feltérképeztük a fő szabályozó régiókat és azonosítottuk a szabályozásban kulcsszerepet játszó DNS-elemeket és

46

transzkripciós faktorokat. A gén zónális kifejeződését irányító és más porcspecifikus DNS-elemeket beépítve, olyan transzgenikus állatmodelleket hoztunk létre, melyekben a jól detektálható riporter gén minden porcsejtben, illetve csak a növekedési korong meghatározott zónáiban működik. Így a riporter gén aktivitásának hisztológiai követésével a porcspecifikus génműködés változásáról kapunk információt. TR70

8xEcol2a1(+)NAD1

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A létrehozott transzgenikus állatmodellek alkalmasak gyógyszerek vázfejlődésre, porcműködésre és csontnövekedésre gyakorolt hatásának követésére, ezáltal elősegíthetik gyermekek és terhes anyák által biztonságosan szedhető gyógyszerek kifejlesztését. A transz genikus állatokban arthritist indukálva a porcdegra dáció, majd a gyógyszerek hatására bekövetkező porc reszintézis követhető. Így az állatmodell nemcsak gyógyszerjelöltek gyulladáscsökkentő, hanem porc regeneráló hatásának tesztelését is lehetővé teszi.

Témavezető:

Biokémia

Molekuláris Neurobiológia Csoport

Dr. Sántha Miklós Tel.: 62-599-651 E-mail: [email protected]

BETEGSÉGMODELLEK KIFEJLESZTÉSE ÉS ALKALMAZÁSA A humán betegségek egy jelentős része – mint pl. a szív és érrendszeri vagy a neurodegeneratív elváltozások – nem tanulmányozhatóak közvetlenül az emberen. A betegségek megismerésében az állatmodellek alkalmazása nélkülözhetetlen segítséget nyújt. Az állatmodellek révén a betegség kialakulása (pathomechanizmus), az elváltozások részletei (szövettani, biokémiai, molekuláris biológia) jobban megismerhetővé válnak. Az állatmodellek legnagyobb jelentősége azonban a betegségek kialakulását megelőző, a kórfolyamatot befolyásoló gyógyszerjelöltek kipróbálásában rejlik. Az állatmodellek közül különleges jelentőségűek az egérmodellek, mert fenntartásuk aránylag könnyű, gyorsan szaporodnak, genetikai kódjuk ismert, jól jellemzett, génkészletük közel áll az emberéhez, valamint génállományuk módosítására jól kifejlesztett módszerek állnak rendelkezésünkre. Laboratóriumunkban az elmúlt évek során előállítottuk a hyperlipidemia és az atheroszklerózis több egérmodelljét (apoB-100 és hCETP transzgenikus, valamint apoB-100xbiglycan és apoB100xhCETP kettős transzgenikus egerek). Jelenleg a neurodegeneráció egy új egérmodelljének kifejlesztésén dolgozunk. Vannak olyan transzgenikus egereink is, amelyek révén a biglycan és a kismolsúlyú hősokk

fehérjék (hsp27, HSPB2 és HSPB3) kardioprotektív és neuroprotektív hatását tanulmányozhatjuk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Transzgenikus egérmodelljeink lehetőséget teremtenek a kardiovaszkuláris és neurodegeneratív betegségek kialakulását megelőző, ill. a már kialakult betegséget befolyásoló új gyógyszermolekulák kifejlesztésére. Az utóbbi időben az Egyesült Államokban kiterjedten alkalmazzák a hCETP transzgenikus egereket a humán hCETP enzimgátlók kifejlesztésére és ezáltal a kóros LDL-szint csökkentésére, azaz az atheroszklerózis megelőzésére.

47

Biokémia

EUKARIÓTA MOLEKULÁRIS BIOLÓGIAI CSOPORT

Témavezető:

Dr. Vizler Csaba Tel.: 62-599-649 E-mail: [email protected]

Immunológia Az emberi immunrendszer rendkívüli összetettsége miatt hibalehetőségeket hordoz magában, nem ritkán téves támadást indít saját fehérjéink, sejtjeink ellen. Ilyen autoimmun betegség célpontja a központi idegrendszer fehérállománya a szklerózis multiplex, a központi idegrendszer krónikus gyulladásos betegségek esetén. Mi a szklerózis multiplex egérmodelljét (kísérletes autoimmun agyvelőgyulladás, EAE) használjuk gyulladáscsökkentő gyógyszerjelöltek vizsgálatára. Gyógyszerjelöltjeinket további gyulladásos betegségekben, például szepszisben is vizsgáljuk.

Tumorbiológia Tumorbiológiai és tumorimmunológiai kutatásaink során természetes hatóanyagok és szintetikus gyógyszerjelöltek daganatellenes aktivitását és hatásmechanizmusát vizsgáljuk szövetk ultúrában fenntartott humán- és egér tumor sejteken, továbbá in vivo egér melan om a, emlők arcin oma, leukémia modellekben.

Fájdalomkutatás A fájdalomérző idegek egyik alapvető receptora a TRPV1 fájdalomreceptor (capsaicin receptor), egy hőre és gyulladásos mediátorokra érzékeny kalcium ioncsatorna. A fájdalom evolúciós szerepe az, hogy

48

felhívja az élőlény figyelmét a sérülékeny testrészekre, ezért a gyulladás fájdalommal jár, míg a sérülésekkel járó fájdalom önmagában is képes gyulladást kelteni (neurogén gyulladás). A TRPV1 receptorra irányuló hatóanyagokkal a kezelés módjától függően időleges vagy permanens fájdalomcsillapítás érhető el. Egy afrikai kutyatej által termelt toxin, a resiniferatoxin képes szelektíven megölni a receptort viselő idegsejteket, ez az eljárás, amelynek tökéletesítésén jelenleg is dolgozunk, végleges megoldást jelenthet egyes elviselhetetlen fájdalommal járó betegségek (daganatok, krónikus artritisz, neuropátiák) kezelésében („molekuláris idegsebészet”). A receptort blokkoló TRPV1 gátlószerekkel a hagyományos fájdalomcsillapítókéhoz hasonló időleges hatás érhető el. Fájdalomcsillapító gyógyszer-jelöltjeink különböző forrásokból származnak – van köztük népi gyógyászatból ismert növényi hatóanyag, mikrobiális fermentációs termék, illetve nagy áteresztőképességű szűréssel tesztelt molekulakönyvtárból származó szintetikus molekula is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A felsorolt projekteknek közvetlen gyakorlati jelentősége is van, célunk minden esetben klinikumban használható gyógyszerjelöltek azonosítása, hatásmechanizmusuk vizsgálata. Vizsgálatainkat a preklinika szintjéig házon belül is el tudjuk végezni, de legkésőbb a klinikai I. fázisú vizsgálatokhoz szakmai befektetők bevonására van szükségünk.

Témavezető:

Biokémia

DNS – fehérje Kölcsönhatások Csoport

Dr. Kiss Antal


Restrikciós endonukleázok és DNS-metil transzferázok, a géntechnológia eszközei A baktériumok jelentős része tartalmaz ún. restrikciós-modifikációs rendszert. E rendszerek többsége két enzimből, egy restrikciós endonukleázból (REáz) és egy DNS metiltranszferázból (MTáz) áll. Mindkét enzim ugyanazt a néhány bázispárból álló, a rendszerre jellemző szekvenciát ismeri fel a DNS-en. A REáz ennél az ún. felismerő-szekvenciánál hasítja a DNS-t, míg a MTáz egy-egy bázist metilál a felismerő-szekvencia mindkét szálán. A metilált DNS rezisztens a saját REázzal szemben. Az REázok az elmúlt 40 évben a molekuláris biológiai kutatás nélkülözhetetlen munkaeszközei lettek. Felhasználásukkal vált lehetővé a DNS specifikus fragmentálása, amely a géntechnológiai módszerek többségének kihagyhatatlan eleme. A REázok működésének, szekvencia-specifitásának megértése hozzájárulhat módosított aktivitású, vagy új specifitású enzimek létrehozásához, ezáltal a molekuláris biológia eszköztárának bővítéséhez. Csoportunk ezzel kapcsolatos egyik új eredménye, hogy kimutattuk, az MvaI REáz, melynek ismert szubsztrát szekvenciája a CCA/ TGG, képes a CCCGGG szekvenciák hasítására is, ha a belső citozinok helyett 5-metil-citozin van (az ábrán piros vonal mutatja a hasítás helyét).

Bár géntechnológiai jelentőségük nem mérhető a REázokéhoz, a MTázok felhasználása is növekszik a molekuláris biológiai kutatásban. Ez annak a felismerésnek is tulajdonítható, hogy magasabbrendű szervezetekben, így az emberben is, a DNS-metilációnak fontos szerepe van a génműködés szabályozásában és egyes betegségek patogenezisében. Mivel a gének szabályozó régióiban egyes CG dinukleotidok metilálása a génműködés kikapcsolásához vezet, meghatározott génszakaszok mesterségesen előidézett, szelektív metilálása fontos kísérleti eszköz lehet. A célzott metiláció módszerének kidolgozására számos próbálkozás történt, ezek azonban nem megfelelőek, mert nem eléggé specifikusak, azaz nem célzott szekvenciák is metilálódnak.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Német és holland kutatókkal együttműködve egy olyan rendszer létrehozásán dolgozunk, amely a jelenlegieknél specifikusabb, és akár egy humán genom méretű DNS-en belül is alkalmas kiválasztott szekvenciák szelektív metilálására. Ezzel fontos eszköz juthat a kezünkbe a DNS-metiláció biológiai és kóroktani szerepének vizsgálatához és kutatás kezdődhet a terápiás felhasználás irányába is.

49

Biokémia

Genommérnöki Csoport

Témavezető:

Dr. Pósfai György


Szintetikus biológia: mesterséges baktérium sejt biomolekulák termeltetéséhez Gyógyszerek, táplálékkiegészítők, vakcinák, ipari alapanyagok termeltetésére ma is használnak baktériumokat. Az élő sejt környezetbarát, olcsó, önmagát megújító sejtgyárként – megfelelő genetikai átprogramozás révén – hasznos anyagok széles skálájának előállítására késztethető. Mivel azonban az élő sejtek evolúciójuk során nem ezekre a célokra „készültek”, a genetikai átprogramozás sokszor nehézkes, a sejtgyár nem eléggé hatékony. Csoportunk a széles körben használt Escherichia coli baktérium genetikai tervrajzának nagyléptékű, racionális átalakításával foglalkozik. A cél egy könnyebben programozható, az erőforrásokat hatékonyabban hasznosító sejtgyár készítése a felhasználók számára. A sejt genetikai tervrajzának (génhálózatának) analízise után a felhasználás szempontjából szükségtelen, sőt esetenként előnytelen géneket elimináltuk, ún. minimál E. coli sejtet hoztunk létre. A minimál sejtbe növekedést gyorsító, illetve a

50

genetikai programozást megkönnyítő géneket ültettünk. További átalakítás révén a sejt genetikai stabilitását növeltük meg. Az átalakított minimál E. coli sejt számos tulajdonságában meghaladja a kiindulási alapként szolgáló természetes sejtet.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A minimál E. coli sejtet amerikai partnereinkkel közösen szabadalmaztattuk, s a Scarab Genomics LLC cég közreműködésével forgalomba hoztuk. A sejtet mind kutatási, mind biotechnológiai célra igénybe veszik. A minimál sejt továbbfejlesztése folyamatos. A különféle felhasználói igények (pl. DNS, fehérje vagy metabolit jellegű hatóanyagok termeltetése) az általános „sejtjavításon” túl speciális genetikai módosításokat is igényelnek, ennek megfelelően különféle specializált sejteket állítunk elő. További információ a www.scarabgenomics.com honlapon.

Biokémia

Evolúciós Rendszerbiológiai Csoport / PAPP LABOR

Témavezető:

Dr. Papp Balázs


GÉNKÖLCSÖNHATÁSI HÁLÓZATOK Mára több száz élőlény teljes genetikai állománya vált ismertté. A genomok feltérképezése mellett intenzíven folynak az úgynevezett „posztgenomikus” kutatások is, melyek célja azt felderíteni, hogy az élőlényekben található több ezer génnek mi a feladata, és hogyan működnek együtt a biológiai funkciók kialakításában. A posztgenomikai vizsgálatok közül különös jelentőséggel bírnak az ún. géninaktivációs kísérletek, amely során egy élőlény génjeit egyesével működésképtelenné teszik, és megfigyelik annak hatását. Ezen vizsgálatok több élőlény esetében kimutatták, hogy a gének csupán 10–30%-a kulcsfontosságú laboratóriumi körülmények között (kulcsfontosságú az a gén, amelynek kiütése esetén az élőlény elpusztul). Egyik, általunk igazolt lehetőség, hogy a nem kulcsfontosságú gének jelentős része csak valamilyen speciális környezeti feltétel mellett tölt be fontos feladatot. Emellett kimutatott, hogy számos gén esetében az inaktiváció hatását az élőlényben működő más gének kompenzálni tudják. A gének közötti kompenzációs kapcsolat a génkölcsönhatások egyik fontos típusa, és jelenleg komoly erőfeszítések történnek világszerte, hogy az élesztőgomba – mint egyszerű modellszervezet – teljes génkölcsönhatási hálózatát feltérképezzék. Egyértelmű, hogy ezeknek a hálózatoknak a részletes ismerete segít a gének funkciójának mélyebb megértéshez és megmagyarázhatja, miért inaktiválható a legtöbb gén drasztikus fenotípusos hatás nélkül.

A génkölcsönhatási hálózatok kísérletes feltérképezése génkombinációk inaktiválásával történik (ti. kölcsönhatásról beszélünk, ha az A, illetve B gén egyedi inaktivációja hatástalan, de A és B gén együttes kiütése már káros). Mivel a lehetséges génkombinációk száma hatalmas (kb. 107 az élesztő esetében), ráadásul a génpároknak csak egy kis hányada mutat kölcsönhatást, ezért a teljes génkölcsönhatási hálózat feltérképezése egyelőre komoly kihívást jelent (5 év alatt ezeknek a kombinációknak kevesebb, mint 4%-t tudták ellenőrizni). További probléma, hogy számos genetikai interakció csak speciális – laboratóriumban ritkán ellenőrzött – környezeti feltétel mellett jelentkezik. Mindezek alapján a génkölcsönhatások elméleti előrejelzésére különösen nagy igény mutatkozik. Munkánkkal ezeket a hiányokat szándékozunk pótolni: az élesztő anyagcseréjének számítógépes modelljét használjuk génkölcsönhatások előrejelzésére, majd ezen predikciók egy részét kísérletileg is ellenőrizzük.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk, hogy megbízható számítógépes eljárásokat dolgozzunk ki a kulcsfontosságú gének, illetve a génkölcsönhatások előrejelzésére. Ezek segítségével akár a kísérletesen nehezen manipulálható kórokozók esetében is azonosíthatóak lesznek a kulcsfontosságú gének, segítve ezzel a racionális gyógyszertervezést.

51

Biokémia

EVOLÚCIÓS RENDSZERBIOLÓGIAI CSOPORT / PÁL LABOR Témavezető:

Dr. Pál Csaba

Tel.: 62-599-661 E-mail: [email protected] Labor internetes cím: http://group.szbk.u-szeged.hu/sysbiol/

Az antibiotikum rezisztencia evolúciója baktériumokban A mikroorganizmusok nagy populációjuk, magas mutációs rátájuk és rövid generációs idejük révén rendkívül gyorsan képesek alkalmazkodni a legkülönfélébb stresszkörülményekhez. Ezt a folyamatot különösen jól érzékelteti kórokozók antibiotikumokkal szembeni ellenállóképességének rendkívül gyors evolúciója. Van-e lehetőség arra, hogy ezt a folyamat specifikus beavatkozások révén lelassítsuk? Hogyan befolyásolják különböző stresszhatások és nehézfém szennyezés az antibiotikumokkal szembeni érzékenységet? Hogyan, és hány lépésben alakulhat ki rezisztencia több antibiotikummal szemben? Ezeknek a kérdéseknek a megválaszolásához elengedhetetlen a rezisztencia kialakulását szabályozó genetikai faktorok feltérképezése. Hála a szinte teljes genetikai állományra kiterjedő Escherichia coli mutáns és gén expressziós könyvtárak jelenlétének, mára azonosíthatóak azok a gének, amelyek nem közvetlenül az ellenállóképesség mértékét, hanem annak evolúcióját befolyásolják. Munkánk során ötvözzük a funkcionális genomika, laboratóriumi evolúciós vizsgálatok és rendszerbiológia módszertanát. Papp Balázs csoportjával szoros együttműködésben, csoportunk másik fő törekvése, hogy automatizált eljárásokkal meglévő gyógyszerhatóanyagok újszerű, a korábbinál hatásosabb kombinációit állítsa elő. Amellett, hogy a gyógyszeripar újabb hatóanya-

52

gok kifejlesztésén fáradozik, egyre inkább szerepet kap a már meglévő szerek olyan újszerű kombinációinak (ún. „hatóanyagkoktélok”) a megtalálása, amelyek hatásosak a rezisztens törzsekkel szemben is. Legtöbb ilyen keresési eljárás azonban egy adott hatóanyagkönyvtárban található vegyület összes lehetséges páros kombinációját teszteli, amely nagy könyvtárak esetén, vagy amikor kettőnél több hatóanyag közötti kölcsönhatás felderítése a cél, alkalmatlan stratégiának bizonyul. A hatóanyag-kombinációk lehetséges terének gyors és költséghatékony átkutatására intelligens kísérlettervezési eljárások nyújthatnak megoldást.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk egy olyan munkaállomás kiépítése, amely nem csak emberi beavatkozás nélkül végez el nagyszámú, elemi molekuláris és mikrobiológiai feladatot, hanem a csatlakoztatott számítógép a megfelelő beépített mesterséges intelligencia algoritmusok révén kiértékeli az eredményeket, újabb kísérleteket javasol és hajt végre a különböző biológiai hipotézisek tesztelésére. Olyan algoritmusokat fejlesztünk, amelyek automatizált kísérlettervezés és robotizált eszközvezérlés ismételgetésével optimális összetételű hatóanyagkoktélt állít elő.

Genetika

SZBK Genetikai Intézet 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

53

Genetika

Lucerna Genetika Csoport

Témavezető:

Dr. Endre Gabriella Tel.: 62-599-679 E-mail: [email protected]

A szimbiotikus nitrogénkötés molekuláris háttere A XX. század második felében a műtrágyák alkalmazása forradalmasította a mezőgazdasági termelést. Azonban az is világossá vált, hogy sokak számára nem elérhetők, illetve ahol használják, ott viszont a természetet károsító módon felhalmozódhatnak, veszélyeztetve ezzel az amúgy is egyre fogyó ivóvíz készleteket. Létezik ugyanakkor egy biológiai nitrogénkötésnek nevezett folyamat, melynek során a levegő nitrogénjét képesek bizonyos baktériumok átalakítani úgy, hogy az más élőlények számára is felhasználhatóvá válik. Az élővilág nitrogén körforgásában és a mezőgazdasági termelésben egyaránt kulcsfontosságú szerepet töltenek be a pillangósvirágú növények (pl. borsó, bab, lucerna, stb.). Ezen fajoknak a növényvilágban ritka képessége, hogy a növények többségére jellemző foszformobilizáló mikorrhizás szimbiózis kialakításán kívül képesek talajlakó baktériumokkal szimbiózisban a levegő nitrogénjének redukálására és szerves vegyületekbe való beépítésére is. A világ számos laboratóriumában lázas kutatómunka folyik ezen szimbiózis molekuláris alapjainak felderítésére azzal a nem titkolt szándékkal, hogy ezt a képességet a későbbiekben ki lehessen terjeszteni más növényekre is. A nitrogénkötő szimbiózis kialakulása során a növények gyökerén egy új szerv, a gyökérgümő jön létre, melyben az endoszimbionta baktériumok végzik a légköri nitrogén redukcióját, ellátva így a növényt kö-

54

tött nitrogénnel. A gümő kialakulásának folyamata a megfelelő, specifikus Rhizobium baktériumok hatására indul el, és a két élőlény között lejátszódó folyamatos jelcsere eredményeként megy végbe.

Laboratóriumunkban azonosítottuk a világon az első olyan növényi gént lucernából, genetikai térképezésen alapuló génizolálással, mely elengedhetetlen e szimbiózis kialakulásához. Azóta újabb és újabb gének azonosítása történt meg és folyik nálunk és a világ több országában is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Ezen pillangósvirágú növényi gének, valamint fehérje termékeik kutatásával célunk, hogy minél pontosabb ismereteket nyerjünk a nitrogénkötő szimbiózis folyamatának molekuláris alapjairól, és annak a „normális gyökérfejlődéssel” való kapcsolatáról is. A megszerzett tudást hasznosítva törekszünk a biológiai nitrogénkötés hatékonyabbá tételére, illetve kiterjesztésére.

Témavezető:

Genetika

Lucerna Genetika Csoport

Dr. Endre Gabriella

Lucerna genomika Számos pillangósvirágú növény, mint pl. a borsó vagy a szója volt tárgya különböző biológiai vizsgálatoknak már hosszú ideje, elsősorban mezőgazdasági fontosságuk miatt, és emlékezetesen az első klasszikus genetikai megfigyeléseket Mendel szintén borsón végezte. Számos előnyös tulajdonsága miatt az utóbbi években a termesztett, tetraploid lucerna (Medicago sativa) közeli rokona, a Medicago truncatula vált a növény-mikroorganizmus kapcsolatok egyik modellnövényévé. Széleskörű nemzetközi összefogásban elkészült a M. truncatula genomjának térképezése, aktívan folyik a genom kódoló szakaszaira összpontosuló genomszekvenálás és a funkcionális genomikai kutatások is. A molekuláris genomikai vizsgálatokhoz szükséges eszköztár már elkészült, illetve folyamatosan bővül a Medicago modellrendszerben. A génkifejeződési vizsgálatokhoz szolgálnak alapul a cDNS génkönyvtárak, melyek a M. truncatula különböző szerveiből származnak, azok különböző fiziológiai állapotaiban. Ezen cDNS génkönyvtárak szekvenálásával nyert információ tette lehetővé a DNS-chipek előállítását. Ezen DNS-chipek segítségével és fluoreszcens festékkel jelölt minták alkalmazásával egy-egy kísérleti elrendezésben egyszerre több ezer génnek a kifejeződését tudjuk

követni. Laboratóriumunkban ilyen módszerrel vizsgáljuk a növény-mikroba szimbiotikus kapcsolatok során ki-bekapcsoló növényi géneket, jellemezve ezzel a kölcsönhatás során lezajló változásokat. A módszer másik felhasználási területe a környezeti hatások genomszintű vizsgálata, melynek keretében a szárazságés sóstressz okozta génkifejeződéseket monitoroztuk. A genomi szekvencia meghatározásán, a gének azonosításán és kifejeződési mintázatának vizsgálatán túlmenően az egyes géneknek, illetve terméküknek funkcióját, a növény életében betöltött szerepének tisztázását is célul tűzték ki a napjainkban elindult kutatási programok. Ennek eléréséhez a pillangósokban is nagyléptékű, egymást kiegészítő mutagenezis programok folynak, melyben szintén részt veszünk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A pillangósvirágú növények vizsgálata szempontjából fontos, hogy a M. truncatula viszonylag közeli rokona az összes Európában termesztett fontos fajnak, mint pl. a lucernának, a borsónak, a hereféléknek, a lencsének, így a modellnövényeken nyert genomikai információ nagy valószínűséggel átvihető ezen fajokra és elősegítheti nemesítésüket.

55

Genetika

Nitrogénkötési Csoport

Témavezető:

Dr. Dusha Ilona


TOXIN-ANTITOXIN MODULOK RHIZOBIUMOKBAN A magasabb mezőgazdasági hozamok elérésének egyik fő limitáló tényezője a növények által felvehető nitrogén mennyisége. A biológiai nitrogénkötésnek meghatározó szerepe van a növények nitrogénnel való ellátásában, hiszen a mikroorganizmusok egy csoportja, mely a levegő molekuláris nitrogénjének megkötésére képes, évente 139–170 millió tonna redukált nitrogént biztosít a növények számára. A nitrogén műtrágyázás 80 millió tonna nitrogént használ fel évente, azonban egyre költségesebb, és jelentős környezeti károsodást is okozhat a felszíni és talajvizek elszennyezésével. Ezért gazdasági és környezetvédelmi szempontból is indokolt a biológiai nitrogénkötésben rejlő potenciál hatékonyabb kihasználása. A biológiai rendszerek által megkötött nitrogén 80%-a szimbiotikus nitrogénkötésből származik, azaz a pillangós növények és a talajlakó Rhizobium baktériumok együttműködésének eredménye. Ennek során a baktériumok a növény gyökerén új szerveket, ún. gümőket indukálnak, melyekben megtelepedve a levegő molekuláris nitrogénjét redukálják, és a növényeknek átadják. A baktériumok nitrogénkötési folyamata olcsó és környezetkímélő nitrogénforrást biztosít a növényeknek, ezért ismert gyakorlat a mezőgazdaságban a pillangósok vetőmagjának hatékony nitrogénkötő Rhizobiumokkal való oltása. Kísérleteinkben a lucerna és a szója növények és baktérium partnereik szimbiotikus kapcsolatát vizs-

56

gáljuk. Molekuláris biológiai módszerekkel a baktériumok olyan változatait állítjuk elő, melyek hatékonyan hoznak létre megnövelt nitrogénkötési kapacitású szimbiózist. Ez a gazdanövény biomassza produkcióját megnöveli. Ilyen baktérium származékok létrehozásához új megközelítést alkalmazunk, melyre a baktériumokban azonosított toxin-antitoxin modulok adnak lehetőséget. Ezeknek a moduloknak szerepük van a környezet változó körülményeihez való adaptálódásban. A fehérje termelés folyamatának szabályozásával elősegítik a különböző stresszhatásokra bekövetkező metabolikus változások kialakítását. Sinorhizobium meliloti baktériumban egy ilyen modul funkciójának kiiktatásával elértük, hogy az új baktérium származék hatékonyabb gümőképzésre képes, és megnő a nitrogénkötési kapacitása is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk újabb toxin-antitoxin modulok azonosítása és funkciójuk megismerése nitrogénkötő talajbaktériumokban. Molekuláris biológiai, genetikai módszerekkel olyan származékokat hozunk létre, melyek a mezőgazdasági gyakorlatban előnyösen felhasználhatók mesterséges oltóanyagként. Előállítunk olyan inokulum keverékeket is, melyek a nitrogénkötő törzsek mellett a növények fejlődését elősegítő baktériumokat is tartalmaznak.

Témavezető:

Genetika

Kromoszóma Csoport

Dr. Hadlaczky Gyula Tel.: 62-433-397 E-mail: [email protected]

Mesterséges kromoszóma-őssejt rendszer Szatellit DNS-alapú mesterséges kromoszómák előállítása, mesterséges kromoszóma vektorok előállítása. A mesterséges kromoszómáinkkal létrehozott mesterséges kromoszóma expressziós rendszer egy olyan új génátviteli és génműködtető rendszer, amellyel sejtekben, szövetekben vagy az egész szervezet szintjén tetszőleges gének termékeinek hatékony és szabályozott „termelése” biztosítható. A mesterséges kromoszómák hasznosítására létrejött kanadai Chromos biotechnológiai vállalat nem-kizárólagos licenszszerződéseket kötött számos gyógyszeripari vállalattal fehérje gyógyszeralapanyagok mesterséges kromoszómával történő előállítására. Ennek eredményeként, Észak-Amerikában már megkezdődött az ipari kipróbálás és a fehérje gyógyszeralapanyagok ipari méretekben történő előállítása. Az eddigi adatok alapján a mesterséges kromoszóma rendszer négyszer hatékonyabb, mint a hagyományos fehérje termeltetési eljárások. Az elmúlt évek során, az Ipari és Közlekedési Minisztérium, EU, illetve a kanadai Chromos biotechnológiai vállalat támogatásával sikeresen egyesítettük a mesterséges kromoszóma és az őssejt technológiát. Egy gyógyíthatalan betegség állatmodelljével végzett munkánk során elkészítettük a „gyógyító” gént hordozó terápiás mesterséges kromoszómákat és ezeket beépítettük őssejtekbe. Az így előállított terápiás őssejtekből stabil, korlátlanul szaporítható őssejtvonalakat hoztunk létre. Igazoltuk, hogy a mes-

terséges kromoszómát hordozó őssejtek termelik azt a fehérjét, amelynek hiánya végzetes a betegséggel született egyedek számára. A terápiás őssejteket embriókba juttatva bebizonyítottuk, hogy a mesterséges kromoszóma jelenléte többszörös túlélést biztosít a kísérleti állatokban. Ezen eredmények megteremtették a lehetőséget a ma még gyógyíthatalan betegségek mesterséges krómoszóma-őssejt alapú génterápiai kezelésére.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Jelenlegi kutatási programunk egy olyan preklinikai őssejt – mesterséges kromoszóma terápia kidolgozása az X-kromoszómához kötött súlyos immunhányos betegség gyógyítására, amely már átültehető a klinikai gyakorlatba is (OTKA-NKTH A08-CNK 78518 Pályázat). Preklinikai vizsgálatokat folytatunk kombinált mesterséges kromoszóma-őssejt daganatterápiás eljárások létrehozására (NTP A1-TECH) 09 DKMACTER Pályázat). E programok sikeres végrehajtása hozzájárulhat a hazai klinikai génterápia alapjainak megteremtéséhez. Az Intézetünkben kiépülő preklinikai őssejt – mesterséges kromoszóma egység, tudásban, technológiában és műszerekben is új infrastrukturát jelent Magyarország számára és jelentősen hozzájárulhat a hazai és külföldi alapkutatási és klinikai laboratóriumok együttműködéséhez.

57

Genetika

Limfocita Jelátviteli Csoport

Témavezető:

Dr. Monostori Éva Tel.: 62-599-684 E-mail: [email protected]

Immunválasz szabályozás autoimmun betegségekben és rákban Az immunválasz, vagyis a fertőzések elleni védekezés szigorú szabályozás alatt áll. Az immunológiai egyensúly felborulása olyan súlyos károsodáshoz vezethet, mint az autoimmun (pl. sclerosis multiplex, rheumatoid arthritis) és krónikus gyulladásos (pl. krónikus bélgyulladás, pikkelysömör) betegségek, a neurodegeneratív betegségek (pl. Alzheimer kór) kialakulása, vagy a rákosan elfajult sejtek elleni belső védekezési képtelenség. Ezeknek a súlyos állapotoknak a gyógyítása gyakran nem lehetséges, de mindenképpen nagy terhet ró a betegekre és az egészségügyre. A szervezet immunológiai egyensúlyának fenntartása részben az immunsejtek működésének szigorú szabályozásától, részben az immunválasz időben történő leállításától függ. Az egyik szabályozó faktor, az általunk vizsgált természetes immunszabályozó, gyulladáscsökkentő fehérje, a galektin-1. Mun-

58

kánk során vizsgáljuk, hogy milyen módon fejti ki a galektin-1 fehérje immunszuppresszív hatását, hogyan érvényesül ez a funkció a rákos sejtek immunválasz elleni védekezésében. A galektin-1 immunválasz gátló hatása előnyös az autoimmun és gyulladásos betegségekben, de hátrányt jelent rákos betegségek esetében, ahol a rák ellen kialakuló immunválasz gátlásának feloldása a cél. Ezért olyan molekulákat keresünk, melyek az első esetben fokozzák, második esetben gátolják a galektin-1 hatását.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A galektin-1 fehérje potenciális gyógyszer autoimmun és krónikus gyulladásos betegségekben. A galektin-1 immunszuppresszív funkciójának gátlása tumorokban lehetséges tumor terápiaként alkalmazható.

Témavezető:

Genetika

Mutagenezis és Karcinogenezis Csoport

Dr. Haracska Lajos Tel.: 62-599-666 E-mail: [email protected]

Daganatos betegségek molekuláris háttere A világ egyik vezető halálozási oka a rák. Élete során minden ember szervezetében elindul valamiféle tumoros folyamat, bár ez sokszor nem fejlődik betegséggé. Meglepő lehet, hogy a napsugárzás okozta bőrrák is az emberek legalább húsz százalékát sújtja. Világszerte több ezer kutatócsoport kutatja a daganatos betegségek okait, kialakulását, és gyógymódját. A feladatot megnehezíti, hogy a „rák” elnevezés valójában egymástól nagymértékben különböző betegségeket takar. A daganatos megbetegedéseknek csak kis hányada örökletes és többsége az életkor előrehaladásával fokozatosan alakul ki. Számos bizonyíték támasztja alá azt, hogy a rákért a sejtek örökítő anyagában, a DNS-ben felhalmozódó hibák a felelősek. A DNS folyamatos károsító hatásoknak van kitéve, amelyet többek között a napsugárzás, dohányfüst és más környezeti szen�nyező anyagok okozhatnak. Ezeknek egy részét a sejtjeinkben található DNS hibajavító enzimek képesek kijavítani, de a fennmaradó, kijavítatlan DNS-hibák a daganatot okozó folyamatok mozgatórugóivá válhatnak. Kutatócsoportunk a daganatot okozó folyamatok közös sajátosságait és gyökereit kutatja. Arra keressük a választ, hogy milyen molekuláris mechanizmusok működnek miközben az egészséges sejt rákos sejtté alakul. Laboratóriumunkban sikerült olyan géneket azonosítanunk és jellemeznünk, amelyek szerepet játszanak a DNS hibáinak javításában és a DNS-ben kódolt információ megőrzésében. Ezek között találhatók úgynevezett „tumor szuppresszor” funkcióval rendel-

kező gének is, amely megfelelő működése egyfajta védelmet nyújt a rák kialakulása ellen. Betekintést nyertünk számos mutagén anyag, pl. metiláló ágensek, vagy az ultraibolya-sugárzás DNS károsító, és ebből levezethető karcinogén hatásának molekuláris részleteibe is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatócsoportunk a tumoros folyamatok kialakulásában és fenntartásában szerepet játszó gének további analízisét tervezi, amely végső soron új, molekuláris célpontokra irányított rákgyógyszerek, diagnosztikai-, és terápiás eljárások kifejlesztéséhez vezethet. Továbbá olyan technikákat fejlesztünk, amelyek alkalmasak környezeti szennyező anyagok, élelmiszeradalékok, gyógyszerek, kozmetikumok, háztartási kemikáliák, különböző sugárzások mutagén és rákkeltő hatásainak kimutatására.

59

Genetika

Mutagenezis és Karcinogenezis Csoport

Témavezető:

Dr. Haracska Lajos

Egyénre szabott rákdiagnosztika és terápia Mikor fedezik fel a rák gyógyszerét? A gyakran elhangzó kérdésből érződik, hogy ennek talán már eljött az ideje, mégis lehetetlen egy mondatban válaszolni. Ma már tudjuk, hogy a rák a gének betegsége. A gének a sejtjeinkben található DNS nevű óriásmolekulában öltenek testet, amelynek megváltozása új tulajdonságok megjelenésével járhat együtt, mint például egy sejt korlátlan osztódása. A DNS-t károsító anyagok felgyorsítják ezt a sejtszintű evolúciós folyamatot. A folyamat végeredménye a daganat-képzésre alkalmas tumoros sejt lehet, amely elrontott, úgynevezett mutáns gének legkülönbözőbb variációit hordozhatja. Ismert, hogy egyetlen elrontott gén még nem okoz rákot. Egy egészséges sejt daganatos sejtté alakulásához legalább öt-hat gén együttes mutációjára van szükség, de egy átlagos rákos sejt ennél is több mutációt hordoz. Valójában minden egyes daganatban különböző mutáns gének egyedi variációit találhatjuk meg. A molekuláris rákdiagnosztika célja éppen ezeknek a genetikai változásoknak az azonosítása. Ennek ismerete előrevetítheti a betegség lefolyását, és lehetőséget teremt az egy-egy molekulát megcélzó, új típusú rákgyógyszerek személyre szabott alkalmazására is. Azonosítható-e, hogy több tízezer génünk közül melyek működnek hibásan egy adott sejtben, és ezek közül melyek felelősek a rákot okozó folyamatért? A válasz igen, bár ma még ez rendkívül költséges. Napjainkban forradalmi fejlődés zajlik mind a rák kifejlődésében szerepet játszó gének azonosítása, mind az ezeket megcélzó új rákgyógyszerek fejlesztésében. Az egyik áttörést az emberi sejt DNSében kódolt információ sikeres elolvasása jelentette 2003-ban, amely több milliárd dollárt emésztett fel. Ma ugyanez kevesebb, mint tízezer dollárba kerül és várhatóan egy-két éven belül ezer dollár alá szorul

60

az emberi sejt teljes DNS-ének szekvenálási költsége. Ez lehetővé teszi, hogy mindenki birtokába kerüljön a saját DNS-ében kódolt információnak. Elérhetővé válik minden egyes tumoros szövet DNS-ének molekuláris elemzése is, amely nemcsak diagnosztikai jelentőségű lesz, hanem újabb és újabb molekuláris rákgyógyszerek fejlesztését generálhatja. Mindez néhány éven belül forradalmasítani fogja az orvostudomány jelenleg alkalmazott módszereit, és ezzel belépünk a betegségek egyénre szabott diagnosztikájának és terápiájának a korszakába. Kutatócsoportunk célja, hogy hozzájáruljunk, és lépést tartsunk ezzel a fejlődéssel. Jelenleg a rák kialakulásában szerepet játszó gének „fehérje-microarray”, kapilláris DNS szekvenálás, kvantitatív PCR, és DHPLC módszer-alapú diagnosztikáját fejlesztjük.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Tervezzük a rákot okozó folyamatokért felelős gének molekuláris diagnosztikai eljárásának kidolgozását, és az új ismeretek felhasználását molekuláris célpontokra irányított rákgyógyszerek fejlesztéséhez.

Fehérje microarray Kapilláris DNS szekvenátor

DHPLC

Kvantitatív PCR

Témavezető:

Genetika

Emberi Molekuláris Genetikai Csoport

Dr. Raskó István Tel.: 62-599-681 E-mail: [email protected]

Csoportunk molekuláris populációgenetikával, elsősorban régészeti genetikával, valamint emberi molekuláris genetikával kapcsolatos kutatásokkal foglalkozik.

RÉGÉSZETI GENETIKAI KUTATÁSOK Molekuláris genetikai módszerek igen alkalmasak arra, hogy segítségükkel egyes népek származási fáját, genetikai rokonsági viszonyait tanulmányozzuk. Tanulmányok kimutatták, hogy ásatag maradványokban, genetikai analízisre alkalmas DNS található. Nyilvánvalóvá vált, hogy a régészeti leletekben megőrzött DNS rendkívül kis mennyiségben van jelen, súlyosan károsodott és gyakran szennyezett, gátló vegyületekkel a talajból, vagy gomba, és bakteriális DNS-el. A régészeti DNS segítségével azonban régi emberi populációk és azok története tanulmányozható. Csoportunk hazánkban elsőként kezdett régészeti genetikai kutatásokba. Egy most befejezett vizsgálatban honfoglalás kori csontminták, valamint mai magyar és székely populációból származó egyedek esetében végeztük el a teljes körű mitokondriális DNS (mtDNS) analízist. A mtDNS segítségével populációk anyai ági leszármazási vonalát tudjuk nyomon követni. Míg a modern magyar és székely populációk nagy százalékban európai típusú genetikai elemeket hordoznak, addig az ősi csontokból nyert mintákban nagyobb arányban mutathatók ki ázsiai eredetű vonalak. Az apai ági leszármazási vonal vizsgálatához

Y-kromoszómális bélyegeket tanulmányoztunk. Az Y-kromoszómán található polimorfizmust mutató bélyeg vizsgálata szerint a modern magyarul beszélő férfiak a többi európai populációhoz hasonló mintázatot mutatnak. Kivételt csak a P*(xM173), a székely férfiakban előforduló haplocsoport (amely közép ázsiai genetikai rokonságra utal), valamint a J haplocsoport magasabb gyakorisága képezett.

Jelenleg egy kulturális szelekcióval kialakult tulajdonságot, a felnőttkori tejemésztés képességének a megoszlását vizsgáljuk a ma élő magyar és az úgynevezett klasszikus honfoglaló sírokból (lóval, gazdag régészeti leletanyaggal feltárt sírok) származó DNS anyagon.

61

Genetika

Emberi Molekuláris Genetikai Csoport

Témavezető:

Dr. Raskó István

IDEGI DIFFERENCIÁLÓDÁSBAN RÉSZTVEVŐ GENETIKAI HÁLÓZAT VIZSGÁLATA Az egér embrionális karcinóma sejtkultúráknak, amelyeket a kutatók a korai embriogenezis vizsgálatára szívesen alkalmaznak – megvizsgáltuk és jellemeztük a spontán és idegi irányba irányított differenciálódási és DNS reparációs képességeit. Ezek a kultúrák azért hasznosak, mert definiált körülmények között különböző sejttípusok differenciálódása indukálható belőlük, így ideg, izom, porc, stb. Mi az idegi differen-

62

ciálódást indukáltuk, majd a differenciálatlan és differenciált állapotú sejtek DNS reparációs kapacitását hasonlítottuk össze. Jelenleg ezen sejtkultúrákban egy, a formin családhoz tartozó fehérje differenciációt indukáló hatását vizsgáljuk. Eddig azt találtuk, hogy az ecetmuslica formin génje az egérsejtekbe juttatva idegi differenciálódást indít. Ennek a jelenségnek a molekuláris genetikai jellemzését végezzük.

Témavezető:

Genetika

Immunológiai Csoport

Dr. Andó István Tel.: 62-599-677 E-mail: [email protected]

A VELESZÜLETETT IMMUNITÁS A mikróbák, a paraziták és a daganatok elleni küzdelemben az első védelmi vonalat az immunrendszer képezi. A veleszületett immunitás mind a növény, mind pedig az állatvilágban azonnali és általános válasz révén biztosít védelmet. Ez az azonnali válasz az állatvilágban magába foglalja a támadók azonnali eltávolítását bekebelezés, valamint speciálisan csak a patogéneket elpusztító bioaktív molekulák révén. Ebben a folyamatban kitüntetett szerepet játszanak az állatok vérsejtjei, melyek már a rovarokban is megtalálhatók és valamennyi állatfajban hasonlóan vesznek részt a védekezésben. A rovarok veleszületett immunitása különös figyelmet igényel, mert immunrendszerük szinte teljes egészében, mint egyetlen működési egység konzerválódott a törzsfejlődés során, és a gerinces szervezetek veleszületett immunitása is a rovarokéhoz hasonló szerkezeti és működési elemekből épül fel. Ennek a hatékony védekező rendszernek a megismerése ezért rovarokon hatékonyan modellezhető és a Drosophila (ecetmuslica) genetikai rendszerének ismertsége ezt a rovart különösen alkalmas kísérleti alannyá teszi. Csoportunk az ecetmuslica immunrendszerének megismerésén keresztül kíván bepillantást nyerni a veleszületett immunitás általános, gerincesekben is érvényes folyamataiba. Laboratóriumunkban azonosítjuk a különböző típusú vérsejteket, meghatározzuk az immunitásban betöltött szerepét és leírjuk az egyes vérsejttípusokra jellemző molekuláris mintázatot. A molekuláris min-

tázat megismerése segít az egyes mintázatokkal jellemezhető vérsejttípusok és ez által az immunvédekezés alapvető folyamatainak a megismerésében. Az immunvédekezésben kulcsszerepet játszó vérsejtek ún. őssejtekből alakulnak ki melyek jól meghatározható sejtcsoportokat, szöveteket képeznek; ezeknek a jellemzése, valamint az egyes vérsejttípusok genetikai és biokémiai finomszabályozásának a megismerése szintén a csoport vizsgálatainak a tárgyát képezi. Elsőként állapítottuk meg, hogy a Drosophila vérsejtjeinek egyes típusai molekuláris immunológiai eszközökkel jellemezhetők. Az általunk létrehozott, rutinszerűen használt molekuláris eszköztár segítségével új, az immunválasz szabályozásában kulcsszerepet játszó molekulákat és szabályozó folyamatokat azonosítottunk. Molekuláris mintázatuk alapján jellemeztük a vérképző szerveket, egy eddig ismeretlen vérképző szövetet azonosítottunk és lokalizáltuk az egyes vérsejttípusok őssejtjeit.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A veleszületett immunitás molekuláris folyamatainak és finomszabályozásának a további megismerése az egyik leghatékonyabb immunvédekezési folyamat elemeinek további gyakorlati felhasználását teszi lehetővé.

63

Genetika

AKTIN SEJTVÁZ SZABÁLYOZÓ CSOPORT

Témavezető:

Dr. Mihály József Tel.: 62-599-687 E-mail: [email protected]

Az aktin sejtváz szerepe az idegsejt nyúlványok növekedésében Jól ismert tény, hogy az aktin sejtváz alapvető szerepet játszik az idegsejt nyúlványok növekedésében, ugyanakkor az is bizonyos, hogy ez a folyamat új aktin filamentumok képződését is igényli. Mindezidáig három olyan faktort azonosítottak – az Arp2/3 komplexet, a forminokat és a Spire családba tartozó fehérjéket – amelyek képesek egy új aktin filamentum szintézisét elindítani. Az Arp2/3 komplex elágazó filamentumokból álló aktin hálózatok képződését, míg a forminok és a Spire fehérje család tagjai a nem elágazó filamentumok képződését segítik elő. A korábbi vizsgálatok alapján tudjuk, hogy az idegsejt nyúlványok kialakulásában, illetve növekedésében kitüntetett szerepe van a nyúlvány csúcsi részének, az ún. növekedési kúpnak. Az is ismert, hogy a növekedési kúp területén elsősorban nem elágazó aktin filamentumokat találunk, de arról mindezidáig szinte semmit nem tudtunk, hogyan jönnek létre ezek a filamentumok. Az elmúlt évek során jónéhány bizonyítékot gyűjtöttünk arra vonatkozóan, hogy egy a DAAM alcsaládba tartozó Drosophila formin kulcsszerepet játszik az embrionális axon növekedés szabályozásában. A dDAAM gén mutációja súlyos axon hiányokat okoz, míg a folyamatosan aktív forma túltermeltetése nyúlványszám növekedéshez vezet in vivo és in vitro növesztett embrionális idegkötegekben is. Ezzel összhangban, az aktivált forma túltermelése szövetkultúrában növesztett sejtekben, hosszú, axon-szerű nyúlványok megjelenését eredményezi az

64

egyébként lekerekedett sejteken. Azt is bizonyítottuk, hogy a dDAAM fehérje egyenletes eloszlást mutat az axonokban, és a növekedési kúp területén is. Figyelemre méltó módon az egér mDaam1 fehérjével részlegesen helyettesíteni lehet a Drosophila DAAM fehérjét a központi idegrendszerben, ami azt jelzi, hogy az általunk azonosított DAAM funkció evolúciósan erősen konzervált.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A továbbiakban molekuláris szinten próbáljuk megérteni, mi módon szabályozzák a DAAM alcsaládba tartozó forminok az aktin sejtváz dinamikáját az axon növekedés során. Tekintve, hogy bizonyos fejlődési rendellenességek, baleseti sérülések és a neurodegeneratív betegségek is a neuron nyúlványok sérülésével járnak, a DAAM fehérjék vizsgálata hos�szútávon hasznos információkat szolgáltathat bizonyos betegségek gyógyításában, és a molekula potenciális gyógyszer célfehérjévé is válhat.

Témavezető:

Genetika

AKTIN SEJTVÁZ SZABÁLYOZÓ CSOPORT

Dr. Mihály József

Forminok szerepe az izomfejlődés során A harántcsíkolt izmokat felépítő izomrostok vékonyabb filamentumokból, ún. miofibrillumokból állnak. A miofibrillumokat aktin filamentumok és miozin filamentumok alkotják, amelyek rendkívül szabályos felépítésű szerkezeti és működési egységekbe, szarkomerekbe rendeződnek. A szarkomerek általános felépítése már hosszú ideje ismert, érdekes módon az azonban sokkal kevésbé jól megértett folyamat, hogy in vivo mi módon alakulnak ki a szarkomerek. Az bizonyosra vehető, hogy a szarkomer képződés első fontos lépése a Z-lemez kialakulása, az ezt követő lépések pontos menete és a folyamatot irányító fehérjék mibenléte azonban sokkal kevésbé ismert. Kutatócsoportunk a közelmúltban bebizonyította, hogy a DAAM alcsaládba tartozó Drosophila formin (dDAAM) az axon növekedés szabályozása mellett, a szarkomerek kialakulásához is szükséges. Megfigyeléseink szerint a dDAAM fehérje, a forminokra vonatkozó általános megfigyelésekkel összhangban, az aktin filamentumok kialakulását szabályozza, és ezen keresztül befolyással van a szarkomerek általános felépítésére. Egér mioblasztóma sejtvonalon és újszülött egerek izmain végzett kísérleteink arra utalnak, hogy gerincesek esetében a dDAAM gén homológjai szintén részt vesznek a szarkomerogenezis szabályozásában. Aktuális kutatási erőfeszítéseink arra irányulnak, hogy megértsük a dDAAM fehérje molekuláris működésmódját és rajta keresztül az izomfejlődés egyik rendkívül fontos lépését.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az ún. vékony filamentumok vagy aktin filamen tumok képződése az izom fejlődés során egy nagyon fontos kérdés, aminek megértése áttörő jelentőségű lenne ezen a tudományterületen. Az alapkutatási hasznon kívül fontos látnunk, hogy a folyamat jobb megértése gyakorlati vonatkozásokkal is járhat, mert rendkívül sokféle izom disztrófiával járó betegség ismert, amelyek gyógyításában a jövőben felhasználhatóak lesznek a szarkomer képződés egyik kulcsfontosságú szereplőjére vonatkozó ismereteink.

A

B

A dDAAM gén hiányában súlyos fejlődési rendellenességek figyelhetők meg a Drosophila repülőizmában. (A) vad típus, (B) dDAAM mutáns.

65

Genetika

Drosophila Fejlődésgenetikai IV. Csoport

Témavezető:

Dr. Sipos László Tel.: 62-599-687 E-mail: [email protected]

KROMOSZÓMASZERKEZET ÉS GÉNSZABÁLYOZÁS KAPCSOLATÁNAK VIZSGÁLATA Mindenki számára ismert, hogy testünket rengeteg sejt építi fel, melyek mind egyetlen sejt, a megtermékenyített petesejt utódai. A petesejtben található genetikai információ, a kromoszómákra tagolt DNS, szüleinktől származik. A különböző szövetekbe és szervekbe társuló sejtek csoportjai kicsi, egymástól eltérő részeit használják csupán ennek a hatalmas információ-halmaznak, ami bonyolult szabályozórendszerek működésének eredménye. A szabályozás egyik szintje a kromoszómák szerkezetét érinti: az adott sejtben hasznosítandó információt lazább szerkezetű, míg a nem hasznosítandó információt tömörebb szerkezetű kromoszómaszakaszok tartalmazzák. Ezt a folyamatot két, egymással ellentétes hatású géncsoport szabályozza. Ha a kromoszómák szerkezetét, s ezáltal az adott sejtre jellemző információk érvényesülését szabályozó rendszer működése zavart szenved, akár úgy, hogy olyan információt is hasznosít az adott sejt, amelyet nem kellene, vagy épp ellenkezőleg, nem érvényesül az adott információ, súlyos fejlődési rendellenességek, illetve rákos megbetegedések alakulhatnak ki. Csoportunk a fent említett folyamatot, a génműködés kromoszómaszerkezeti szabályozását vizsgálja. Kísérleti modellrendszerként a genetikai vizsgálatokban már nagy sikerrel alkalmazott ecetmuslicát használjuk. Megdöbbentő, de a muslica és az emlősök nagyfokú hasonlóságot mutatnak nemcsak az egyes gének szintjén, hanem a kromoszómaszerkezetet szabályozó rendszer működésében is. Ez a hasonlóság olyan nagyfokú, hogy például egérből származó „tömörítő” gén képes feladatát muslicában is részlegesen ellátni. Mi olyan kromoszómaszerkezeti elemeket ta66

nulmányozunk, melyek „odavonzzák” magukhoz a kromoszóma tömörítésében, fellazításában szerepet játszó gének fehérjetermékeit, illetve képesek meggátolni, hogy az egymással szomszédos laza, tömör szerkezet „keveredjen” egymással, helytelenül aktiválva, illetve inaktiválva az adott kromoszómaszakaszon található géneket. Ilyen szerkezeti elemek elrontása a muslicában jól látható változásokat okoz, például két szárnyuk helyett négy lesz, vagy épp ellenkezőleg, szárnyatlanok lesznek. Mindezen külső, látható változásokat a kromoszómák szerkezeti megváltozása okozza, melyet zöld fényű fluoreszencia segítségével is nyomon követhetünk.

A

B

A. Szárnyatlan felnőtt muslica B. Világító agyú muslicalárva

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kísérleteink elsősorban az alapkutatás tárgyába tartoznak, de az említett hasonlóság miatt az általunk szerzett információk más élőlényekre, így az emberre is átvihetőek, rákos, illetve fejlődésbiológiai problémák esetében.

Témavezető:

Genetika

EPIGENETIKAI GÉNSZABÁLYOZÓ CSOPORT

Dr. Gyurkovics Henrik Tel.: 62-599-680 E-mail: [email protected]

EPIGENETIKAI SZABÁLYOZÁS A többsejtű élőlények mindegyike egyetlen megtermékenyített petesejtből keletkezik. A petesejt osztódása során különböző szerepet betöltő specializált sejtek jönnek létre, amelyeknek eltérő sejtsorsához eltérő génaktivitási mintázat is tartozik. Az egyedfejlődés korai szakaszában kialakult génaktivitási mintázatot a génkifejeződés epigenetikus szabályozása őrzi meg az egyedi élet későbbi szakaszaiban. Csoportunk a homeotikus bithorax génkomplexet modellrendszerként használva genetikai módszerekkel vizsgálja az epigenetikus szabályozást. Az aktív gének hozzáférhetőek az átírás számára, mert a nekik megfelelő DNS molekula eléggé ki van tekeredve ahhoz, hogy az információ lemásolásához szükséges óriási fehérje-komplexek képesek legyenek a DNS-hez kapcsolódni és a génen végighaladni. Egy többsejtű élőlény teljes genomja kitekeredve ös�szességében méteres hosszúságú és nagyon vékony DNS szál lenne. Csakhogy az inaktív génszakaszok kicsi orsóként működő fehérje komplexekre vannak sokszorosan és igen tömören feltekerve. Mondhatni, hogy minél inaktívabb egy gén, annál jobban becsomagolódik a kódoló DNS-e. Attól kezdve, hogy egy sejt jövőbeni sorsa eldől, az adott sejtsorshoz tartozó génaktivitási mintázat a sejt utódaiban is megőrződik, ezt az epigenetikus reguláció biztosítja. Jelenlegi ismereteink jelentős része az epigenetikus regulációhoz szükséges faktorokról és azok működésről a Drosophila melanogaster testszerveződését meghatározó homeotikus gének kifejeződésének meghatározásáért felelős gének tanulmányozásából származik. Itt ismertük meg először az aktív állapot fenntartásáért felelős, a trithorax-géncsoportba tartozó faktorokat, és az inaktív állapot fenntartását biztosító, a Polycomb géncsoportba tartozó represszorokat. Az ecetmuslicában megismert fehérjék megfelelőit minden vizsgált többsejtű élőlényben sikerült kimutatni, és több esetben a gének működésbeli azonossága is bebizonyosodott. Laborunkban eddig ismeretlen epigenetikus szabályozó fehérjék génjeit azonosítjuk transzgenikus

riportergén konstrukciók felhasználásával, illetve az azonosított fehérjék funkcióját határozzuk meg. Arra a kérdésre is szeretnénk választ kapni, hogy a kromoszómán sokszor igen távol elhelyezkedő szabályozó régiók hogyan találják meg azt a gént, amelynek a kifejeződését specifikusan szabályozzák. Ezt a kérdést irányított mutagenezis segítségével vizsgáljuk. Kísérleti modellrendszerünk az ecetmuslica homeotikus bithorax komplexe. Ennek oka, hogy ebben a rendkívül összetetten működő génkomplexben szinte minden ismert epigenetikus szabályozó rendszer szerephez jut.

Normál kétszárnyú és homeotikus mutáns, négyszárnyú muslica

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az embrionális őssejtek korlátlan differenciálódásra való képességének fenntartásában, illetve a rosszindulatú daganatképződés megakadályozásában is kulcsszerepet töltenek be az általunk vizsgált gének. A jövő orvostudománya bizonyosan építeni fog az epigenetikus szabályozó génekre vonatkozó ismeretekre. 67

Genetika

Rovar neuropeptid csoport

Témavezető:

Dr. Kiss István


Rovar neurohormonok és receptoraik gene tikai analízise Drosophila melanogasterben A neurohormonok vagy neuropeptidek rövid peptid fragmentumok, amelyeket specifikus idegsejtek választanak ki. Széles körben elterjedtek az állatvilágban, a férgektől az emberig. Hormonhatásuknál fogva sokféle fejlődési és élettani folyamatot szabályoznak, pl. a központi és periferiális idegrendszer fejlődését, a fő hormonok termelését, a termékenységet, a vízháztartást, a szívritmust, viselkedést, stb. A „genetikai boncolás”, vagyis a specifikus gének mutánsainak izolálása és analízise az a kísérleti stratégia, amely a legnagyobb „felbontást” biztosítja a génfunkciók és a gének közötti kölcsönhatások vizsgálatában. Az ecetmuslica (Drosophila melanogaster) a maga jól ismert genetikájával, molekuláris biológiájával és teljesen megszekvenált genomjával nagyon alkalmas modellszervezet az ilyen vizsgálatokra. A teljes átalakulással fejlődő (Holometabola) rovarokhoz tartozik, és jól használható a rovar-fejlődés genetikai szabályozásának tanulmányozására is. A különböző rovar-genomok (Drosophila, mézelő méh, Tribolium, malária-szúnyog) teljes szekvenciájának ismerete nagyban elősegítette a neuropeptid gének és receptoraik azonosítását. A Drosophila Genom Projekt alapján az összes peptid-fehérjét és receptoraikat kódoló gén ismert az ecetmuslicában. Az egyes peptidek szerteágazó hatást fejtenek ki attól függően, hogy receptoraik mely szövetekben, mikor jelennek meg és hatásuk melyik jelátviteli úton terjed tovább a sejten belül. Ezek a kérdések még nagyrészt ismeretlenek a biokémiailag jól jellemzett peptidhormonok esetében is. A

68

genetikai analízis nagyon hasznos lehet a különböző funkciók felderítésében. Mindezidáig egyetlen modellszervezet esetében sem alkalmazták a szisztematikus genetikai analízist a neurohormonok hatásmechanizmusának tanulmányozására. Munkánk célja az ún. FMRFamidrokon (FaRP) neuropeptidek (FMRFamidok, myo suppressinek sulfakininek) és G-proteinhez kapcsolt (GPCR) receptoraik genetikai analízise. Elsőként e gének RNAi mutánsainak tanulmányozásával indultunk. Ezekben az egyes peptid-fehérjék mRNS-ére specifikus kettős-szálú RNS termelődik, ami a specifikus mRNS lebontását indukálja és megakadályozza a peptidek képződését. A Genom Projekt nyomán az ecetmuslica összes génjére előállították az RNAitörzseket, amelyek a törzsközpontokból beszerezhetők. Megkezdtük az egyes peptid- és receptor-gének mutánsainak izolálását is.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A mutáns fenotípusok, valamint a fő jelátviteli utak mutánsaival adott kölcsönhatásaik alapján szeretnénk felderíteni azt a génhálózatot, amely szabályozza a neuropeptid géneket és közvetíti hatásukat. A Droso phila modellen végzett tanulmányok várhatólag lényegesen hozzájárulnak a rovar, illetve az emberi neurohormonok hatásmechanizmusának megismeréséhez, és e tudás felhasználásához pl. az emberi gyógyszergyártásban, vagy a rovarkártevők kontrolljában.

Témavezető:

Genetika

DROSOPHILA IVARSEJTFEJLŐDÉSI CSOPORT

Dr. Erdélyi Miklós Tel.: 62-599-686 E-mail: [email protected]

IVARSEJTFEJLŐDÉS GENETIKÁJA A soksejtű élőlények két fő sejttípusból, testi sejtekből és ivarsejtekből állnak. Míg a testi sejtek az egyedek létfenntartásáért, az ivarsejtek a faj fennmaradásáért felelős sejttípusok. Ennek megfelelően a testi sejtek csupán korlátozott számú osztódásra képesek, az ivarsejtek pedig generációkon átívelő halhatatlan sejtvonalat alkotnak. A fejlődésbiológia egyik alapkérdése az, hogyan válik el az ivarsejtek és a testi sejtek fejlődési útja. A különböző fajok ivarsejtjei meglepő alaktani és működési hasonlóságot mutatnak, és az egyedfejlődés során megfigyelt viselkedésük tekintetében is mindössze néhány jól meghatározható csoportba sorolhatók. Az ivarsejtkutatásban tehát egynéhány modellszervezet vizsgálata átfogó képet adhat. Az ivarsejtkutatás céljaira az egyik legalkalmasabb modellorganizmus a Drosophila melanogaster, annak a fajcsoportnak mintapéldánya, ahol az ivarsejtek és a testi sejtek az embriogenezis legkorábbi eseményeként különülnek el egymástól. Ráadásul a Drosophila ivarsejtek keletkezési helyét a megtermékenyített petének egy jól meghatározott citoplazma-részlete, az ivarplazma határozza meg. Citoplazma-átültetéses kísérletek bizonyítják, hogy az ivarplazma az ivarsejt kialakuláshoz szükséges faktorok összességét tartalmazza. Az ivarsejtfaktorok ilyen térbeli koncentrálódása a Drosophilát kiválóan vizsgálható kísérleti rendszerré teszi.

lokalizációjáért felelősek. Jelenleg RNS csendesítéses és microarray kísérletekkel ivarplazmában lokalizált RNS molekulákat azonosítunk. Genetikai vizsgáló-módszereket dolgozunk ki, annak érdekében, hogy az ivarplazmában talált RNS molekulák szerepét tisztázzuk az ivarsejt kialakulás folyamatában.

Vad típusú és ivarsejteket nem tartalmazó, csökevényes felnőtt Drosophila petefészkek

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Vad típusú és kevesebb ivarsejtet (zöld) tartalmazó mutáns Drosophila lárvális herék

Laboratóriumunkban az ivarplazma kialakulását befolyásoló, valamint ivarplazma összetevőket kódoló géneket keresünk. Klasszikus mutánsizolálási, majd genetikai interakción alapuló kísérletekben számos gént azonosítottunk, melyek az ivarplazma komponensek

Újabb adatok szerint az ivarsejtvonal sejtjei és a nagy gyógyászati reményekkel kecsegtető (szomatikus) őssejtek működési hasonlóságot mutatnak. Így távlatosan az ivarsejtek jellemzőinek vizsgálata az őssejt kutatás hasznára is válhat. Kutatásaink egyfajta továbbfejlesztése lehet a Drosophila ivarsejtfaktorok emlős ortológjainak megkeresése, valamint az ivarsejtfaktorok sztem sejtekben betöltött szerepének vizsgálata. 69

Genetika

DROSOPHILA BAL-JOBB ASZIMMETRIA CSOPORT

Témavezető:

Dr. Ádám Géza


BAL-JOBB ASZIMMETRIA A bal-jobb aszimmetria meghatározó szerepet tölt be a belső szervek kialakításában, zavara súlyos szervfejlődési rendellenességeket eredményez. A bal-jobb aszimmetria molekuláris mechanizmusa jól tanulmányozható a Drosophila hím genitális lemezének jobbra irányuló forgásán. Vizsgálataink ebben a folyamatban résztvevő gének azonosítására és jellemzésére irányulnak. A bal-jobb (BJ) aszimmetrikus testfelépítés annak a következménye, hogy a belső szervek fejlődési folyamatainak a szabályozása eltér a bal és a jobb testfélben. Emberben BJ aszimmetrikus fejlődés zavarainak súlyos klinikai következményei vannak, az élve szülések több mint egy százalékában okoznak születési hibát. A BJ aszimmetria elégtelensége miatt kialakult fejlődési rendellenességek között nem csak a heterotaxiákat és az izomerizmusokat tartjuk számon, de a veleszületett szívfejlődési defektusokat is. Ugyanis a szív, mint a BJ aszimmetriára legérzékenyebb szervünk, annak enyhe hibáira is anatómiai elváltozásokkal válaszol. Gerincesekben az intenzív kutatások eredményeként a BJ aszimmetrikus fejlődés molekuláris háttere jól ismert, viszont a sejtes mechanizmusáról keveset tudunk. A kísérletes adatok értelmezését megnehezíti, hogy ezekben az állatokban nehéz sok génre kiterjedő, gyors és átfogó genetikai analízist végezni. Ezért indokolt, hogy olyan gerinctelen modellrendszerekben is tanulmányozzuk a BJ aszimmetria kialakulását, amelyekben a mutánsok előállítása lényegesen könnyebb.

70

A Drosophila, mint az egyik legjobban kidolgozott gerinctelen genetikai modell, lehetővé teszi a bal-jobb aszimmetria megnyilvánulásainak az egész genomra kiterjedő, hatékony tanulmányozását. Drosophilában is számos példát lehet találni a BJ aszimmetrikus fejlődésre. A hím genitális lemez egy teljes, jobbra irányuló forgást végez a báb fejlődési állapot során. Azonosítottuk a Myo31DF gént, amelynek a mutációi megfordítják a genitális lemez forgásának az irányát, situs inversus fenotípust hozva létre. A Myo31DF gén a nyolcas abdominális (A8) szelvényben fejti ki funkcióját a genitális lemez forgása során. Az A8 szelvényre specifikus genetikai szűrés segítségével további olyan géneket azonosítását végezzük, amelyek részt vesznek a genitális lemez forgásában.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Ezeknek a géneknek a részletes molekuláris genetikai vizsgálata hozzájárulhat a bal-jobb aszimmetriával kapcsolatos humán szervfejlődési rendellenességek molekuláris mechanizmusának megértéséhez.

Témavezető:

Genetika

DNS Repair Csoport

Dr. Unk Ildikó


DNS JAVÍTÁS ÉLESZTŐBEN A mai modern társadalom egyik legfélelmetesebb betegsége a rák. A test egyes részein megjelenő és burjánzásnak induló sejthalmaz, daganat sok esetben az egész szervezet halálát okozza. A rák elleni küzdelmet rendkívüli módon megnehezíti a rák számtalan megjelenési formája és a rákos folyamatot elindító okok sokfélesége. Sikeres gyógymód abban az esetben dolgozható ki, ha a molekulák szintjén meg tudjuk határozni a rákot kiváltó okot. Erre példa a Gleevec nevű gyógyszer, mely a leukémia egy bizonyos fajtáját nagy hatékonysággal gyógyítja. A Gleevec hatástalanítja azt a fehérjét, melynek túlműködése idézi elő a rákos sejtek folyamatos szaporodását. Ma már elfogadott az a nézet, miszerint a rák a DNS betegsége. A rákos folyamatok nagy részének hátterében a sejtjeink örökítő anyagában, a DNS molekulában létrejött változások, mutációk állnak. Mivel a DNS hordozza a sejtjeink felépítéséhez és működéséhez szükséges információt, a DNS-ben létrejövő módosulások, mutációk a sejt működését jelentősen megváltoztathatják. Az úgynevezett DNS javító fehérjék felelősek azért, hogy a DNS-ben tárolt információ változatlan formában maradjon. Kutatási eredmények igazolják, hogy a DNS javításban résztvevő fehérjék működési zavara rákos folyamatokat indít el. Csoportunk feladata, hogy a DNS javításában résztvevő fehérjéket, folyamatokat azonosítsunk. Kutatásainkhoz egy egysejtű élőlényt, az élesztőgombát alkalmazzuk. Az élesztőgomba eddig ismert DNS javító mechanizmusai nagy hasonlóságot mutatnak az

emberi sejtekben működő folyamatokkal, ezért az élesztőből nyert információk jelentős mértékben előremozdítják az emberi sejtek megismerését. Előnye az emberi sejtekkel szemben, hogy az élesztő DNS-ét, génjeit célzottan meg lehet változtatni, akár egyes részeket ki lehet vágni viszonylag gyors, könnyen elérhető technikákkal. Emellett az élesztő egyszerűen és olcsón szaporítható, fenntartása nem igényel akkora munka és anyagi ráfordítást, mint a humán sejtek fenntartása.

Élesztő sejtek

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az élesztőben azonosított, a DNS-javításban résztvevő új fehérjék és folyamatok megfelelőit már célzottan lehet azonosítani humán sejtekben és igazolni esetleges szerepüket a rákos folyamatok kialakításában. Ezek az eredmények hozzájárulnak majd a rákos betegségek okainak felderítéséhez, és egy adott ráktípusra specifikus gyógyszerek kifejlesztéséhez.

71

Genetika

SZBK–SZTE Molekuláris Biodiverzitás Csoport

Témavezető:

Dr. Pénzes Zsolt


ROVAR FILOGENETIKA ÉS FILOGEOGRÁFIA A gubacsképzés a rovar-növény kölcsönhatás egyik leglátványosabb formája, amely az evolúció során több alkalommal is megjelent. Egyik legváltozatosabb gubacsképző csoportot a parazitoid darazsakból származtatható tölgy gubacsdarazsak (Hymenoptera, Cynipidae) képezik, amelyek többek között tölgy fajokon képeznek gubacsot. A gubacsban a gubacsképző lárvája mellett számos egyéb faj egyedei is fejlődhetnek, egy viszonylag zárt közösséget alkotva. Noha a gubacs ökológiai és evolúciós kutatások modellrendszere, a változatosságuk hátterében álló folyamatokról kevés ismerettel rendelkezünk. A molekuláris módszerek egyedülálló lehetőséget teremtenek arra, hogy ezekbe a folyamatokba betekintést nyerjünk.

Gubacsdarazsak filogenetikája Megközelítőleg 1400 leírt fajával a gubacsdarazsak képezik a gubacsképzők második legnagyobb csoportját. Gubacsaik forma tekintetében rendkívül változatosak. A tölgyön gubacsot képezők (Cynipini) életmenetére a gazdaváltás jellemző (ciklikus partenogenezis), elterjedésüknek gazdáik elterjedése szab határt. Számos gubacsdarázs faj másodlagosan elveszítette gubacsképző képességét, amelyek például Cynipini gubacsokban fejlődnek. Ezekről a társbérlő fajokról (Synergini) kevés ismerettel rendelkezünk. Gubacsgazda specificitásuk nagyon változatos. Filogenetikai kapcsolataik tekintetében még számos alapvető kérdés tisztázására vár. Hagyományosan rendszerezésük darázs és gubacs morfológián alapult. A DNS szekvenciákon alapuló filogenetikai rekonstrukció azonban új távlatokat nyitott. Morfológiai és molekuláris karakterek együttes elemzésével tisztáztuk a Chilaspis–Dryocosmus (Cynipini) és Synophrus (Synergini) csoportok filogenetikai kapcsolatait. A legfajgazdagabb társbérlő taxon a Synergus (Synergini), melynek molekuláris filogenetikai elemzése számos további kérdést vetett fel. 72

A vizsgálatokat hazai (Melika G., Károsító Diagnosztikai Labor, Vas megyei Növény- és Talajvédelmi Igazgatóság) és nemzetközi (G. N. Stone, Edinburgh; J. Pujade-Villar, Barcelona) együttműködésben végezzük.

Egy társbérlő filogeográfiája Korábbi gubacsdarázs vizsgálatok jelentős fajon belüli változatosságot mutattak, különösen a jégkorszaki refúgiumok között. Kis-Ázsia egy ismert diverzitási központ, amely az északi és nyugati irányú elterjedés egy feltételezett forrása. A genetikai változatosság különböző léptékű földrajzi mintázatainak elemzésével az elterjedési útvonalak molekuláris markerek segítségével rekonstruálhatóak. A gazdaszervezetekre specializálódó életformájú csoportok evolúciója gyakran gyorsabb, gyakoribb fajképződést és diverzifikációt eredményezve. A genetikai differenciáció elemzésével betekintést nyerhetünk ezekbe a folyamatokba. Például fitofág rovarok diverzifikációjának egyik legfontosabb módja a gazda rasszok kialakulása lehet. A zárt gubacs közösség egyedülálló lehetőséget teremt a hipotézisek tesztelésére.

A Synergus umbraculus egy közönséges társbérlő faj, amely elsősorban különböző Andricus gubacsokban fejlődik. Vizsgálataink a faj jelentős genetikai változatosságára utalnak a Kárpát-medencében. Azonban ez nem gubacsgazda-specifikus mintázat.

A változatosság hátterében sokkal inkább több, egymástól független kolonizációs esemény állhat. Továbbá kimutatható egy, a Kárpát-medencében meghatározó és alapvetően erre a régióra specifikus fiatal leszármazási vonal is (H1).

Genetika

SZBK–SZTE Molekuláris Biodiverzitás Csoport

Citokróm b DNS szekvenciák alapján kapott haplocsoportok (H1-H8) filogenetikai kapcsolatai a Kárpát-medence (CB) többszörös kolonizációjára utalnak (baloldali ábra). A H1 csoport haplotípus hálózata recens radiációs mintázatot mutat a Kárpát-medencében, amely az Iránra jellemző haplocsoporthoz áll legközelebb (H8, jobboldali ábra). Régió kódok: CB: Kárpát medence, IM: Ibéria és Marokkó, IR: Irán, IT: Olaszország, TL: Törökország és Libanon, UK: Egyesült Királyság.

73

74

Növénybiológia

Növénybiológiai Intézet

Növénybiológia

SZBK 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

75

Növénybiológia

Növényi Foto- és Kronobiológiai Csoport

Témavezető:

Dr. Nagy Ferenc Tel.: 62-599-718 E-mail: [email protected]

A FÉNYSZABÁLYOZOTT NÖVÉNYI ÉLETFOLYAMATOK MOLEKULÁRIS ALAPJAI A növények – helyhezkötött élőlények lévén – csak anyagcseréjük/életfolyamataik módosításával képesek alkalmazkodni a változó környezethez. Ehhez alapvetően szükséges a környezeti tényezők folyamatos és pontos érzéklése. A növények számára a legfontosabb környezeti tényező a fény, ezért nem meglepő, hogy a fényviszonyok (intenzitás, hullámhossz, megvilágítás ideje) változásának érzékelésére speciális fotoreceptorok egész sora alakult ki, amelyek – mint a növények szemei – képesek a fény meghatározására a spektrum UV-B tartományától egészen a közeli infravörösig. A legjelentősebb fotoreceptor családot a fitokrómok alkotják, amelyek valódi fénykapcsolóként működnek: vörös fénnyel aktiválhatók, távoli vörös fénnyel pedig kikapcsolhatók. A fény elnyelését követően az átalakított jel a fitokrómokról a sejtmagba jut, ahol számos gén működését serkenti vagy gátolja. Ezen gének működésének összehangolt megváltozása az alapja a makroszkópos szinten megfigyelhető fényválaszoknak, amelyek közül az egyik leglátványosabb a szár megnyúlásának gátlása és a levelek növekedésének serkentése. Sötétben a növények erősen megnyúltak és kis leveleket fejlesztenek. Fényben a szár megnyúlása gátolt, míg a levél(lemez) növekedése fokozódik. Ezeket a válaszokat bizonyítottan a fitokróm receptorok szabályozzák, mivel azok a mutáns növények, amelyekből a fitokróm receptorok hiányoznak, fényben is úgy viselkednek, mintha sötétben lennének. Munkánk célja annak felderítése, hogy pontosan milyen úton jut el a fényindukált jel a fitokrómoktól a megfelelő sejtmagi génekig. Kimutattuk, hogy a fitokrómok 76

sötétben a citoplazmában helyezkednek el, majd megvilágítás hatására a sejtmagba vándorolnak. A fitokrómok a sejtmagban – feltehetően egyéb fehérjék mellett – olyan génműködést szabályozó fehérjékkel (transzkripciós faktorok) is kapcsolatba lépnek, amelyek közvetlenül irányítják a fényregulált gének működését. Eredményeink arra utalnak, hogy a kialakuló kölcsönhatások különböző mechanizmusok révén serkentik vagy gátolják az adott transzkripciós faktor és ezáltal a megfelelő gén működését. Megállapítottuk tehát, hogy a fitokrómokat az általuk szabályozott génekkel összekötő nagyon rövid jelátviteli út kulcslépései egyrészt a fotoreceptorok fényfüggő sejtmagi importja, másrészt a fitokrómok és a fényszabályozásban szerepet játszó transzkripciós faktorok köcsönhatása a sejtmagban.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fitokrómok jelentős hatással vannak a kifejlett növények testfelépítésére (lásd ábra). A modellnövény ként ha sz ná lt Arabidopsis esetében ez főleg a levélnyél, de más növények esetén a szár hosszának tekintetében figyelhető meg. Ez a fontos funkció jelenti megszerzett ismereteink hasznosításának egyik lehetőségét. Például a fitokróm rendszer célzott módosításával elméletileg előállítható olyan búzafajta, amely rövid szárt növeszt és az így felszabaduló erőforrásokat a kalász, vagy a magok méretének növelésére fordítja.

Témavezető:

Dr. Kozma-Bognár László Tel.: 62-599-717 E-mail: [email protected]

Növénybiológia


BIOLÓGIAI ÓRA NÖVÉNYEKBEN A biológiai óra egy olyan, élő szervezetekben működő időzítő mechanizmus, amely képes napi (kb. 24 órás) oszcillációk létrehozására. A 24 órás peridódushossz miatt nevezzük a biológiai órát cirkadián órának is, a latin circa diem (= kb. egy nap) kifejezés alapján. Az óra által kialalkított alapritmus számos életfolyamat megjelenését szabályozza olyan módon, hogy azok az arra legmegfelelőbb napszakban történjenek. Az óra által szabályozott folyamat például az alvás/ébrenlét ciklus, ahol az éjszaka során az óra működése következtében a nyugalmi állapot kialakulásához vezető változások történnek (pl. csökken a vérnyomás és a testhőmérséklet), nappal viszont az ellentétes irányú folyamatok biztosítják az aktív állapotot. A fenti példa is mutatja, hogy az óra akkor tölti be funkcióját hasznosan, ha az általa megjelenített belső, szubjektív idő összhangban van a külső, valós idővel. Csak így biztosított, hogy pl. a nyugalmi állapot mindig éjszakára, az aktív állapot pedig nappalra essen. A belső és a külső idő összhangjának fenntartása érdekében a napi rendszerességű környezeti változások (fény/sötét, meleg/hideg) szinkronizálják az órát a valós időhöz. A biológiai óra molekuláris óra: fogaskerekeit gének és az általuk kódolt fehérjék alkotják, amelyek egymás működését szabályozva hozzák létre a 24 órás alapritmust, ami elsődlegesen az óraelemek ritmikusan változó szintjében jelenik meg. Munkánk célja a növényekben működő biológiai óra megismerése, kísérleteinkkel a rendszer három különböző részét vizsgáljuk. Azonosítottunk több olyan gént/fehérjét, amelyek az óra központi részének felépítésében és az alap-oszcilláció kialakításában vesznek részt. Eredményeink nagyban hozzájárultak annak megértéséhez, hogy a növényi óra fogaskerekei milyen módon kapaszkodnak egymásba a 24 órás periódus kialakítása érdekében.

Kimutattuk, hogy különböző növényi életfolyamatok, legfőképpen a fotoszintézis precíz időzítése a megfelelő napszakra nagy jelentőséggel bír a növények optimális fejlődése szempontjából. Az óra működésében sérült mutánsok analízisével igazoltuk, hogy az óra által jelzett időnek a valós időtől történő mindössze néhány órás eltérése a fotoszintetikus aktivitás és a zöld biomassza-termelés mintegy 50%-os csökkenését okozza (lásd ábra). A valós időtől történő eltérés nemcsak az óra központi részének hibás működése miatt, hanem a környezetből származó jeleket szállító jelátviteli rendszerek hely telen működése miatt is kialakulhat. Ezért kutatásaink Vad típusú Óra-mutáns Arabidopsis növények harmadik vonala azokat a mechanizmusokat vizsgálja molekuláris szinten, amelyek révén a környezeti jelek (elsősorban a fény) beállítják a növényi biológiai órát. Megjegyzendő, hogy ezeket a fényjeleket az előző témánál már említett fitokróm receptorok továbbítják, így a folyamat a fitokrómokkal kapcsolatos fényszabályozás egyik példája is egyben.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az óra egyik fontos funkciója számos növényfaj virágzásának szabályozása a nappalok hosszának mérése alapján. Több adat is arra mutat, hogy az óra ezen funkciójának megváltoztatásával lehetséges a virágzási idő széles skálán történő módosítása, miközben a terméshozam nem változik lényegesen. Ez lehetővé tenné bizonyos haszonnövények termesztését olyan körülmények között, ahol azok megfelelő időben történő virágzását a nappalok adott hossza gátolja. 77

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Szekeres Miklós Tel.: 62-599-716 E-mail: [email protected]

BRASSZINOSZTEROIDOK A brasszinoszteroidok növényi szteroid hormonok, amelyek jelentős szerepet játszanak a növények megnyúlásának, fényfüggő fejlődésének és termékenységének szabályozásában, valamint a szélsőséges környezeti hatásokkal szembeni ellenállóképességük fokozásában. Ezeket a feladatokat a többi növényi hormoncsalád tagjaival együtt látják el, gyakran azok működésének ellenőrzése, összehangolása révén. Regulációs rendszerük jellegzetessége, hogy más hormonokkal ellentétben csak korlátozottan terjednek szét a növény szervezetében, így hatásukat elsősorban keletkezési helyük közvetlen környezetében fejtik ki. Vizsgálataink célja annak tisztázása, hogy milyen belső tényezők felelősek elsődlegesen a brasszino szteroidok által kiváltott élettani válaszreakciók kialakulásáért. Eddigi munkánk során meghatároztuk néhány, az e hormonok bioszintézisében résztvevő gén szerepét, és jellemeztük azokat a molekuláris szintű regulációs mechanizmusokat, amelyek kifejeződésüket befolyásolják. Az egyes gének működésének direkt, vizuális követésére alkalmas módszert (lásd ábra) alkalmazva kimutattuk, hogy a bioszintézis kulcsenzimeinek génjeit több független, belső és környezeti tényezők hatásait is közvetítő mechanizmus szabályozza. A magas szintű kifejeződés a bioszintézis intenzitásának fokozása révén lokális hormon felhalmozódást eredményez, ami jellegzetes velejárója az egyedfejlődés és szervképződés korai folyamatainak. A brasszinoszteroidok által kiváltott élettani válaszreakciók intenzitását a hormonszint mellett jelentősen befolyásolhatják az egyes szervek hormonérzékenységében kimutatható különbségek is. Adataink szerint az érzékenység növekedése együtt jár a brasszinoszteroidok érzékelését biztosító sejtfelszíni 78

receptor erőteljes kifejeződésével, ami elsősorban a hajtáscsúcsokban és az intenzív megnyúlást mutató régiókban figyelhető meg. Munkánk során választ szeretnénk kapni arra a kérdésre, hogy a hormonszint, illetve hormonérzékenység változásának van-e meghatározó szerepe a brasszinoszteroid válaszreakciók kiváltásában.

Az ábrán az egyik általunk vizsgált gén kifejeződésének mintázata látható Arabidopsis növényben. A gén működése egy mesterséges génkonstrukció segítségével követhető, amelynek aktivitása biolumineszcencia kibocsátással jár együtt: a képen a piros és fehér színek a magas, míg a kék és fekete színek az alacsony szintű génműködést jelzik.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Számos hasznos termesztett növényfajta bizonyult természetes brasszioszteroid mutánsnak. A bioszintetikus és érzékelési folyamatok pontos megismerése lehetőséget adhat az előnyös tulajdonságok szerv specifikus kialakítására a terméshozam lényeges változása nélkül.

Dr. Vass Imre

Témavezetők:

Tel.: 62-599-700 és 62-599-714 E-mail: [email protected]

Dr. Deák Zsuzsanna


Növénybiológia

Molekuláris Stressz- és Fotobiológiai Csoport

FOTOSZINTETIKUS ENERGIAÁTALAKÍTÁS VIZSGÁLATA A növények (algák, cianobaktériumok) a természetben egyedülálló képessége a Nap fényenergiájának átalakítása és a víz elbontásából származó protonok, valamint a légköri széndoxid megkötéséből származó szén felhasználásával szerves anyagok formájában történő tárolása. Ezen folyamat szolgáltatja végső soron a Föld szinte minden élő szervezete számára szükséges energiát, és egyben a magasabb rendű életformák számára elengedhetetlen légköri oxigén forrása is. A Napból kb. 8 perc alatt érkezik a Földre az emberiség jelenlegi teljes energiaszükségletének megfelelő fényenergia. Ezért természetes, illetve mesterséges fotoszintetikus rendszerek alkalmazása lehetőséget nyújthat alternatív, megújuló energiatermelő rendszerek kifejlesztésére. Kutatócsoportunk széleskörű vizsgálatokat folytat a fény által hajtott vízbontást végző ún. 2. fotokémiai rendszer (PSII) működésének molekuláris szintű értelmezésére. Tanulmányozzuk a vízbontó rendszer

katalitikus komplexének felépítését, az oxigénfejlődés mechanizmusát, valamint az energiaátalakító folyamatok hatékonyságát nagymértékben meghatározó töltésrekombinációs folyamatokat. Alternatív, megújuló energiaforrások kifejlesztése érdekében kutatásokat végzünk félmesterséges fotoszintetikus rendszerek létrehozására izolált PSII komplexek immobilizálása révén. A fotoszintetikus energiatermelés egyik lehetséges útja az egyes algákban és cianobaktériumokban található hidrogenáz enzimek által történő hidrogéntermelés. Ily módon a Nap fényenergiája tárolható hidrogén üzemanyaggá alakítható, amelynek elégetése során nem keletkezik a környezetet szennyező melléktermék. Csoportunkban vizsgáljuk a Synechocystis 6803 és egyéb cianobaktériumokban található hidro genáz enzimet kódoló hox gének kifejeződésének szabályzását különböző tényezők (fény, oxigén, fotoszintetikus elektron transzport) által.

79

Növénybiológia


Témavezetők:

Dr. Vass Imre


Dr. Kós Péter


NEHÉZFÉM BIOSZENZOROK KIFEJLESZTÉSE 2+

2+

2+

2+

A különböző nehézfémek (pl.Co , Ni , Zn , Cd , Cr 6+) napjainkban egyre fokozódó környezetszen�nyezést okoznak. Igen fontos továbbá a természetes eredetű arzén, ami elsősorban geológiai formációkból való szivárgással jut az emberi fogyasztásra használt ivóvízbe, pl. a Dél-Alföldi régió vízbázisaiba, és hos�szú idejű expozíció esetén már szub-mikromoláris koncentrációban is káros az emberi egészségre. A biológiailag hatékony nehézfémek és az arzén kimutatásának egyik lehetséges útja bioszenzorok kifejlesztése, amelyekkel a határérték feletti szennyező koncentrációk kimutatása kis költséggel, gyorsan elvégezhető.

Csoportunkban aktív kutatások folynak olyan bioszen zorok kifejlesztésére, amelyek fotoszintetizáló ciano baktériumok nehézfém (arzén) stressz által indukált génszintű stresszválaszain alapulnak. Ezen organizmusok

80

számos nehézfém-detoxifikáló enzimrendszert tartalmaznak, amelyek aktivitását az enzimeket kódoló gének átíródása szabályozza. Ennek következtében nehézfémek jelenlétében az érintett gének mRNS szintje nagymértékben (akár több ezerszeresen) megnövekszik, ami a nehézfém koncentráció függvényében kalibrálható.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az eddig folytatott munka során vizsgáltuk a Synecho cystis 6803 nevű cianobaktériumban található nehézfém indukálható gének szabályzó szakaszainak tulajdonságait a specificitás és a kimutatható koncentráció tartományok megállapítása érdekében. Létrehoztunk egy olyan transzformációs rendszert, ami lehetővé teszi a fénykibocsátó luciferáz rendszert kódoló gének bevitelét és indukálható gén-szabályzó régiókhoz történő fúzióját cianobaktériumokban. Ezen organizmusok adott környezeti stimulus (nehézfémek, arzén) jelenlétére fénykibocsátással reagálnak, és potenciálisan alkalmasak bioszenzorok kifejlesztésére. Az elv működésének demonstrálására már előállítottunk és jellemeztünk nikkel és cink szenzor törzseket, és folyamatban van arzén szenzor törzsek előállítása, ezekre alapozott bioszenzor alkalmazások kifejlesztése.

Dr. Vass Imre

Témavezetők:


Sass László


Növénybiológia


KOMPLEX NÖVÉNYI STRESSZ-DIAGNOSZTIKAI RENDSZER KIFEJLESZTÉSE A környezeti stresszhatások (pl. vízhiány, alacsony vagy magas hőmérséklet, só, nehézfémek, látható és ultraibolya fény) a mezőgazdaságilag fontos növények esetén jelentős terméskiesést eredményeznek. Ezért igen fontos a stresszhatásoknak fokozottan ellenálló növényi vonalak előállítása. Ezen kutatások egyik előfeltétele a növények növekedésének és fejlődésének kvantitatív monitorozása kontrollált stressz körülmények között. Csoportunk egy komplex növényi stresszdiag nosztikai rendszer kifejlesztésén dolgozik a Gabonakutató Nonprofit Kft.-vel együttműködésben, amelyben egyedileg azonosított növények számítógép által vezérelt öntözése biztosítja a reprodukálható vízellátási körülményeket. A növények növekedését digitális fotográfiára alapozott képalkotási technikával követjük, ami lehetővé teszi az egyes növények méretének és levélfelületének meghatározásának folyamatos követését teljes életciklusuk folyamán. A növények fiziológiai állapotának követésére a fotoszintetikus hatékonyság klorofill fluoreszcencia képalkotással történő meghatározását alkalmazzuk. Ez lehetővé teszi a növények egészére vonatkozó átlagos fiziológiai aktivitás meghatározása mellett a stressz által különböző mértékben érintett területek azonosítását is. További érzékeny módszer a növények hőfényképezéssel történő vizsgálata, ami lehetővé teszi a megváltozott párologtatási képességgel rendelkező egyedek, illetve növényi

részek azonosítását. Ezen módszer igen hasznos pl. a vízhiány ellen csökkentett párologtatással védekező növényi vonalak azonosítására, valamint különböző fertőzések (vírusok, gombák) által okozott károsítás korai felismerésére. A stresszmonitorozó rendszer által gyűjtött adatokat számítógépes adatbázisokban tároljuk, amelyek interneten keresztül bárhonnan elérhetők. Így az adatfeldolgozáshoz szükséges nagy számítógépes kapacitás a monitorozó rendszertől tetszőleges távolságban lehet.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Jelenleg folyik közeli infravörös (NIR) képalkotás és automatikus növény-mozgatási lehetőség integrálása a rendszerbe. A komplex stresszdiagnosztikai rendszer fontos alkalmazást nyer stressztűrő kultúrnövények szelektálásában elsősorban szárazságtűrő búza és árpa vonalak azonosítására.

81

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Hideg Éva


REAKTÍV OXIGÉN SZÁRMAZÉKOK AZONOSÍTÁSA NÖVÉNYEKBEN Gazdasági haszonnövényeinket, csakúgy mint az élővilág egészét, számtalan kedvezőtlen környezeti hatás éri. A növényekben mind a biotikus (pl. vírus- vagy gombafertőzés okozta) mind az abiotikus (pl. erős napfény, ultraibolya sugárzás, víz- és tápanyag ellátás zavarai vagy környezetszennyező anyagok okozta) stresszhatások oxidatív károsodással járnak együtt. Az, hogy a stressz maradandó károsodáshoz – pl. a növény termőképessé válása előtti elhalásához – vezet, vagy pedig alkalmazkodási reakciót (ún. akklimatizációs válaszokat) indít el, a keletkező reaktív oxigén származékok (ROS) mennyiségétől, kémiai minőségétől és keletkezési helyétől függ. A ROS keletkezésre vonatkozó bizonyítékok azonban általában közvetettek: oxidált membrán proteinek és lipidek, oxidatív DNS módosulás megfigyelésén; illetve a növény antioxidáns védőrendszerének aktíválódásán vagy lecsökkenésén alapulnak. A ROS közvetlen kimutatása azért fontos, mert nemcsak megerősítheti a klasszikus kísérleti technikákkal vélelmezett oxidatív stressz gyanúját, de az egyes ROS formák kémiai azonosítása útján közelebb vihet a stressz biokémia hatásmechanizmusának megértéséhez, sőt az elsődleges károsodás helyének azonosításához is. A kutatócsoportunkban hazai kooperációban kifejlesztett mérési eljárás során egy, a növények levelébe juttatott speciális jelző molekula fluoreszcencia változása azonosítja a ROS keletkezését az ábrán bemutatott módon. 82

Szinglett oxigén kimutatása dohány levél 1,2 × 1,6 cm-es részletén. A ROS keletkezését a levélbe infiltrált jelző molekula fluoreszcencia intenzitásának csökkenése mutatja (mesterséges szinezéssel illusztráltan) a levél felső, fotoinhibíciós stressznek kitett részében. Az alsó, kezeletlen részben a jelző fluoreszcenciája változatlan.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Módszerünkkel sikerült különböző ROS hatásokat kimutatnunk erős napsütést modellező fotoinhibíció, UV sugárzás, illetve herbicid okozta oxidatív stressz során. Ezek az eredmények elősegítik a vizsgált stresszhatások biokémiai mechanizmusának megértését; a károsító ROS kémiai azonosítása pedig megmutatja, mely pontokon lehetséges a növény saját védelmi rendszerét megerősíteni. Kutatásainkat a ROS semlegesítő növényi antioxidánsok mérése irányában is továbbfejlesztjük: jelenleg specifikus enzimekhez nem rendelhető ROS, pl. hidroxil-gyököket illetve szinglett oxigént semlegesítő utak célzott kimutatásán dolgozunk. A mérési technológia további fejlesztésével lehetővé válhat a károsítást okozó koncentrációnál kisebb mennyiségben jelen levő, a sejtszintű alkalmazkodásban részt vevő ROS molekulák azonosítása is.

Dr. Garab Győző

Témavezetők:


Dr. Kovács László Tel.: 62-599-600/507 E-mail: [email protected]

Növénybiológia

Fotoszintézis – Membránenergizáció Csoport

ÖNSZERVEZŐDŐ FOTOSZINTETIKUS FÉNYBEGYŰJTŐ RENDSZEREK A fotoszintézis a földi élet energetikai alapja; közvetve vagy közvetlenül ez szolgáltatja az életfolyamatok fenntartásához szükséges táplálékot. A fotoszintézisnek köszönhetjük az oxigénben dús légkört, és íg y az ózonpajzs létét is. A fosszilis energiahordozók is fotoszintézis eredetűek – ezek adják a ma felhasznált energia 80%-át. A fosszilis energia ilyen nagy mértékű felhasználása azonban környezeti katasztrófához vezethet. Ezért a fosszilis energiahordozókat nagy mennyiségben rendelkezésre álló, reális időtávon belül technológiailag elérhető, környezetkímélő energiahordozókkal kell kiváltani. Erre megfelelően átalakított fotoszintetikus szervezetek, vagy azok ’bio-inspirált’ műszaki ’utánzatai’ tűnnek alkalmasnak. A fotoszintézis kutatások ezért a természetben lejátszódó folyamatok minél teljesebb megismerését, és a mesterséges megvalósítás módjainak feltárását célozzák. A fotoszintézis a fény elnyelésével kezdődik. Ezt fotoszintetikus festékek végzik, amelyek az így nyert gerjesztési energiát a fotokémai reakciócentrumokba juttatják – megkezdve ezzel a fényenergia kémiai energiává alakítását. Az energiaátalakítás azonban csak akkor hatékony, ha a festék, fehérje és lipid molekulák alkotta ún. antennarendszer képes arra, hogy a beérkező, általában alacsony energiasűrűségű, ’diffúz’ fény fotonjait begyűjtse és a reakciócentrumokba irányítsa. Ez csak magasan szervezett molekuláris rendszerben, illetve a teljes energiaátalakító apparátust tartalmazó membrán-

rendszer nagyfokú rendezettsége mellett képzelhető el. Kutatásaink fő feladata önszerveződő természetes és mesterséges antenna- és membrán-rendszerek tanulmányozása és fényindukált szerkezeti átalakulásainak megértése. Munkánk során egy új, korábban csak folyadékkristályokra leírt mechanizmust fedeztünk fel, ami részt vesz növények fénystressz elleni védekező mechanizmusában.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fénybegyűjtő multilamelláris rendszerek alkalmasak lehetnek mesterséges, katalitikus hordozó felületre vitt fotokémiai reakciók energiaellátására, és így pl. hidrogén vagy más üzemanyag mesterséges termelésére. Csoportunk európai együttműködés keretében részt vesz ilyen jellegű kutatásokban is.

Gránumos tilakoid membránrendszer modellje.

83

Növénybiológia

Fotoszintézis - Membránenergizáció Csoport

Dr. Garab Győző

Témavezetők:


Dr. Tóth Szilvia Zita


ALTERNATÍV ELEKTRONTRANSZPORT HŐSTRESSZNEK KITETT FOTOSZINTETIKUS RENDSZEREKBEN A növények, algák és kékmoszatok (cianobaktériu mok) képesek a víz enzimatikus hasítására. Ennek során molekuláris oxigén szabadul fel és jut a légkörbe. A fotokémiai reakciócentrumokba érkező gerjesztési energia töltésszétválasztást eredményez, amit töltések (elektronok és protonok) irányított vándorlása követ a membránban, összekötve a két fotokémiai rendszert, a vízbontó enzimet tartalmazó PS2-t és a NADPH termelésre képes PS1-t. Ennek során képződik a redukáló erőt tároló NADPH és az „energiahordozó” ATP. Ezeket a molekulákat használja fel a fotoszintézis enzimatikus rendszere (a Calvin-Benson ciklus) a széndioxid megkötésére, azaz a cukrok szintéziséhez. Ez folyamatosan csak aktív vízbontó enzim és egy lényegében korlátlan mennyiségben rendelkezésre álló elektronforrás, a víz jelenlétében valósulhat meg. (Ilyen összefüggésben az oxigéntermelés mintegy a fotoszintézis mellékterméke.) A vízbontó enzim igen érzékeny különböző környezeti stresszhatásokra, azok közül is elsősorban magas hőmérsékleti stresszre, amely könnyen vezethet az enzim teljes inaktivációjához. Ez a stresszhatás élettani szempontból nagyon fontos, és jelentős károkat okoz haszonnövényeinkben is. Korábbi, teljes növényeken végzett hőstressz vizsgálataink, amelynek során a magas hőmérsékletnek a második fotokémiai rendszerre gyakorolt hatását tanulmányoztuk, váratlan eredményre vezettek. Ha levelekben a vízbontó enzimet egy gyors hőkezeléssel inaktiváltuk, akkor azt láttuk, hogy a vízbontó enzimet más, alternatív donorok helyettesítették. Kutatásaink során sikerült bizonyítanunk, hogy ez 84

az elektrondonor az aszkorbát (C-vitamin). Ez esetben tehát a víz (ill. a vízbontó enzim) helyett az aszkorbát szolgál a fotokémiai folyamatok végső elektron forrásaként. Jóllehet ilyen körülmények között az elektrontranszport maximális sebessége jóval kisebb, mint aktív vízbontó enzim jelenlétében, az elektrontranszport fenntartható volt. Kutatásaink az aszkorbát, mint alternatív elektron donor élettani szerepének tisztázására irányulnak, különös tekintettel a hőstressz hatásmechanizmusára és az alternatív elektrondonorok feltételezhető, fotooxidáció elleni védő szerepére magas hőmérsékleten. Vizsgálataink kiterjednek arra is, hogy az aszkorbát mennyisége mutat-e összefüggést az adott faj vagy fajta hőstressz-tűrő képességével.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az aszkorbát, mint alternatív elektrondonor fontos szerepet játszhat a növények magas hőmérséklet elleni védekezésében. A hatásmechanizmus ismerete támpontot nyújthat új, hőstresszt jobban tűrő fajták nemesítéséhez.

Témavezető:

Dr. Garab Győző

Mekkora rend van a sejtekben? Új mikroszkópos eljárás a rendezettség mérésére; biológiai alkalmazások Biológiai anyagokban az összetevők térbeli eloszlása erősen inhomogén és irány-rendezett. Ezek a szerkezetek erős anizotrópiát mutatnak. Ismereteink ilyen komplex szerkezetek felépítéséről, szerkezeti dinamikájáról és élettani szerepéről azonban nagyon hézagosak. Egyes kivételes esetekben, például a mágneses térben is jól rendezhető fotoszintetikus membránok esetében az anizotróp szerkezeti jellemzők pontosan meghatározhatók. Ezekben a molekulák irányrendezettsége univerzális sajátság, aminek alapvető fontossága az energiaátalakító folyamatokban mára egyértelműen bebizonyosodott. A legtöbb rendszerben azonban az anizotróp anyagi jellemzők meghatározása lényegében csak mikroszkópos eszközökkel lehetséges. Az elmúlt évek során új mikroszkópos leképezési módszert fejlesztettünk ki azzal a céllal, hogy magasan szervezett biológiai anyagok főbb anizotrópiás sajátságait megmérjük és térbeli eloszlásukat megjelenítsük. A laboratóriumunkban erre a célra a Carl Zeiss Jena GmbH közreműködésével kifejlesztett eszköz szabadalmi oltalmat is kapott. Ez az ún. differenciál-polarizációs lézersugár pásztázó mikroszkóp (DP-LSM) egyesíti a modern, digitális képrögzítésű, 3-dimenziós leképezésre is alkalmas lézersugárpásztázó mikroszkópok (LSMek) és a korszerű, nagy pontosságú, ún. frekvenciamodulációs technikán alapuló differenciál-polarizációs spektroszkópiai eszközök előnyeit. A fejlesztés révén a három ’hagyományos’ leképezési eljárás – amik segítségével a fényelnyelés, a reflexió és a fluoreszcencia emis�szió erősségei jeleníthetők meg – további nyolc paraméterrel bővíthető. Ezen paraméterek mindegyike fontos fizikai információt hordoz az anyag anizotróp szerkezetéről, amint azt különböző hazai és nemzetközi együttműködésekben végzett kutatásaink is bizonyították. Megmutattuk például, hogy az aktin anizotróp szerke-

Növénybiológia

Fotoszintézis - Membrán-energizáció Csoport

zetének megbontása muslica dajkasejtekben (1. ábra) letális. Vizsgálataink szerint kloroplasztiszokban az anizotrópia erőssége lehetővé teszi ezen sejtszervecskék optikai mikro-manipulálását, és ezzel a módszerrel tártuk fel a humán fehérvérsejt plazmamembránok felépítésének új sajátságait is. A növényi sejtfal, illetve a cellulóz anizotróp szerkezetének ismerete (2. ábra) fontos lehet a növények szárazságtűrésében és a cellulóz ipari feldolgozása során. Az Alzheimer kórban is jelentős szerepet játszó amiloidnak egy más módszerrel nem detektálható magas szervezettségű formáját figyeltük meg. A DP-LSM-el végzett mérések fontos szerepet kapnak európai kooperációs projektekben is, amik bioinspirált hibrid szoláris cellák létrehozását célozzák. 1. ábra: Vad típusú és mutáns muslica dajkasejt gyűrűcsatornák fluoreszcencia intenzitás és anizotrópiás képei

2. ábra: Növényi sejtfal fluoreszcencia intenzitás és anizotrópiás (FDLD) konfokális képei

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A most folyó fejlesztés eredményeként a DP kiegészítő egység illeszthetővé válik a legtöbb új-generációs LSMre. Ennek köszönhetően várható a technika elterjedése és további alkalmazások, elsősorban a biológia és az anyagtudományok területén. A DP-LSM elnyerte a Stratégiai Kutatási Infrastruktúra címet (NKTH NEKIFUT Program). 85

Növénybiológia

Növényi Lipid Funkció és Szerkezet Csoport

Témavezető:

Dr. Gombos Zoltán Tel.: 62-599-704 E-mail: [email protected]

Anionos (negatív töltésű) lipidek szerepe fotoszintetikus szervezetek életfolyamataiban Létrehoztunk foszfatidilglicerin (FG) szintézisében gátolt cianobaktérium mutánsokat. Ezekben a lipid mutánsokban tanulmányoztuk az FG szerepét fotoszintetikus folyamatokban. Eredményeink megerősítették azt, hogy a fotoszintetikus membránok egyetlen foszfort tartalmazó lipidje az 1. és 2. fotokémiai rendszerben is meghatározó szerepet játszik. Az 1. fotokémiai rendszerben az FG molekulák szerepe elsősorban szerkezeti. Az FG meghatározó jelentőségű a trimer szerkezet kialakításában. A 2. fotokémiai rendszerben kimutattuk az FG funkcionális szerepét. Megállapítottuk, hogy a kettes fotokémiai rendszerben az elektrontranszport akceptor oldalán érvényesül a funkcionális jelentősége. Nélküle az energia továbbadása lelassul, és hosszabb FG kiürülés esetén gátolt. Ez a gátlás együtt jár a cianobaktérium sejtek fénnyel szembeni érzékenységének növekedésével. Ezekkel a méréseinkkel a fény és alacsony hőmérséklet stresszek molekuláris szintű folyamatait szeretnénk megérteni. Ez a cianobakteriális modell a magasabbrendű növények stresszfi ziológiájának megértését teszi lehetővé.

86

Az 1. fotokémiai rendszer trimer szerkezetű reakciócentrumai FG hiányában monomer szerkezetűvé alakulnak.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Újabban az FG sejtosztódásban betöltött szerepét igyekszünk meghatározni, és ezzel összefüggésben felderíteni a lipidek szerepét a kloroplasztisz osztódásában. Megállapítottuk, hogy az osztódási gyűrű kialakításában az FG-nek meghatározó szerepe van. A fehérje-lipid kölcsönhatások sejtfunkciókban betöltött jelentőségét is vizsgáljuk.

Témavezető:

Dr. Kis Mihály


Növénybiológia


BIODÍZEL ELŐÁLLÍTÁS ALGÁK SEGÍTSÉGÉVEL A modern civilizációk jelenleg szinte teljesen a fos�szilis eredetű (szén, kőolaj, földgáz) energiahordozók elégetéséből származó energiától függenek. Ezek mennyisége azonban véges, és ráadásul az elégetés során felszabaduló gázok, legnagyobb mennyiségben a szén-dioxid, a levegőbe kerülve fokozzák a földi légkör üvegházhatását. A legáltalánosabban elfogadott vélemény szerint nagyrészt ez a felelős a globális felmelegedésért. A problémára a megújuló energiaforrások növekvő mértékű felhasználása lehet az egyik válasz. Megújulónak nevezzük azokat az energiaforrásokat, amelyek folyamatosan rendelkezésre állnak, vagy belátható időn belül újratermelődnek. A fotoszintetizáló élőlények a nap energiájának felhasználásával, széndioxidból és vízből szerves anyagokat állítanak elő. A mikroszkopikus méretű algák is ilyenek. Ráadásul egyes típusaikban az előállított szerves anyag egy jelentős része olyan olaj, mely biodízelként használható.

A Balatoni Limnológiai Kutatóintézet kutatóival együttműködve elsősorban magyarországi algákat gyűjtünk, és megvizsgáljuk olajtartalmukat. A tenyésztési körülmények optimalizálásával, valamint anyagcseréjük módosításával gyorsan növő, nagy olajtartalmú törzseket hozunk létre.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Nagy teljesítményű fermentorokat kifejlesztve, és azokban a biodízel termelésére képes algákat nagy mennyiségben tenyésztve, a többi bioüzemanyaggal versenyképes termék állítható elő. Tovább növelheti a gazdaságosságot, ha a fosszilis energiahordozók elégetése során keletkező széndioxidot használjuk fel a tenyésztés során. Ez egyúttal csökkenti a környezetbe kerülő legveszélyesebb üvegházhatású gáz mennyiségét is, ami a környezet megóvása szempontjából kiemelkedően fontos.

87

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Kis Mihály

A GABONAFÉLÉK FAGYÁLLÓSÁGÁNAK NÖVELÉSE A búza az emberiség legfontosabb kultúrnövénye, a világon a legnagyobb területen termesztett gabonaféle. Az élelmezésben játszott kiemelkedő szerepével csak a rizs vetélkedhet. Élelmiszerként legnagyobbrészt kenyeret készítenek belőle. A búzakenyér még ma is a magyarság alapvető élelmiszere. Ezért is olyan jelentős ágazata mezőgazdaságunknak a búzatermesztés, amelynek mindenki által elvárt feladata, hogy a hazai termelés biztosítsa a hazai kenyérgabona-szükségletet. Magyarország búza-vetésterületén majdnem kizárólagosan őszi búzát termesztenek. Ennek oka, hogy nálunk a kontinentális éghajlat következtében az őszi gabonafélék 15–25%-kal többet teremnek a tavasziaknál. Ráadásul termesztésük nemcsak gazdaságosabb, hanem környezetkímélőbb is. Azonban a növényeknek képeseknek kell lenniük elviselni a tél viszontagságait, amelyek közül az egyik legveszélyesebb a fagypont alatti hőmérséklet. Sok mérsékelt égövi növényfaj fagytűrő képessége megnövekszik alacsony, de fagypont feletti hőmérséklet hatására. Ezt a jelenséget hidegedződésnek hívjuk. Az edződés folyamatának megismerése igen fontos, mert e tudás birtokában feltehetően növelhető a mezőgazdasági szempontból fontos növények fagyállósága. Fagytűrésükben központi szerepe van a sejtmembránoknak és különösen a plazmamembránnak. A csökkenő hőmérséklet veszélyezteti a membránok szerkezetét és működőképességét. Védekezésül a növények

88

a hidegedződés során megváltoztatják membránjaik lipidösszetételét. Ez magában foglalja egyes lipidek lebontását, valamint mások szintézisét és membránba építését is. Az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézetében, Martonvásáron, a fagyállóság kutatása több mint 20-éves múltra tekint vissza. Csoportunk, az MTA SZBK Növénybiológiai Intézetében alakult Növényi Lipid Funkció és Szerkezet Csoport, a növényeket érő káros környezeti hatások által kiváltott membránszerkezeti változások vizsgálatában szerzett gyakorlatot. A két intézet együttműködésében célunk, hogy feltárjuk a lipidek anyagcseréjének a fagyállóságban betöltött szerepét. A következő kérdésekre keressük a választ: A hidegedződés során megváltozott lipidösszetétel hogyan hat a membránok szerkezetére? A megváltozott szerkezet hogyan befolyásolja működésének hőmérsékletfüggését?

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk a lipidanyagcserében szerepet játszó új gének felfedezése és jellemzése. Az azonosított gének a későbbiek során lehetővé tehetik a fagyállóság növelését a molekuláris genetika eszköztárának alkalmazásával. A gének térképezése segítheti a nemesítést a kívánt gének tervezhető átvitelével.

Témavezető:

Dr. Horváth Gábor Tel.: 62-599-707 E-mail: [email protected]

Növénybiológia

Sejtosztódási és Stressz Adaptációs Csoport

Stressztűrés fokozása protektív enzimekkel A gazdasági haszonnövények termésbiztonságát és a termés mennyiségét számottevően csökkentik a különböző környezeti stresszhatások (például az aszály, túl magas vagy alacsony hőmérséklet, UV-B sugárzás), ezért a mezőgazdaságban folyamatos igény van stressztűrő növények nemesítésére. E cél elérésére használjuk fel a molekuláris biológia és a géntechnológia modern eszközeit. Mivel a különböző környezeti stresszhatások közös jellemzője, hogy a sejtekben a reaktív oxigén spécieszek (ROS) és ezek toxikus reakciótermékeinek koncentrációját megnövelik, ezért azok a stratégiák, melyek ezen vegyületek „eltüntetésére”, a méregtelenítésre irányulnak, alkalmasak a növények stressztűrő képességének megnövelésére. Több enzim vagy enzimrendszer hatékonysága már bizonyított, ilyenek a glioxaláz rendszer fehérjéi és az alkenál reduktázok. Saját kutatási eredményeink a növényi aldo/keto reduktáz fehérjéknek a növényi stresszválaszban betöltött fontos szerepét bizonyítják. Ezek a széles szubsztrátspecificitású méregtelenítő enzimek reagálnak a lipid peroxidációból származó reaktív aldehid molekulákkal. Az enzimcsalád egyes tagjai a cukoralkoholok keletkezését is katalizálják, így olyan vegyületeket állítanak elő, melyek alacsony koncentrációban gyökfogóként, magas koncentrációban pedig a szárazságstressz kivédését szolgáló ozmotikumként funkcionálnak. Csoportunkban lucernából olyan aldóz reduktázt kódoló gént (MsALR) izoláltunk, melynek kifejeződése indukálódott különféle stresszkezelések hatására. Az enzim védőfunkcióját úgy igazoltuk, hogy olyan dohány, búza és árpa növényeket hoztunk létre, melyek nagy mennyiségben termelték a lucerna MsALR fehérjét. Számos vizsgálat eredményével bizonyítottuk, hogy az így kapott

növények megnövekedett stressztűrő képességgel rendelkeznek. Ezekre az eredményekre alapozva kezdtük meg a technológia alkalmazását gazdaságilag fontos haszonnövényekben.

A reaktív aldehidekkel reagáló védőfehérjék termelése növeli a stressztűrő képességet.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A különféle védőfehérjék kombinálásával tovább fokozható a növények környezeti stresszhatásokkal szembeni tűrőképessége. Az aszálytűrő búza- és árpafajták molekuláris genetikai vizsgálatával meghatározhatjuk azt, hogy milyen védőfehérjék fokozott termelése kapcsolatos a jó szárazságtűréssel, ezt felhasználhatjuk a továbbiakban az irányított nemesítésben. Fontos kutatási irány annak bizonyítása, hogy a stratégia alkalmazható-e a növényi vírus, baktérium és gomba kártevőkkel szembeni rezisztencia fokozására is. Új kutatási területünk a tisztított protektív fehérjék felhasználása a humán gyógyászatban. 89

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Györgyey János Tel.: 62-599-707 E-mail: [email protected]

SZÁRAZSÁGADAPTÁCIÓ GABONAFÉLÉKBEN Az első szárazföldi növények kialakulása óta alapvető feladat számukra, hogy megelőzzék sejtjeik végzetes és visszafordíthatatlan kiszáradását. Az elmúlt sokmillió év során erre számos különböző, egymást kiegészítő megoldás, védekezési mechanizmus alakult ki a növényekben. A sejtszintű védekezés során termelnek vizet megtartó anyagokat (egyes cukrokat, aminosavakat stb.); olyan fehérjéket, amelyek gátolják a létfontosságú enzimek és membránok vízvesztés okozta összecsapódását, tönkremenetelét; továbbá olyan kismolekulákat és enzimeket, melyek az ilyenkor keletkező reaktív szabad gyökök okozta oxidatív károsodástól is védik a sejteket. Ilyen védekezési folyamatok játszódnak le a kiszáradó, de csíraképességüket hosszú évekig megőrző magvakban is. A teljes élőlény szintjén is több módon óvja magát a növény: gázcserenyílásait napszaktól és vízellátástól függően nyithatja, zárhatja, párolgást akadályozó viaszréteget választhat ki a bőrszövete, a túlzott besugárzástól is védhetik a párát visszatartó, sőt felvenni is képes szőrképletek. Életciklusának évszakhoz igazításával is sok növény kerüli el a vízhiányt, ez része pl. az őszi búzák túlélési stratégiájának is. Hasonlóan nagy jelentőségű a hatékony gyökérrendszer kifejlesztése, hiszen a vízvesztés mérséklése mellett az utánpótlás fokozása is esély a túlélésre. Ennek érdekében egyes búzafajtáknak megváltoznak a fejlődési arányai is: aszályos körülmények között erősen visszafogják hajtásfejlődésüket, ugyanakkor fenntartják a gyökérnövekedést. Kísérleti rendszerünkben ez utóbbira keressük a választ funkcionális genomikai módszerekkel: a gabonák – elsősorban a búza – gyökérzetében mely 90

gének működésében és milyen változás áll be a szárazságadaptáció, és az ezt kísérő fejlődési változások során. Ettől várjuk azt, hogy megértsük, mi a molekuláris alapja annak, hogy egyes búzafajták rosszul alkalmazkodnak a szárazsághoz, mások alapvetően menekülő stratégiát követnek, míg az ebből a szempontból legértékesebb termesztett fajták a növény normális életműködéseit fenntartva képesek elfogadható termést hozni erősen korlátozott vízellátás mellett is.

Eltérő módon adaptálódó búzák gyökér-fejlődése korlátozott (40%) és normál vízellátás (80%) mellett.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Annak, hogy feltárjuk a növények szárazságadaptációját megalapozó génexpressziós változásokat és megismerjünk új géneket, melyek ebben a folyamatban részt vesznek, több szempontból is jelentősége van. Egyrészt a vizsgált biológiai alapkérdésnek a mélyebb megértéséhez kerülünk közelebb, másrészt két módon is segítjük a gyakorlati nemesítő munkát: a megismert szárazság-adaptációt segítő gének, génvariánsok molekuláris markerként szolgálva segítik a szárazságtűrő fajták szelekcióját, ezzel gyorsítják a klasszikus nemesítést; illetve ilyen géneket visszajuttatva az érzékeny fajtákba, lehetőségünk lesz a szárazságtűrés célzott javítására is.

Témavezető:

Dr. Bottka Sándor Tel.: 62-599-702 E-mail: [email protected]

Növénybiológia


GÉNCSILLAPÍTÁS SZINTETIKUS OLIGONUKLEOTIDOK ALKALMAZÁSÁVAL NÖVÉNYEKBEN A kémiai szintézis útján előállított rövid nukleinsavszakaszok, azaz oligonukleotidok nélkülözhetetlenek a génszerkezet elemzéséhez. Ezek a molekulák azonban az élő sejtben, illetve szervezetben is kölcsönhatásba léphetnek a nukleinsav metabolizmus során keletkező molekulákkal. Ez a kölcsönhatás, amely többnyire génkifejeződés gátlást eredményez, az öröklődés molekuláris szabályai során megismert általános bázispárosodási elveken alapul. Ezért egy adott gén bázissorrendjének ismeretében olyan oligonukleotidokat állíthatunk elő, amelyek szelektíven csak a célzott génre hatnak. Ez a megközelítés, amely antiszensz gátlás néven vált ismertté, a humán genomikai és a gyógyászati kutatásokban széles körű alkalmazásra talált.

A növények körében azonban szintetikus oligo nukleotidok alkalmazására ezideig szinte egyáltalán nem került sor. Célkitűzésünk az volt, hogy megvizsgáljuk az antiszensz oligonukleotidok felhasználási lehetőségeit a növénybiológia területén is. A növényi alkalmazások körében alapvető nehézséget jelent a növényi sejtfal jelenléte, ami lehetetlenné teszi vagy igen megnehezíti a vizsgálandó molekulák sejtbe jutását. Ezért széles körben vizsgáltuk az oligonukleotidok bejuttatásának módjait. Fluoreszcens jelölés útján demonstráltuk, hogy különböző sebzési utakon keresztül a molekulák a szállítónyalábokba és onnan a sejtekbe jutnak. A jól mérhető hatást kifejtő riportergének ellen tervezett antiszensz oligonukleotidjaink szelektíven gátolták a génkifejeződést, bizonyítva ezzel, hogy a módszer növények körében is felhasználható.

91

Növénybiológia


Előállítottunk olyan kémiai módosításokat tartalmazó oligonukleotidokat, amelyek biológiai élettar-

A

B

tama legalább egy nagyságrenddel megnövekedett, ugyanakkor bázispár-képzési potenciáljuk nem változott. Ezek a kémiai analógok hatékonyabban csillapították a búza fotoszintézis rendszer egyes génjeinek kifejeződését, mint természetes szerkezetű párjaik.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célunk, hogy az antiszensz oligonukleotidokat a nö vénygenomikai kutatások általánosan használható, hatékony eszközévé tegyük. Újabb kémiai módosítások beépítésével vizsgáljuk a célzott mutációkeltés lehetőségeit. Módszerünk ily módon lehetővé teheti a kutatott gének szelektív, reverzibilis avagy irreverzibilis csillapítását, és hozzájárulhat az adott gén élettani szerepének megállapításához. Az új genomikai ismeretek a haszonnövények nemesítésében találnak közvetlen és gyors gyakorlati alkalmazásra.

92

A/ fluoreszcens jelöléssel ellátott oligonukleotid felvétele búzalevélen B/ fotoszintézis gátlás antiszensz oligonukleotiddal búzalevélen

Témavezető:

Dr. Dudits Dénes Tel.: 62-599-671 E-mail: [email protected]

Növénybiológia

Sejtosztódási És Stressz Adaptációs Csoport

A GAZDASÁGI NÖVÉNYEK SZERVEINEK MÉRETÉT BEFOLYÁSOLÓ GÉNVARIÁNSOK AZONOSÍTÁSA ÉS MŰKÖDÉSÜK JELLEMZÉSE Termesztett növényeink gazdasági értéke lényegében az életciklus során kialakuló vegetatív és generatív szervek felépítésétől, morfológiai és beltartalmi jellemzőitől függ. A szervek kialakulásában meghatározó szerepe van a sejtek osztódásának, megnyúlásának és a differenciálódási funkciók megvalósulásának. Modellnövényekkel, elsősorban a lúdfűvel (Arabidopsis thaliana) végzett kutatások lényeges információkkal szolgálnak a gyökér szerveződését, a hajtásmerisztémák differenciálódását, a növény morfológiáját, az ivarszervek kialakulását és a megtermékenyítést követő magképződést meghatározó génekről, fehérjékről. Mindinkább ismertté válnak ezen funkciók kedvezőtlen környezeti feltételek között megváltozott működésének molekuláris alapjai. A tervezett projekt központi problematikája az, hogy miként adaptálhatók a modellnövényekkel kapott ismeretek a gabonafélékre. A sejtosztódási ciklus szabályozásával foglalkozó korábbi kutatásaink folytatásaként árpa és rizs genotípusok bevonásával a szervek növekedését befolyásoló allélvariánsok hatását kívánjuk vizsgálni új metodikai fejlesztésekkel.

pesek ozmotikus stressz vagy vízhiány esetén. Ezen fajták bevonásával meghatározzuk azon sejtciklus-, illetve fejlődési gének körét, amelyek szerkezete vagy működési jellemzői összefüggésbe hozhatók kedvező növekedési paraméterekkel akár optimális, akár stresszelt nevelési feltételek között. A jelölt gének allélvariánsainak azonosítására az Eco-TILLING és szekvenálási módszereket használjuk. Szemben a stabil transzformánsokra alapozott génfunkciós vizsgálatokkal, az irodalmi adatok szerint az átmenetileg működtetett, ún. tranziens génkifejeztetés alkalmas a biológiai hatás értékelésére. Mind a génbelövés módszere, mind az Agrobacterium fertőzés lehetőséget ad új génfunkciós vizsgálati rendszer kidolgozására, amely a gyökérsejtek osztódására kifejtett hatást értékeli DNS-szintézis, illetve citológiai markerek alapján.

EdU

DAPI

1. A gyökérzet méretét, növekedési ütemét meghatározó gének és azok allélvariásainak azonosítása, illetve tranziens hatásvizsgálati rendszer kidolgozása Mind árpa, mind rizs fajtagyűjteményekben azonosíthatók olyan genotípusok, amelyek gyökerében a csúcsi és oldalmerisztémák sejtjei osztódásra ké-

1. Ábra: A DNS-t szintetizáló sejtek azonosítása 5-etil-2’-dezoxiuridin (EdU) beépüléssel (zöld szín) árpa csíranövény gyökércsúcsában. A sejtmagok festése DAPI (diamidino-2-fenilindol) (piros szín) Ferhan Ayaydin és Cseri András kísérlete

93

Növénybiológia

Sejtosztódási És Stressz Adaptációs Csoport

A csatolt ábra az 5-etil-2’-dezoxiuridin (EdU) beépülését követően mutatja a DNS-szintézis fázisában lévő sejteket az árpa gyökércsúcsi merisztémájában. Ennek a témának a kutatását együttműködésben végezzük Ferhan Ayaydinnal (Mikroszkópos Sejtanalízis Laboratórium) és Pauk Jánossal (Gabonak utató Kft.). 2. Sejtosztódási és szervfejlődési gének allélvariánsainak előállítása molekuláris mutagenezis módszerével A mutációs nemesítés nagy hagyományokkal rendelkezik és jelentős számban eredményezett új fajtákat, amelyek termesztése gazdasági haszonnal jár. A kémiai mutagénekkel és sugárzással indukált mutációk teljesen véletlenszerűen változtatják meg ismeretlen gének, kromoszómarégiók szerkezetét, és így nagyszámú egyed fenotípusos jellemzésére van szükség ahhoz, hogy a keresett génmutációt, variánst meg lehessen találni. Egy adott gént megjelenítő DNS-molekula nukleotidsorrendjének céltudatos módosítását teszi lehetővé a molekuláris mutagenezis, amikor ún. LNA (locked nucleic acid) kémiailag módosított nukleotidokat tartalmazó hibrid oligonukleotidokat jutattunk a növényi sejtekbe. A megszintetizált oligonukleotid egyrészt homológ a módosítani kívánt gén szekvenciájával, másrészt új szekvenciaelemet is tartalmaz a gén irányított megváltoztatása érdekében. Ez a molekula a DNS-replikáció során integrá-

94

lódik a homológ génszakaszba, és kialakítja a kívánt genetikai kódot. Ennek a technológiának a kidolgozása növények mutációinak létrehozására kezdeti fázisban van. Ezért a jelen projekt elsődlegesen az alkalmazhatóságot teszteli gabonafélék esetében. Az oligonukleotidok szintézisére Bottka Sándor közreműködésével kerül sor. Egy szelekciós előnyt biztosító gén felhasználásával optimalizáljuk a molekulák bevitelét protoplasztokba vagy sejtekbe. Az integrálódást elősegítő megoldásokat is keresünk. A sejtosztódási folyamatok befolyásolására a kinázfehérjék aktivitásának kikapcsolását, illetve fokozását eredményező mutánsok létrehozását tervezzük. A gén szekvenciájába épített stop kód a géntermék hiányához vezethet. Ennek a technológiának kiemelt jelentőséget biztosít, hogy a mutánsok nem tekintendők GM szervezeteknek a jelenlegi EU szabályozás szerint.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A jelen projekt elsődlegesen a gabonafélék tulajdonságait javító gének, anyagcsereutak felderítését tekinti céljának. A sejtosztódási és fejlődési gének ismeretében kerülhet sor a növénynemesítési felhasználásra. Kiemelten fontosnak tartjuk a szárazsághoz történő alkalmazkodás molekuláris hátterének megismerését és a vízhasznosítás javítását megalapozó fejlesztéseket. Hosszabb távon a jellemzett gének felhasználhatók a növényi zöldtömeg-, biomassza-termelés hatékonyságának javításához.

Témavezető:

Dr. Magyar Zoltán Tel.: 62-599-498 E-mail: [email protected]

Növénybiológia

A Növényi Növekedés Molekuláris Szabályozása Csoport

A növényi növekedés szabályozásában résztvevő molekuláris folyamatok megértése és hasznosítása A növényi fejlődés és növekedés lényegesen eltér az állatokétól, mégis mind a növényi, mind pedig az állati egyedek mérete fajra jellemzően alakul ki, és a genetikai program által irányítottan történik generációról generációra. A környezeti változások jelentősen befolyásolhatják a növekedés mértékét. Különösen igaz ez a növényekre, amelyek érzékenyen, növekedésük mértékének a megváltoztatásával alkalmazkodnak a külső feltételekhez. Éppen ezért a növényi növekedést meghatározó molekuláris szabályozási rendszerek megértése nem csak tudományos, hanem gyakorlati szempontból is korunk egyik legizgalmasabb növénybiológiai problémája. Kutatásaink középpontjában olyan gének állnak, amelyek a növekedés két alapvető folyamatát, a sejtosztódást és a sejtmegnyúlást szabályozzák. Lényegében ennek a két fő folyamatnak az egyensúlya határozza meg a növények, illetve szerveik növekedésének a mértékét (ábra). A jelenleg fennálló modell alapján az egyensúly molekuláris szabályozásában egy, az evolúció során konzerválódott mechanizmus játszik kulcsszerepet, amelyet a benne résztvevő szabályozó elemekről E2F-RB-nek neveztek el. A Retinoblasztoma (RB) az első rákos sejtburjánzást gátló gén volt, amelyet emlős sejtekből izoláltak, míg az E2F (adenovírus E2 faktor) transzkripciós faktort az RB-vel komplexet formáló képessége alapján azonosították. Napjainkra világossá vált, hogy az E2F-RB szabályozási mechanizmus nemcsak a sejtosztódásban, hanem a differenciálódásban és a sejthalálban résztvevő szabályozó géneket is kontrollálja. Ezzel összhangban az E2F-RB komplexek olyan transzkripcionális szabályozási egységeknek tekinthetők, amelyek a fejlődési stádiumtól és a környezeti változásoktól függően számtalan gén működését képesek mind pozitív, mind pedig negatív értelemben

szabályozni. Az E2F-RB szabályozási mechanizmusa meglepően jól konzerválódott a növényekben is, így a molekuláris növénybiológiai kutatások modellnövényében, az Arabidopsis thaliana-ban, egyetlen RBrokon fehérje van (RBR1), amely három E2F-fel képes komplexet alkotni (E2FA, E2FB és E2FC). Ezeknek a géneknek a funkcionális és genetikai analízise alapján a növényi E2F-RB szabályozási mechanizmus is a sejtosztódás és a differenciálódás közötti egyensúlyt koordinálja. Kezdeti eredményeink arra engednek következtetni, hogy a három E2F-nek egymástól eltérő funkciója is van, valamint működésükben az RBR1 meghatározó szerepet játszik. Kutatásaink révén a következő, főbb kérdésekre keressük a válaszokat: 1. A növényi szervek fejlődése során a különböző RBR1-E2F komplexek milyen géneket szabályoznak? 2. Milyen molekuláris mechanizmus révén szabályozzák az E2F-RBR1 komplexek a gének kifejeződését? 95

Növénybiológia

A Növényi Növekedés Molekuláris Szabályozása Csoport

3. A környezeti változások hogyan és milyen jelátviteli csatornákon keresztül befolyásolják az E2FRB szabályozási mechanizmus működését? Kísérleti rendszerként az Arabidopsis növények első levélpárját vizsgáljuk a fejlődés különböző stádiumaiból. Sikerült olyan E2F-RBR1 transzgenikus Arabidopsis vonalakat létrehozni, amelyek segítségével lehetővé válik a célgének meghatározása egy modern, érzékeny és pontos, a teljes genomi célszekvencia meghatározására alkalmas módszerrel, amely a kromatin immunoprecipitálási eljáráson alapszik DNS szekvencálással kombinálva. Tömegspektrometriás mérések segítségével szeretnénk megtudni, milyen más komponensei lehetnek az E2F-RBR1 fehérjekomplexeknek, hogy megérthessük, vajon a növényi E2F és RBR fehérjék is a kromatin szerkezetét befolyásolva szabályozzák-e a gének kifejeződését, akárcsak állati megfelelőik. A legmodernebb tömegspektrometriás műszerek segítségével azonosítani szeretnénk azokat a fehérje szintű változásokat is, amelyek az E2F és RBR1 fehérjéken következnek be a környezeti stresszhelyzetek hatására. Csoportunk számos kutatócsoporttal szoros együttműködést ápol, így a Bögre László által vezetett kutatócsoporttal (Royal Holloway Egyetem, London), akikkel együttműködve a proteomikai analíziseket végezzük a rendelkezésükre álló, legmodernebb tömegspektrometriás készülékek segítségével. Dirk Inzé és Lieven De Veylder csoportjaival (Gent Egyetem, Belgium), az E2F-ek funkcionális jellemzése témán, valamint Ben Scheres csoportjával (Utrecht

96

Egyetem, Hollandia) az RBR1 gén szerepének a tisztázásán működünk együtt.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az Arabidopsis mellett, de hasonló megközelítéssel szeretnénk azonosítani a gabonanövények növekedését szabályozó elemeket. A növények növekedését szabályozó alapfolyamatok jobb megismerésével lehetőségünk nyílik kedvezően befolyásolni gazdaságilag fontos növények növekedését.

A növényi szervek méretét meghatározó szabályozási mechanizmusok. (a) A levél, mint növényi szerv fejlődése két fő szakaszból áll; a sejtosztódási szakaszból, valamint az ezt követő sejtmegnyúlási-differenciálódási fázisból. A differenciálódás a levél csúcsától a levél alapja felé halad (basipetalis gradiens), amelyet az ábrán a nagyobb sejt (cella) méret és a sötétebb zöld színárnyalat reprezentál. Az osztódást indukáló jeleket a piros nyíl, míg a differenciálódást stimuláló és az osztódást leállító mechanizmusokat a fekete nyíl jelzi. (b,c) Nagyobb levél jön létre (b) ha az osztódási jel erősebb (rövidebb idő alatt többet osztódnak a sejtek), illetve (c) ha az osztódási fázis hosszabb ideig tart. Mind a két esetben több sejt keletkezik, de az ezt meghatározó mechanizmusok eltérőek.

Témavezető:

Dr. Fehér Attila


Növénybiológia

Funkcionális Sejtbiológia Csoport

A NÖVÉNYI EGYEDFEJLŐDÉS SZABÁLYOZÁSÁNAK SAJÁTOSSÁGAI Az állatok és a növények életmódja, szószerint értve is, „gyökeresen” eltér. Míg az állatok képesek aktív helyváltoztatásra, addig a növények helyhez kötött életmódot folytatnak. Ennek köszönhető, hogy a növények szervezete állandóan alakul, változik. Hogyan lehetséges ez? Úgy, hogy a növények olyan speciális sejtcsoportokat tartanak fenn, amelyek megtartják osztódó (szaporodó) képességüket. Ezek a sejtcsoportok az úgynevezett merisztémák („rügyek”). De nemcsak a merisztémákban csoportosuló növényi sejtek képesek osztódni, hanem szinte bármelyik növényi sejt osztódásra bírható, sőt belőlük akár a teljes növény újra felnevelhető. Ennek az alapja a növények egyedfejlődésének rendkívül rugalmas szabályozása. Kutatócsoportunkban néhány olyan molekuláris folyamatot vizsgálunk, amelyek a környezeti hatások és a növényi egyedfejlődés közötti rugalmas kapcsolatot biztosítják. Ide tartoznak például a „receptor kináz” molekulák, amelyek a sejt környezetéből érkező jeleket a sejten belül érzékelhető és továbbítható jellé alakítják oly módon, hogy bizonyos célfehérjékre foszfor csoportot kapcsolnak, így megváltoztatva azok szerkezetét és funkcióját, illetve egyes „GTPkötő” fehérjék, amelyek molekuláris kapcsolóként kibe kapcsolják a sejtekben a jelátviteli folyamatokat. Elsősorban azokat a „kináz” és „GTPáz” fehérjéket vizsgáljuk, melyek a sejtek, és végső soron a növény alakjának meghatározásában vesznek részt. A környezetből érkező és az egyedfejlődést szabályozó jelek végső soron gének működését befolyásolják. A fehérjék által beburkolt DNS molekulá-

kon („kromatin”) elhelyezkedő gének azonban nem egyformán hozzáférhetőek a szabályozó faktorok számára. Ezt a DNS becsomagoltságának mértéke („kromatin szerveződés”) szabályozza. A „kromatin” szerveződésének szabályozásában szerepet játszó egyes növényi fehérjék így szintén a vizsgálataink középpontjában állnak.

Növényi ROP GTPáz-kapcsolt jelátviteli modell

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Ezek az ismeretek hozzájárulhatnak olyan új növényfajták nemesítéséhez (akár hagyományos, akár géntechnológiai módszerekkel), amelyek fejlődése, alakja jobban megfelel az emberi céloknak. Az egyik általunk vizsgált fehérje szintjének mesterséges megemelése pl. mintegy 15–20%-os termésnövekedést eredményezett rizs növényekben laboratóriumi és szántóföldi kísérletekben egyaránt. Az eljárást nemzetközi szabadalom védi. A jövőben kutatásainkat ki kívánjuk terjeszteni rózsára, ezenbelül elsősorban a tövis, illetve virágfejlődés szabályozásában résztvevő gének vizsgálatára. 97

Növénybiológia 98

Funkcionális Sejtbiológia Csoport Témavezető:

Dr. Fehér Attila

MEGTERMÉKENYÍTÉS ÉS EMBRIÓFEJLŐDÉS NÖVÉNYEKBEN Az állati szervezetekben a sejtek sorsa „eleve elrendeltetett” az egyedfejlődési program által megszabott módon. Csak bizonyos, a szervezet által megkövetelt funkciók ellátására képesek. Ez alól csak néhány sejttípus a kivétel. A növények testi sejtjei azonban átprogramozhatóak. Érdekes módon, nemcsak a növények helyhez kötöttek, hanem maguk a sejtjeik is. Míg az állati sejtek egy része képes arra, hogy a szervezeten belül vándorolva jusson el arra a helyre, ahol működésére szükség van, illetve ahol az egyedfejlődési program szerint egy meghatározott sejttípussá kell alakulnia („differenciálódnia”), addig a növényi sejtek szilárd sejtfala megakadályoz mindenfajta helyváltoztatást. A növényi sejteknek, akárcsak a növények egészének, ott kell élniük vagy halniuk, ahol létrejöttek. Ezzel is magyarázható, hogy a növényi sejteknek átprogramozhatóaknak kell maradniuk. Ha a növény például sérülést szenved, a megmaradó sejteknek kell a sebzésre válaszolniuk, akár funkciójuk teljes megváltoztatásával is. Ennek talán a legközismertebb példája a dugványokkal való szaporítás. Ha egy ágat levágva vízbe vagy nedves földbe dugunk, az ág alján lévő sejtek megváltoztatják „sorsukat”, osztódni kezdenek és ágsejtekből gyökérsejtekké válnak. Ez a példa jól szemlélteti, hogy a növények esetében a sejtek sorsa rugalmasan változtatható. Az ebben a tekintetben talán legmeggyőzőbb bizonyítékok az ún. „apomixis” illetve a „szomatikus embriogenezis”. Az állatok esetében embrió kizárólag a megtermékenyített petesejtből fejlődhet. A növényeknél nincs ilyen egyértelmű korlát. A legkülönbözőbb növénycsaládokhoz tartozó, több mint 350 növényfaj esetében írták le, hogy megtermékenyítés nélkül is képesek embriót tartalmazó magot létrehozni, amelyből utódok is fejlődnek. Ez az „apomixis” jelensége, amely tehát egyáltalán nem tekinthető ritkának a növények között. Egyes növényfajok pedig ún. „elevenszülők”, azaz testükön, pl. a leveleik szélén embriókat hoznak létre, melyek még ott növénykévé fejlődnek, majd lehullva a talajra új egyeddé válnak. Ez a testi (szomatikus) sejtekből kiinduló embriófejlődés („embriogenezis”). Ez a jelenség sok növényfaj esetében

mesterségesen kiváltható tenyésztett sejtekben. Természetesen az „apomixis” és „szomatikus embriogenezis” eredményeként létrejött utódok a szülő tökéletes genetikai másolatai, azaz ezek a növények „klónozzák” önmagukat. A növényeknél a „genetikai klónozás” természetes folyamat, amit az ember is kihasznál a növények vegetatív szaporításán keresztül (lásd pl. burgonya). Laboratóriumunkban azokat a molekuláris és fiziológiai változásokat próbáljuk meg feltárni, amelyek közösek a szomatikus embriogenezis kiváltása és a megtermékenyítés között. Együttműködő partnerünk az MTA Mezőgazdasági Kutatóintézete (Prof. Dr. Barnabás Beáta, Martonvásár).

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Nagyon sok termesztett növényfaj (pl. a gabonafélék) termésmennyisége a megtermékenyítés sikerességén múlik. Ezért ennek a folyamatnak a megismerése elsőrendű fontosságú. Az embriófejlődés első lépéseinek ismerete hozzájárulhat az „apomixis” molekuláris hátterének feltárásához. Az „apomixis” jelenségének kiterjesztése gazdaságilag jelentős növényfajokra lehetővé tenné a kiváló egyedek gyors felszaporítását, a fajták (hibridek) magjainak évről évre való visszavethetőségét. A „szomatikus embriogenezis” széleskörű alkalmazása hasonló előnyökkel kecsegtet a növények in vitro (kémcsőben) való felszaporításán keresztül („mesterséges mag”).

Osztódó, szomatikus embriogenezisre képes lucerna testi sejt és megtermékenyített kukorica petesejt (zigóta) morfológiai hasonlósága

Témavezető:

Dr. Szabados László Tel.: 62-599-715 E-mail: [email protected]

Növénybiológia

Arabidopsis Molekuláris Genetikai Csoport

A só- és szárazságtűrést befolyásoló gének azonosítása és jellemzése A munkánk célja olyan, eddig még nem, vagy kevésbé ismert gének azonosítása és jellemzése, amelyek valamilyen módon szabályozzák a szárazság és só (szikesedés) tűrést. Egy új molekuláris genetikai módszert dolgoztunk ki, amellyel véletlenszerűen nagyszámú gént tudunk egyik növényből a másikba vinni, és tesztelni. A munkánkhoz elsősorban a növénybiológiában modellnövénynek számító Arabidopsis thaliana-t (lúdfű) használjuk. A megnövekedett sórezisztenciát vagy eltérő abszcizinsav (ABA) érzékenységet mutató növényekből egyszerű módszerrel izoláljuk a beültetett gént, amit molekuláris és genetikai eszközökkel jellemzünk. A módszer lehetőséget ad arra is, hogy szárazságtűrő vagy magas sótűréssel rendelkező növényfajokban találjuk meg azokat a kivételesen fontos géneket, amik ezen fajok stressztűréséhez elengedhetetlenek. Ilyen például a sziki zsázsa nevű, az alföldi szikeseken élő, vagy a Thellungiella nevű, Kínából származó keresztes virágú sótűrő növény. A munkánk eredményeként több, a környezeti stresszválaszt, illetve ABA jelátvitelt befolyásoló gént izoláltunk, amelyek jellemzése folyamatban van. Egy transzkripciós faktort kódoló gén a csírázáskor módosítja a növényke ABA érzékenységét, ami fontos a korai fejlődés szabályozása, és a csíranövény szárazságtűrése szempontjából. Ez a transzkripciós faktor befolyásolja a fény szerepét, valamit az ABA és a gibberelin kölcsönhatását a csírázás során. A stressztűrés szempontjából egy, feltételezhetően RNS kötéssel rendelkező fehérjét kódoló gén fel-

fedezése a legígéretesebb. A gén túltermelése megemeli a csíranövények sótűrését, és lehetővé teszi a növénykék túlélését a kedvezőtlen körülmények között az egyedfejlődés korai, kritikus stádiumában.

Magas só jelenlétében növekedő, sórezisztenciát mutató Arabidopsis csíranövény a vad típusú, átlagos érzékenységgel rendelkező, kifehéredett és elpusztult csíranövények között. A sórezisztenciát egy eddig ismeretlen működésű transzkripciós faktor okozza, amit laboratóriumunkban azonosítottunk.

Egy speciális szelekciós rendszert alkalmazva olyan szabályozó géneket is azonosítottunk, amelyek stressz által szabályozott lumineszc enciát kibocsájtó riporter géneket tudnak aktiválni. Az egyik ilyen transzk ripciós faktor család közvetlenül szabályozza a lúdfű alkohol dehidrogenáz génjének működését, és fontos eleme az etilén jelátviteli rendszernek. A módszer segítségével célzottan lehet speciális jelátviteli utak szabályozó elemeit azonosítani, jellemezni. 99

Növénybiológia


A RAP2.12 transzkripciós faktor aktiválja az alkohol dehidrogenáz – luciferáz gént. A csíranövényeket (felső panel) érzékeny CCD kamerával vizsgálva detektáhatjuk a megemelkedett luciferáz aktivitásra jellemző fénykibocsájtást (alsó panel).

A halofita Thellungiella fajból eddig három olyan gént sikerült azonosítani, amelyek a tesztnövénybe ültetve azok megnövekedett sótűréséhez vezettek. A legígéretesebb ezek közül egy, a fehérjeszintézist szabályozó, eddig kevésbé ismert faktor. A Thellungiella gén a tesztnövényként használt lúdfűbe ültetve mind a csírázáskor, mind a korai növényfejlődés során magasabb sótűrést erdményezett.

bizonyítani, akkor az adott gén más növényfajba is beültethető lesz. Alternatív lehetőségként egy haszonnövényben molekuláris markerekkel lehet azonosítani a kérdéses gént, és a modellnövényben jellemzett génhez hasonló változatot keresni. Mivel az olajrepce (Brassica oleracea) a lúdfű és a Thellungiella közeli rokona, feltételezzük, hogy a kutatási eredmények jó eséllyel alkalmazhatók a repce nemesítésénél is. Azok a gének, amelyek egy modell fajban segítik a környezeti stresszel szembeni ellenállóképességet, valószínűleg a termesztett rokon növényfaj stressztoleranciáját is megnövelik. Idővel más, megfelelő genetikai és nemesítési háttérrel rendelkező haszonnövényt is be lehet vonni a kísérletekbe. Mivel a haszonnövények módosítása, nemesítése meghaladja a kapacitásainkat, ezért az ilyen munkákhoz több kooperációs partnerrel is együttműködünk.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Az általunk azonosított géneket jelenleg a modellnövényként használt lúdfűben teszteljük. Amen�nyiben sikerül egy adott gén pozitív hatását be-

100

Stressztűrő, illetve modellnövényből származó gének felhasználása a repce stressztűrő képességének javítása céljából.

Témavezető:

Dr. Szabados László

Növénybiológia


A prolin és a szárazságtűrés A szárazság és a szikesedés prolin-felhalmozódással jár a virágos növényekben. Az elmúlt évek során Arabidopsisból izoláltuk a prolin bioszintézisét meghatározó P5CS1 és P5CS2 géneket, és tanulmányoztuk a génműködés szabályozásának különböző aspektusait. Megállapítottuk, hogy a két P5CS gén meglehetősen eltérő szabályozás alatt áll. A P5CS1 gén aktivitása a szárazság- vagy sóstressz során sokszorosára nő, és ezt az indukciót többféle növényi hormon, például az abszcizinsav (ABA) ellenőrzi. A P5CS2 gén működése inkább folyamatos jellegű, de bizonyos bakteriális fertőzésekre ez a gén is reagál. A normális génműködést megakadályozó mutánsok segítségével bebizonyítottuk, hogy a P5CS1 gén jelenléte fontos a szárazság során megfigyelhető prolin felhalmozódásáért, míg a P5CS2 gén a normális életműködéshez elengedhetetlen, mivel mutációja az embrió, illetve a fejlődő magvak elhalásához vezet. A p5cs1 mutánsok szárazság- és sóérzékenyek, fokozott sejtkárosodás jellemző rájuk. Sóstressz esetén a prolinhiányos mutánsok fotoszintetikus aktivitása lecsökkent, a reaktív oxigénfajták fokozottan károsították a sejteket. A mutánsok mellett olyan növényeket is létrehoztunk, amelyekben a prolin koncentrációja magasabb a normális növényekénél. Az ilyen növények némileg megnövekedett só- és szárazság-ellenállóképességet mutattak. Kísérleteink bizonyították, hogy a prolin-felhalmozódás igen fontos a megfelelő szárazságtűrés, illetve a szikes talajokon a növény túlélése szempontjából. A P5CS fehérjék sejten belüli lokalizációjának vizsgálatához egy zöld fluoreszcenciát mutató, mikroszkópban megfigyelhető fehérjét (GFP) kapcsoltunk a P5CS fehérjékhez, és azokat lúdfűben kifejeztettük. Lézermikroszkópos vizsgálataink kimutatták, hogy

a P5CS fehérjék jelen vannak a gyökérben, levélben, virágban, illetve az embriókban is. A levélsejtekben mindkét fehérje elsősorban a citoplazmában látható, de a sejten belül a sejt állapotától függően vándorolnak a sejtplazmába vagy a zöld kloroplasztokba.

A prolin bioszintézist szabályozó, zöld fluoreszcens proteinnel (GFP) jelölt P5CS enzimek felhalmozódása a virágbimbóban, virágban, portokban és embrióban.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Célzottan megemelt, és megfelelő módon szabályozott prolin-felhalmozódás a só- és szárazságtűrés növekedését eredményezheti. Ehhez mind a bioszintetikus, mind a lebomlást szabályozó géneket, enzimeket módosítani kell, és lehetővé tenni, hogy csak megfelelő körülmények között kapcsoljon be a prolin-felhalmozó biokémiai mechanizmus. 101

Növénybiológia


Témavezető:

Dr. Szabados László

A mitokondriális folyamatok szerepe a növényi stresszválaszban Az Arabidopsis T-DNS inszerciós mutagenezis programunkban azonosítottunk egy lassan növő, többféle környezeti stresszre fokozott érzékenységet mutató mutánst. A T-DNS inszerció ebben az esetben a PPR40 génbe épült be, ami egy mitokondriális PPR típusú fehérjét kódol. A megnövekedett hidrogénperoxid- és prolintartalom, a magasabb oxidatív károsodás arra utalt, hogy a mutáció a stresszválaszt befolyásoló metabolikus szabályozási rendszert változtatja meg. Kimutattuk, hogy a mutánsban a mitokondriális elektront ranszport hatékonysága visszesik. A légzési lánc III. komplexéhez kapcsolódó PPR40 fehérje eredményeink szerint fontos a légzés, valamint az oxidatív foszforiláció fenntartása szempontjából. Míg a ppr40 mutáns fokozott stresszérzékenységet mutatott, a PPR40 fehérjét túltermelő transzgenikus vonalak a vadtípusúhoz képest magasabb só és ozmotikus stresszel szembeni ellenállóképességgel rendelkeztek.

102

A Col-0 vadtípusú növényekhez képest fokozott oxidatív stressz érzékenységet mutató ppr40-1 mutánsok csírázása és növekedése.

Eredményeink alapján kijelenthetjük, hogy a stresszválasz élettani szabályozásában központi szerepe van a mitokondriális folyamatoknak. A PPR40 fehérje a mitokondriális elektrontranszportlánc stabilizálásával fontos eleme a stresszválaszt szabályozó mitokondriális folyamatoknak.

Központi Laboratóriumok 6726 Szeged, Temesvári krt. 62. 6701 Szeged, Pf. 521.

Központi laboratóriumok

SZBK

103


Funkcionális Genomikai Csoport

Témavezető:

Dr. Puskás László Tel.: 62-599-782 E-mail: [email protected]

FEHÉRJECSIPEK Munkánk során olyan fehérje microarrayeket vagy más néven fehérjecsipeket használtunk, illetve fejlesztettünk ki, amelyek különböző antitesteket tartalmaztak felülethez rögzítve. Az antitest microarrayek során a szilárd hordozóhoz kötött antitestek „fogják ki” a vizsgált mintából preparált, majd fluoreszcensen jelölt fehérjéket. Ezzel a technikával lehetőség nyílik egyrész több száz különböző fehérje kifejeződésének vizsgálatára, másrészt több fehérje másodlagos módosításainak elemzésére is. Egy fehérjecsip tulajdonképpen több száz Western-blot (illetve dot-blot) kísérletnek felel meg. A fehérjecsipekkel különböző tüdőtumorok (nem kis-sejtes tüdőkarcinóma, 1. és 2. stádiumok) proteo mikai jellemzését végeztük el forgalomban lévő szignáltranszdukciós csippel. A fehérjék teljes kinyerését a leírt protokollok alapján végeztük el, azonban a jelölést optimalizáltuk. Ezzel a módosítással lehetőség van kisebb fehérjemennyiség jelölésére és annak fehérje-csipes elemzésére is. A jelölt fehérjéket a gyári lemezen inkubáltuk, mostuk, szárítottuk. A konfokális lézerszkennerrel történő leolvasás után kapott képet a mellékelt ábra szemlélteti. Mivel a gyári csipek csak korlátozott számú fehérjének az analízisét teszik lehetővé, célzott szűrést nem tudunk végrehajtani, és a magas költségek miatt csak kis számú minta analízisére van mód, ezért szükség van saját gyártókapacitás létrehozására. Ehhez első lépésben a fehérjecsipek gyártásának körülményeit kellett optimalizálnunk.

104

Sikerült a körülményeket úgy beállítanunk (megfelelő szilárd hordozó, mintafelvevő puffer, pára és hőmérséklet optimális megválasztásával), hogy már viszonylag kis mennyiségű fehérjék analízisét is el tudtuk végezni az általunk létrehozott fehérje-csippel. Monoklonális és poliklonális antitestek kikötését és kötőképességét is teszteltük.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A fehérjecsipek alkalmazásának legnagyobb korlátja a rendelkezésre álló jó minőségű és nagy számú antitest. Mivel az alaptechnika (a fehérje-csipek készítése) és a hozzátartozó know-how rendelkezésünkre áll a megfelelő műszerekkel (csip-készítő robot, csipleolvasó lézerszkenner) együtt, a továbbfejlesztés az antitestek beszerzése és jellemzése lenne. Felhasználási terület: alapkutatás molekuláris biológiai laboratóriumok számára, diagnosztikai alkalmazás klinikák számára, diagnosztikai és kutatási alkalmazás gyógyszerkutató gyárak és cégek számára.

Témavezető:

Dr. Medzihradszky F. Katalin Tel.: 62-599-773 E-mail: [email protected]

FEHÉRJE-ANALITIKA tÖMEGSPEKTROMETRIÁVAL A proteomika az egyik legizgalmasabb és legdinamikusabban fejlődő kutatási terület napjainkban. Miután a befejezett genom-szekvenciák rengeteg kérdésre nem adtak választ, világszerte gombamódra szaporodnak a jól felszerelt proteomikai központok, amelyek a legkülönbözőbb módszerekkel frakcionált, tisztított fehérjék analízisével remélnek választ adni olyan fontos kérdésekre, hogy pl. milyen fehérjék, milyen mennyiségben, milyen poszt-transzlációs módosításokkal vannak jelen bizonyos sejtekben; egy adott sejtben bizonyos fázisokban; mely fehérjék képeznek együttműködő hálózatot, s ezek kölcsönhatása hogyan szabályozott stb. Ennek a kutatásnak egyik legfontosabb eszköze a tömegspektrometria, amely épp úgy alkalmas nagy érzékenységű fehérjeazonosításra, mint de novo szekvenálásra, poszttranszlációs módosítások jellemzésére, kovalens jelölések helyének és kémiai szerkezetének meghatározására, és így pl. egy fehérje térszerkezetének feltárására is.


Proteomikai Kutatócsoport

A biológiai mintaelőkészítést együttműködő partnereink végzik, a mi feladatunk az analitikai minta-előkészítés, a tömegspektrometriai mérések és az adatok kiértékelése. Természetesen foglalkozunk 1D- vagy 2D-gélelektroforézissel frakcionált fehérjék azonosításával is. Számos hazai kutatócsoport számára biztosítjuk a szükséges proteomikai hátteret. Dolgozunk diszulfid-hidak, proteolitikus hasítási helyek, foszforiláció, és ubiquitinálás jellemzésén is. Saját kutatási témánk: intraés extracelluláris O-glikoziláció tömegspektrometriás jellemzéséhez szükséges módszerfejlesztés.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás Kutatásainkhoz MALDI-TOF, ESI-ioncsapda és ESIQTOF tömegspektrométereket használunk. Ez a felállás lehetővé teszi egyszerűbb rendszerek fentebb vázolt jellemzését. A rendelkezésünkre álló műszerpark bővítése elengedhetetlen nagyobb volumenű és változatosságú proteomikai projektek bevezetéséhez.

105


Bioinformatikai Csoport

Témavezető:

Dr. Pongor Sándor Tel.: 62-599-766 E-mail: [email protected]

BIOLÓGIAI RENDSZEREK MODELLEZÉSE A modern biológiát az óriási adatmennyiségek és az ezeket szintetizálni igyekvő rendszerszintű – „rendszerbiológiai” – megközelítések egyszerre jellemzik. A genomok, gyógyszermolekulák vizsgálatánál keletkező óriási adathalmazok értelmezése, az új tudás kinyerése a bioinformatika feladata. Ugyanakkor mind a kutatás, mind az innováció számára fontosak a sejtek, a nagy molekuláris rendszerek viselkedését értelmező egyszerűsített rendszermodellek, amelyek révén megérthetjünk egyes komplexebb mechanizmusok alapvető logikáját. Csoportunk e két területtel foglalkozik, ezt a megközelítést nevezzük rendszerszemléletű bioinformatikának. A biológiai rendszerek ábrázolásának legáltalánosabb formája a hálózat, mint például a vegyületek szerkezeti képlete, vagy a teljes genomok szabályozási hálózata. A természetben található valamennyi szabályozási hálózat könnyen sebezhető többpontos gyenge támadásokkal, ami például magyarázza, miért előnyösebb a több, enyhe hatóanyagot alkalmazó kezelés az egyetlen hatóanyagot alkalmazó kezelésekkel szemben.

geket oly módon, ahogy arra az emberi látás is képes (együttműködő: Dr. Kovács Ilona, BME Kognitívtudományi Tanszéke).

Kommunikációs hálózatok

Kifejlesztettük a hálózatok evolúciójának matematikai modelljét. Az emberi mintázat észlelés területén ezt az idegi aktivitás terjedésének modellezésére használtuk, mely megragadja a folyamatos és megszakított, a nyílt és a zárt kontúrok közötti különbsé106

Az élő szervezetek közösségeiben az egyedek mindig kommunikálnak egymással. A baktériumok például kémiai jelzéseket használnak, ezen a nyelven „beszélnek” egymással például a bélflóra, a polimikrobiális betegségeket okozó baktériumfajok, illetve a tengerfenék néha országnyi területeit borító mikrobiális szőnyegek sejtjei. Viselkedésüket ily módon koordinálják, érzékelik, hogy elegendő számban vannak jelen egy feladat elvégzéséhez.

Kooperáló baktériumok

Nyugvó kolónia

Kooperáció (rajzás)

Összeomlás



A szabadban élő baktériumközösségek ugyanakkor védekeznek is, képesek lokalizálni a bajt (együttműködő: Dr. V. Venturi, ICGEB, Trieste). Ezek a tapasztalatok felhasználhatóak fertőzések elleni kezelések tervezésénél, de magyarázzák azt is, miért olyan meglepően stabilisak környezetünk baktériumközösségei. Terveink között szerepel a bakteriális kommunikáció genomszintű vizsgálata is.

Kommunikációs hálózataikat azonban megzavarhatják más baktériumok vagy ártalmas mutációk. A baktériumközösségeket, akárcsak az emberi társadalmakat, jellemzi a kommunikáció, az együttműködés és a versengés egyensúlya. Kimutattuk, hogy a közösségek jól tűrik a kooperáló, de nem-kommunikáló egyedeket, ugyanakkor a nem-kooperáló, csak a közösség erőforrásait fogyasztó „csaló” sejtek hatására a közösség összeomlik.

Proteomika és gyógyszercélpont-keresés A nagy adatbázisok kezelése a bioinformatika alapfeladata. Olyan eljárásokat igyekszünk kifejleszteni, amelyek kombinálják az emberi tudásábrázolás és intuíció alapelemeit a számítógépek gyorsaságával. Alapvető megközelítésünk az asszociációs hálózatokon való bolyongási feladatok megoldása, alkalmazási területeink a proteomikai adatgyűjtés, illetve a gyógyszercélpontok azonosítása, a génprioritizáció.

107



Témavezető:

Dr. Hegedűs Zoltán Tel.: 62-599-766 E-mail: [email protected]

GÉNCSALÁDOK FUNKCIONÁLIS ANNOTÁCIÓJA A csoport hosszabb ideje foglalkozik különböző géncsaládok szisztematikus bioinformatikai jellemzésére alkalmas adatfeldolgozási és adatbányászati munkafolyamatok kifejlesztésével. Az elmúlt időszakban

értékes új információkat sikerült kinyerni a gyulladásos folyamatokban fontos szerepet játszó Tribbles molekula család evolúciójával és molekuláris működésével kapcsolatban.

Genom-informatika A csoport munkatársai a Szegedi Egyetem Genetika Tanszékével és a Zenon Bio Kft.-vel közösen részt vesznek a biológiai kutatás szempontjából nagyon fontos modellorganizmus, a zebrahal funkcionális genomikai vizsgálatában. A kutatás célja a rákos folyamatok, illetve az ellenük kialakuló immunválasz

108

génjeinek azonosítása. Komplex adatháztartási rendszert fejlesztettünk a genomika tudományát forradalmasító új generációs szekvenálási eljárással végzett transzkriptóma vizsgálatok adatainak tárolására és bioinformatikai kiértékelésére.

Témavezető:

Dr. Ferhan Ayaydin Tel.: 62-599-665 E-mail: [email protected]

MIKROSZKÓPOS KÉPFELDOLGOZÁS ÉS A SEJTOSZTÓDÁS MIKROSZKÓPOS ELEMZÉSE Egyetlen kép, tartja a mondás, ezer szóval felér. Az új mikroszkópiás technikák kifejlesztésének köszönhetően napjaink biológiai és orvosi kutatása egyre inkább függővé vált a mikroszkópos képanalízistől. Ezek a technikák lehetővé teszik szinte bármelyik molekula, annak specifikus jelölése mellett, funkciójának közvetlen analízisét élő sejtekben, élőlényekben. Mindezen új fejlesztések egyedi módon teszik lehetővé az alapvető sejtfolyamatok bonyolult tér-idő dinamikájának direkt megjelenítését és vizsgálatát. Laboratóriumunk egyik célja, hogy a legújabb optikai képalkotó technikák bevezetésével, valamint azok továbbfejlesztésével lehetővé tegye magunk és mások számára a komplex sejtbeli és sejtek közötti rendeződések és folyamatok megértését és vizsgálatát. Mikroszkópos Sejtanalízis Laboratóriumunkban csúcstechnológia: lézer-pásztázó konfokális mikroszkóp, fluoreszcens sztereomikroszkóp és valósidejű élősejtanalízist lehetővé tevő mikroszkópos állomás található. Ezekkel a modern műszerekkel például háromdimenziós fehérjelokalizációt és mobilitásvizsgálatot, valamint időbeli dinamikai analízist végezhetünk élő sejtekben, szövetekben, szervekben. A biológiai és orvosi alkalmazások mellett, a lézer-pásztázó mikroszkópiának ipari alkalmazásai is vannak, mint például a mikro-elektromechanikai rendszerek vizsgálata, meghibásodás, illetve hajszálrepedések tesztelése, ellenőrzése, valamint számos alkalmazhatósága van az anyagtudományok terén. Laboratóriumunk egyik speciális kutatási területe a sejtosztódásban résztve-


Mikroszkópos Sejtanalízis Laboratórium

vő fehérjék funkcionális analízise mind humán rákos sejtekben, mind növényi tumorszerű kallusz szövetekben. A humán ráksejtekben egy SUMO (small ubiquitin-related modifier) nevű fehérje szerepét kutatjuk. Különösen érdekes számunkra a rákos áttételek kialakulásában játszott szerepük vizsgálata.

Humán SUMO1 dinamikus analízise osztódás közben

Laboratóriumunk számos kollaborációban is részt vesz kutatócsoportokkal, illetve cégekkel, különböző témákban. Az állati eredetű szöveteken kívül laboratóriumunknak tapasztalata van növényi eredetű szövet vizsgálatában is. Ezen témák közül megemlítendő a retinoblasztoma-rokon fehérjék funkcionális analízise, és a P5CS Arabidopsisfehérjék vizsgálata stresszválasz során.

Továbbfejlesztés, hasznosítás, felhasználás A rendelkezésünkre álló új képalkotó technikákkal és modern mikroszkópos berendezésünkkel eddig nem látható részleteket és folyamatokat tehetünk láthatóvá és érthetünk meg. Nemcsak a biológia és orvostudomány területén, hanem az ipar és gyógyszerfejlesztésben is számos területen alkalmazhatóak.

109

Spin-off cégek 110

Az SZBK-hoz kötődő spin-off vállalkozások

Vállalat

Kapcsolattartó

AVICOR Kft.

Dr. Puskás László

Biofotonika Kft.

Dr. Garab Győző

Curamach Kft.

Dr. Hadlaczky Gyula, Dr. Tubak Vilmos, Dr. Katona Róbert

Delta Bio 2000 Kft.

Dr. Haracska Lajos

JSW Hungary Kft.

Dr. Sántha Miklós

LipidArt Kft.

Dr. Török Zsolt, Dr. Vígh László

Planta Cosmetix Kft.

Dr. Horváth V. Gábor, Dr. Dudits Dénes

Therbiogen Kft.

Dr. Tubak Vilmos, Dr. Katona Róbert

T-sejt Kft.

Dr. Monostori Éva

Jegyzetek

Jegyzetek

111

Impresszum

Az SZBK megközelíthetősége: Debrecen

Budapest

47

5

Koss u

th La

jos su

gárú

t

Ko s

su

th L

ajo

ug

ár

út rta Be lan

55

Be lvá ro

íd

Liget

Temes

si h

vári kö rút

híd

Baja

ss

SZBK

Tis z

a

De

rko vit s fa

so

Tisza

Belgrád

r

5

Újszeged

Szeged

Arad

Tisz a

43

második kiadás, 2010 A kiadásért felel: Páy Anikó Telefon: 62/599-763 Email: [email protected] Tervezés: http://www.edomo.hu [email protected]

112

Nyomtatta: Juhász Nyomda, Szeged

A kiadvány a TÁMOP-4.2.3-08/1-2009-0009 projekt keretében, az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap és az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg.

Tartalomjegyzék. Biokémiai Intézet Biofizikai Intézet Genetikai Intézet Információ Ajánlás Opioid peptidek

Recommend Documents