Műszaki tudomány és a változó világ
Milyen új eszközöket adnak a mérnök kezébe az élettudományok?
Damjanovich Sándor
Az élettudományok és a természettudományok összefonódása a mérnöki tudományokkal nem új keletű. Ennek ellenére csak a 20. században jutottak el odáig élettudományi ismereteink, hogy a komplexbol a kevésbé komplex rendszerekre is lehessen hasznos következtetéseket levonni, ne csak fordítva. Arany János "Buda halála" című gyönyörű művében idézi és fordítja magyarra a Krónikák (Kézai Simon?) sorait ("Stella cadit, tellus tremit: en ego malleus orbis"): "Csillag esik föld reng: jött éve csudáknak...." Kevés ennél jobb hasonlat illik a 20. századra, amelyben az emberiség talán legvéresebb történelmét írta, ugyanakkor a tudomány legcsodálatosabb és leggyorsabb fejlődését is ebben a században mutatta fel.
Az Amerikai Egyesült Államok mérnöki egyesületei húsz pontba foglalták össze azokat a kiemelkedő mérnöki teljesítményeket, amelyeket vagy a huszadik században értek el, vagy legalábbis akkor teljesedtek ki. (1. táblázat).
Már az 1. táblázat felületes átnézése is azt az érzést kelti az emberben, hogy ezek a valóban nagy mérnöki teljesítmények a világ számos helyén még csak jámbor elérendő óhaj számba mennek, ill. még mindig kihívást jelentenek a mérnöki tudományok számára. Természetesen a nagy teljesítmény és annak világszerte történő elterjesztése két különböző dolog.
Ha hasonló módon megpróbáljuk számba venni az orvosi, biológiai, mezőgazdasági tudományok teljesítményeit, akkor ugyancsak az egész emberiség életét alaposan befolyásoló hatalmas előrehaladásról lehet beszámolni, még akkor is, ha ezek a nagy eredmények még nem mindenki által élvezhetőek egyforma hatékonysággal Földünkön.
Az egyre szélesebb körű természettudományos ismeretek élettudományi hatása valóban csodákat hozott a 20. században. Nagy kérdés, hogy a 21. században milyen irányokra kellene a kutatásokat koncentrálni, és a tudományágak kölcsönhatásai, hogyan tudnak leginkább érvényesülni. Egyszerűbben fogalmazva: mennyire lehet előre megjósolni a tudomány haladásának, fejlődésének irányát.
Manfred Eigen Nobel-díjas fiziko-kémikus, aki a biológiai makromolekulák kialakulásának és fejlődésének, sőt mondhatjuk, hogy a modern biotechnológiának és virológiának is kitűnő szakembere, jelentette ki, hogy napjainkban a tudományos igényű előrejelzés igen bizonytalan. Még ha az ugrásszerű fejlődéstől, a teljesen új módszerek és felismerések hatásától eltekintünk is, tudományos pontossággal még tíz évre is nehéz jósolni, előre jelezni fejlődési irányokat.
A tévedés jogát tehát messzemenően fenntartva, az alábbiakban megkísérlem annak felvázolását, hogy a mérnöki munka és haladás miben hathat kölcsön az élettudományokkal. Tudatosan a kölcsönhatást hangsúlyozom, természetesen nem tagadva azt, hogy a tudományágak kölcsönhatása során hol egyik hol másik tudományág többet ad vagy kap a másiktól. Ezek várhatóan hosszú távon kiegyenlítődnek.
Az egyre bonyolultabb biológiai mechanizmusok feltárása egyrészt mérnöki pontosságú szervezettséget és mechanizmusok sorát tárja fel, másrészt új beavatkozási színtereket ajánl az életfolyamatokba. A mérnökök a miniatürizálás olyan fokát ismerhetik meg a biológiai rendszerekben, amelyek elérése még a nanotechnológiák korában is szédítő.
Az orvosbiológiai mérnök fogalma az USA-ban már meglehetősen jól ismert, képzésük szervezetten történik. A National Institute of Health (NIH) által meghatározott definíció kimondja, hogy az orvosbiológiai mérnöki tudomány integrálja a fizikai, kémiai, matematikai és számítástechnikai tudományt, valamint a mérnöki tudomány alapelveit a biológia, az orvostudomány, a magatartástudomány és az egészség komplex területeinek feltárására. Tehát az orvosbiológiai mérnöki tudomány nem azt jelenti, hogy valamicskét megtanul valaki a másik tudományból és annak a segítségével csodákat művel. Ellenkezőleg, valódi transzdiciplináris tudomány, amely valamennyi alkotó tudományág ismereteinek birtokában tanulmányoz orvosi és biológiai problémákat és az integrált ismereteket mindkét, vagy akár több irányban is felhasználja. A Bioengineering Consortium (BECON) már jelenleg is nagyon hatékonyan működik az USA legnagyobb egészségügyi kutatóintézete, a már említett NIH keretein belül.
A jelenkor fizikai és mérnöki tudománya eljutott odáig, hogy a bonyolult eszközök (pl. számítógép-alkatrészek) tervezése és gyártása során a fény terjedési sebességét megközelítő sebességgel közvetített elektromos jelek útját igen gazdaságosan kell megtervezni, mivel a nagy műveleti gyorsasághoz időnként ezek a jelek is lassúnak bizonyulnak. Tehát a miniatürizálás, a minél kisebb helyre minél bonyolultabb és többet tudó berendezést "összezsúfolni" parancsoló szükségszerűséggé vált. A máig ismert legbonyolultabb nano-gép a sejt, amely nem csupán elvégez beprogramozott feladatokat, de intelligensen alkalmazkodik is a változó feltételekhez, körülményekhez. Peter Fromherz német kutató eljutott odáig, hogy néhány évvel ezelőtt speciális anyagokat kifejlesztve a kapcsolat létesítéséhez, oda-vissza szabályozó jeleket tudott küldeni chipek és idegrendszeri elemek, neuronok között. Divatos mondás az, hogy a neuron-hálózatok működésének megismerése erősen kölcsönhat a számítógép- tudománnyal. Eddig valószínűleg a számítógép tudomány tanult többet e kölcsönhatásból. Ugyanakkor az is igaz, hogy egyetlen sejt (legyen az akár egy emberi fehérvérsejt) máig sem teljesen feltárt transzmembrán jelátviteli folyamataiból is tanulhat a számítástechnikai tervezés, nem is beszélve a molekuláris szintű miniatürizálás eleve adott voltáról.
Az egyik viszonylag frissen feltárt terület a (emberi, ill. eukarióta) sejtek citoplazmája és a magja közötti molekuláris forgalom szabályozása és szigorúan szervezett mechanizmusa. 1999-ben kapott Günther Blobel Nobel-díjat többek között azon folyamatok tisztázásáért, amelyek megszabják, hogy a makromolekulák, amelyek közül például a fehérjék a citoplazmában szintetizálódnak, mikor és milyen módon jutnak be a sejtmagba, ha ott van rájuk szükség. Ezek a vizsgálatok imponálóan szigorúan szabályozott molekulaforgalmat tártak fel, amelynek megismerése a gyógyszeripar újabb igen hasznos gyakorló terepét is jelentheti, hiszen a molekula-forgalom specifikus leállítása, vagy éppen elősegítése a sejtek működését is befolyásolhatja, amelynek a szintézise során specifikus fehérje molekulák oda-vissza transzportálódnak a magmembránon keresztül. Elegendő lehet az AIDS vírus egyik vagy másik alkatrészének a transzportját a magmembrán szintjén megakadályozni ahhoz, hogy a fertőzés kialakulását is kivédjük. Természetesen egy ilyen horderejű kérdés megoldását könnyebb megjósolni, mint véghezvinni, de a sejtbiológiai transzportfolyamatok feltárása ma már nyugodtan minősíthető egy olyan kibernetikai rejtvénynek, amelynek a megoldásához interdiszciplináris megközelítés kell. Az a felfedezés, hogy a fehérje molekulák magmembránon keresztül hatolásának molekuláris jelei magába a fehérje molekula aminosav-sorrendjében vannak kódolva export vagy import jelként, elvileg lehetővé teszi olyan mesterséges membránok készítését, amelyen keresztül irányított molekula transzport folyik.
A koleszterin anyagcsere feltárásáért Nobel-díjat kapott Goldstein mondta 1997-ben, hogy a korábbi alap-, majd alkalmazott-, sőt betegségorientált kutatás mellett ma az automatikusan működő diagnosztikai gépek annyi adatot képesek a betegek (és egészségesek) állapotáról szolgáltatni, hogy beszélhetünk akár egyetlen betegre orientált kutatómunkáról is. Ehhez természetesen az kell, hogy a betegből nyert anyagokat és a gépek révén kapott adatokat sejt és molekuláris biológiai szinten kellően feldolgozzuk.
A ma látható problémák közül az egyik legjobban feszítő mérnöki-fizikai feladat a rendelkezésre álló kiváló képalkotó eljárásokon alapuló diagnosztikai módszerek feloldóképességének javítása. Általában elmondhatjuk, hogy a könnyebb, kisebb méretű nagyobb felbontású, gyorsabb, kevésbé káros és olcsóbb készülékeké a jövő. A Nearfield Scanning Optikai Mikroszkópia (NSOM) feltalálása után egyre nehezebb valamire azt mondani ma, hogy elvileg lehetetlen. A közelmező pásztázó mikroszkópiának is fordítható készülék képes arra, amire nem lenne szabad képesnek lennie. Az ún. Abbe-elv kimondja, hogy fénymikroszkóp felbontásának (feloldóképességének) a hullámhossz határt szab. Így fénymikroszkóppal elvileg lehetetlen molekulákat látni. Az NSOM egyszerűen kihagyta a mikroszkópból az optikát és így a felbontóképesség jelentősen javítható volt, egészen a makromolekulák láthatóvá tételéig. A mérőmódszer lényege az hogy a vizsgálandó objektumhoz, annak felszínéhez igen közel (ezért near field!) olyan rést (optikai szál végét) helyezünk el, amelynek átmérője az alkalmazott fény hullámhosszánál kisebb. A felületről visszaverődő, szóródó kvantumokat a rés (optikai szál) összegyűjti és az így nyert jelekből a pásztázás segítségével képet alkothatunk a felszínről vagy annak részeiről, a megvilágító fény segítségével, a lencserendszereket tartalmazó optikai mikroszkóp korlátai nélkül. Bár más elven működik és közvetlenül nem fényt használ fel, atomok láthatóvá tételére alkalmas az atomerő mikroszkóp anélkül, hogy az elektron mikroszkópiában kötelező vákuumba kellene helyezni a vizsgált tárgyat, ami így lehet akár élő sejt is. A "lehetetlent" tehát a nanotechnológia szintjén egy új innováció, az NSOM esetében az optikai elemek kihagyása oldotta meg. A kihívás a mérnöki tudományok felé az, hogy a számítógépes tomográfia (CT), a mágneses rezonancia képalkotás (MRI), vagy a pozitron emissziós tomográfia (PET) módszertanából kiiktassa azt a hátrányt, hogy mire pl. egy tumort (a feloldási korlátaik miatt) láthatóvá tesznek, addig - ha a tumor "kellően" rosszindulatú - teleszórhatja áttétekkel akár a beteg egész testét. Természetesen ismert fizikai és mérnöki objektív korlátai vannak a feloldóképesség pl. sejtszintűvé tételének. Az NSOM példája azonban kihívás, mert új elgondolásokkal a felmerülő fizikai és mérnöki akadályok nagy valószínűséggel megkerülhetők.
További kihívást jelent a mesterséges érzékszervek előállítása, hiányzó bioszenzorok pótlása. A Louvaini Katolikus Egyetemen az évtized első felében érdekes kísérleteket végeztek vakok tájékozódó képességének növelésére. Vakon születettek és önkéntes jól látók szemét hosszabb időre teljesen betakarták, majd a homlokra erősített ultrahang generátor által kibocsátott, illetve különböző felületekről visszaverődött és felfogott hullámokat hallható hangjelekké alakították. Több napos gyakorlatozás után a két csoport tagjai meg tudták mondani a hang-visszaverődési mintákból képzett különböző hangok segítségével, hogy hol van fal, lépcső, szöglet, nagyobb akadály, stb. Amikor már mind a két csoport begyakorolta a hangok (kb.18-20 hangjel) felismerését, PET vizsgálattal kimutatták, hogy mind a születetten vakok, mind a valóságban látó, csak időlegesen látásuktól (viasszal és fekete kendővel izolált szeműek) megfosztottak esetében az orientációt segítő hangokra a látókéreg jött izgalomba. Ez a jelenség arra hívta fel a figyelmet, hogy a születetten vakok is képesek használni a látókérgüket agyi képalkotásra. Ez direkt kísérletes adat arra, hogy a látásélmény mennyire komplex módon alakul ki az agyban.
A jövő sebészetéhez érdekes lehetőséget kínál a többfotonos gerjesztési technika, amelyet ma már széles körben használnak pl. a konfokális pásztázó lézer mikroszkópiákban is. Ennek az elegáns módszernek a segítségével több irányból érkező "ártalmatlan" infravörös hullámok találkozási pontjaikon ultraibolya fotonokká alakíthatók, amelyek már vágásra, roncsolásra képesek, igen nagy pontossággal igen kis térfogatban. Elképzelhető sztereotaxiás készülékek és képalkotóeljárások kontrollja mellett a test vagy a koponya belsejében végrehajtott műtét a beteg testének (koponyájának) megnyitása nélkül is, ha a roncsolandó, elvágandó szövet benthagyása nem okoz zavarokat. Az ilyen beavatkozások már valóban mérnöki tervezést kívánnak.
Régi problémája az orvostudománynak és a gyógyszergyártásnak is, hogy a szervezetbe bejuttatott csillagászati számú gyógyszermolekulából nagyon kevés jut el arra a helyre, ahol a kívánt hatást akarjuk elérni. Nagyon sok jut el viszont szükségtelenül más területekre, ahol a hatás nemkívánatos. A nanotechnológia (a nanométer a méter milliárdod része, kb. négy szénatom átmérőjének felel meg a grafit kristályban) lehetővé teszi olyan kicsiny kapszulák gyártását, amelyben elhelyezett néhány hatóanyag molekula a szükséges helyre eljuttatva fejthetné ki hatását. A megfelelő célsejtekhez történő mai molekula eljuttatási módok még a hormonkezelések esetében sem tökéletesek, mert igaz, hogy specifikus hatást a hormon molekulák csak a célsejteken fejtenek ki, de nem kívánatos káros hatásuk máshol is van, vagy legalábbis lehet.
Tom Waldmann amerikai kutatóorvos sejtek receptoraihoz úgy juttat el anyagokat, hogy a megfelelő receptorhoz specifikusan kötődő molekulák a szállító eszközök. Ezzel a módszerrel felnőttkori leukémiákat lehet gyógyítani a csak a beteg sejtekhez kötődő toxinokkal, izotópokkal. A felesleg gyorsan kiürül és nem szükséges az ártalmas nagy hatóanyag-koncentrációt fenntartani. Ehhez viszont célszerű tudni, hogy a célsejtek receptorai milyen környezetben helyezkednek el, milyen viszonylag stabil receptor mintázatuk van. Erre fejlesztettünk ki olyan nanotechnológiai módszereket, amelyek NSOM, atomerő mikroszkópia és optikai spektroszkópia kombinálásával feltérképezik a receptorok molekuláris környezetét és megmondják, hogy a sejtek plazma membránjában a molekulák milyen szomszédsági mintázatot alkotnak. Néhány nanométer átmérőjű kolloidális aranygömbök segítségével az is megállapítható volt, hogy a sejtfelszíni információ- felvételben oly fontos szerepet játszó receptor molekulák viszonylagos mozgékonyságuk ellenére legalább két hierarchikus szinten is reprodukálhatóan stabil receptormintákat állítanak elő, amelyeket a membrán lipid részeiből képződő "tutajok" (lipid raft) tartanak egymás molekuláris közelségében. Ez a receptortérképezés már pillanatnyilag is fontos adatokat szolgáltat a sejtorientált kezelések megtervezéséhez.
A lézer technológia mind a jelenlegi orvosbiológiai és mérnöki, mind a jövő orvosbiológiai és biotechnológus mérnökei számára hihetetlen lehetőségeket kínál. A Nature egyik tavaly májusi számában jelent meg japán kutatók szenzációt keltő kísérlete, amelynek során DNS molekulát, vagy aktin szálat két végénél fogva plasztik gömböcskéhez "kötöttek", majd a gömböket lézer csapdával (más néven optikai csipesszel) megragadva csomót kötöttek a DNS-re és az aktin szálra is. A csomót meghúzva az aktin szál eltört-szakadt, a DNS pedig nem.
A két molekula fizikai tulajdonságai végeredményben teljes összhangban vannak a kémiai szerkezetükkel. A csomókötés további érdekessége, hogy mivel a lézercsipesz csak a fókuszpontjában fejt ki komolyabb erőt, a csomót úgy lehet megkötni, hogy a molekulákat tartó plasztik gömböket nem kell elengedni. Ilyet eddig csak bűvésztrükkökben láttunk, de azzal szemben ez itt nem csalás.
Molekuláris motorokat lehet nanotechnológiával gyártani illetve a természet által gyártott ilyen motorokat nanotechnológiával lehet tanulmányozni többek között lézer csapdák segítségével. A mesterséges megtermékenyítés, a molekulák és sejtek közötti kölcsönhatások tanulmányozásának igen hatékony fegyvere az optikai csipesz. Létezését Artur Ashkin amerikai kutató fedezte fel a 70-es évek elején, amikor a fény nyomását akarta tanulmányozni plasztik gömböcskéken mikroszkóp alatt és azt tapasztalta, hogy az alkalmazott infravörös lézer a plasztik gömböcskéket pontosan a fény nyomása révén a fókuszpontjába kapta fel. Sejteket lehet felemelni vele, vagy molekulákat mozgatni és kölcsönhatásukat tanulmányozni.
Az optikai csapdák minden bizonnyal alkalmasak lesznek arra is, hogy kiválasztott molekulákon nemcsak fizikai, de kémiai kölcsönhatásokat is lehessen tanulmányozni, ahogy ezt Yanagida és munkatársai speciális esetben már megtették. Aktin szálak összehúzódását és az egyetlen molekulán fellépő erőhatások nagyságát tudták mérni a molekulákat felfüggesztő plasztik gömbök és több lézercsapda egyidejű alkalmazásával. Ezzel iskolát teremtettek, és azóta ezek a mérések DNS molekulákon és aktinon egyaránt szinte rutinná váltak.
A biológiai miniatürizálás felhasználása már megindult a biológiai elemeket is tartalmazó elemi elektronikai egységek előállításában.
A számos (biológiai és nem biológiai) ágra oszló nanotechnológiai kutatási irány érdekessége, hogy az ipar szinte azonnal felfigyelt a forradalmian új lehetőségekre és igen jelentős pénzügyi eszközök állnak ezen kutatások rendelkezésére, amelyek nagyságát dollár és font 10 milliókkal, saját valutánkban pedig sok milliárd forinttal jellemezhetjük. Angliában csak a Nottinghami Egyetem biológiai irányú nanotechnológiai kutatásaira egyetlen évben 9 millió font áll rendelkezésre.
E rövid előadás, nem tette lehetővé a szélesebb merítést, ezért a nanotechnologia számos irányából is elsősorban az orvosbiológiai jelentőségűeket ragadtam ki. Azokat is eklektikusan. Érdekes, hogy a ma diadalmasan alkalmazott teljesen új technológiák sem teljesen gyökértelenek. Maria Göppert-Mayer már a húszas évek végén elméletileg kimutatta a többfotonos gerjesztések lehetőségét. Feynman 1959-ben kijelentette, hogy nincs elvi akadálya, hogy atomokat "darabonként" összerakva molekulákat építsünk fel. A pásztázó alagút effektuson alapuló elektron-mikroszkóp segítségével Eigler húsz évvel később előállította az első ilyen molekulát.
Ha van egyáltalán tanulság számunkra, amit le kellene vonnunk, akkor az az, hogy ha 21. század már ma látható modern kutatási irányairól lemaradunk, akkor a szakadék a fejlett országok és hazánk között még mélyebb lesz. A mérnökök képzésében, de általában a felsőfokú képzésben az élet- és természettudományok, valamint a mérnöki tudományok között sokkal szorosabb együttműködés szükséges, mint eddig létezett és annak messzemenően interdiszciplinárisnak kell lennie. Az nem lehet kifogás, hogy "innen ez már nem az én szakmám". Ez a tömegoktatás hasznát, legalábbis az élő és természettudományok területén megkérdőjelezi, illetve a tömegen belül a speciális képzések sokaságának szükségszerűségét veti fel. Az elitképzés kérdést nehéz lesz megkerülni, ha a jövő számára inventív kitűnő szakembereket és nem diplomás munkanélkülieket akarunk egyetemeinken "előállítani".