ScienceBits

Saját lelet

MAGYAR KÉMIKUSOK LAPJA

A következő interjút Silberer Vera, a Magyar Kémikusok Lapja olvasószerkesztője készített velem 2011 elején. Két változatban is megjelent, az egyik az egykori OTKA weboldalán, a másik pedig a Magyar Kémikusok Lapjában.

Lente Gábor a Debreceni Egyetem Szervetlen és Analitikai Kémiai Tanszékének habilitált egyetemi docense. Az MTA Fiatal Kutatói Testületének tagja, a Debreceni Egyetem – tehetséggondozásért járó – „Pro Cura Ingenii” díjának egyik első kitüntetettje. A legtöbben biztosan az ő rovatát, a Vegyészleleteket olvassák lapunkban.

SV: Többnyire „hagyományos kémiai folyamatokat” tanulmányoz – például az ozmium-tetroxid és a perjodátion reakcióit –, de nemrég összefoglaló cikket írt a biológiai kiralitás molekuláris magyarázatáról. Mi a kapocs a kémiai és a biológiai rendszerek vizsgálata között?

LG: Kutatóként általában reakciókinetikai ihletésű problémákat választok, és a korábbi munkáimban nem elsősorban az anyagokon volt a hangsúly, hanem a közöttük lejátszódó reakciók leírásán. A kinetikai interpretáció minden esetben meglehetősen bonyolult.
A kinetikai vizsgálatok alapvetően időfüggés-vizsgálatot jelentenek, tehát a kiindulási anyagok fogyását és a termékek keletkezését követjük nyomon. Ha sikerül, „köztitermékeket” detektálunk, amelyek először keletkeznek, aztán elbomlanak a folyamatban. Ezeket a végén nem tudjuk kimutatni, de az időfüggő vizsgálatokból következtethetünk az atomi szintű változásokra. Egyetlen kémiai reakcióban általában három-négy, de akár ötven különböző atomi szintű kémiai változásnak az összegét is látjuk.
Majdnem mindig összetettebb kinetikájú rendszerekkel dolgozom, és ezekben a reakciók kinetikájának a leírása viszonylag nagy matematikai apparátust mozgat meg, például csatolt differenciálegyenleteket kell kezelni. A biológiai kiralitás eredetével kapcsolatos munkám is összetett kinetikai megközelítés, csak ezen a terepen egészen más anyagokról beszélünk, mint korábban. Az összekötő kapocs tehát a reakciók időfüggésére kíváncsi megközelítés.

SV: Ez nem változott?

LG: De igen. A hagyományos szemlélet, amit determinisztikusnak neveznek, lényegében az egyes anyagok koncentrációjának, mennyiségének időbeli változását írja le. Ennek akkor van létjogosultsága, ha nagyon nagy a molekulák száma, aminek egy kémiai rendszer (amelyben, mondjuk, tíz a huszadikon részecske van) általában eleget tesz. Ha ennél lényegesen kevesebb molekulánk van, akkor a „mennyiségi megközelítés”, a koncentrációváltozás követése már nem megfelelő, mert az egyedi molekulák közötti történések kerülnek előtérbe. Ezek valószínűségi törvényeknek engedelmeskednek, ezért az egyedi molekuláris változásokat leíró kinetikát sztochasztikusnak nevezik. A sztochasztikus képből nem az derül ki, hogy mennyi anyag keletkezik egy bizonyos idő után, hanem az, hogy bizonyos mennyiségű anyag mekkora valószínűséggel keletkezik.

SV: Hogyan kapcsolódik ez a fajta megközelítés a biológiai kiralitáshoz?

LG: Az élő anyag felépítésében majdnem kizárólag az L-aminosavak vesznek csak részt, holott már nagyon régóta tudják, hogy az L-nek meg a D-nek azonos az energiája. Az a hagyományos tudományos elképzelés, hogy a természet a legkisebb energiájú állapotra törekszik, nem magyarázza meg a különbséget. Ezért arra kell gyanakodnunk, hogy a két forma, valamilyen okból, különböző sebességgel keletkezett, és az élet tartja fenn ezt a különbséget. Az élet számára az azonos energia még nem azt jelenti, hogy a molekulák pontosan azonosak. Tehát a D- és L-aminosavak mennyiségének különbségét „kinetikai jelenség”, vagyis a reakciók sebességével kapcsolatos jelenség válthatta ki, ha a két forma energiája pontosan megegyezik.

SV: A biológusok is egyetértenek ezzel a „kémiai” magyarázattal?

LG: Úgy gondolom, igen, mert erre az aszimmetrikus állapotra nem találtak más, tudományosan elfogadott magyarázatot. Abban már különböznek a vélemények, hogy milyen mechanizmus, tehát milyen események vezettek ide, meg abban is, hogy miért az L-aminosavak gyakoriak. Véletlenül alakult így? Isten feldobott egy érmét, és az L-aminosavak nyertek? Vagy előírja egy természeti törvény, hogy az L-aminosavnak kellett nyernie, és csak abból jöhetett létre az élet? Többféle elgondolás létezik, de abban, hogy a jelenségnek reakciósebességekben keresendő oka van, a területen gondolkodó kutatók nagyon nagy többsége egyetért.

SV: Azt mondta az előbb, hogy akkor célszerű sztochasztikus modelleket alkalmazni, ha kevés molekula történéseit akarják leírni. De még egy liter levegő is tele van molekulákkal.

LG: Előfordul, hogy egy sejten belül csak három vagy négy enzim jelenik meg. A biológiai kiralitás eredetének vizsgálatakor azonban másról van szó. A folyamatok autokatalitikusak – a képződő termék keletkezése befolyásolja magát a folyamatot.
A királis aszimmetria létrejöttének a legjobb magyarázata ma abból indul ki, hogy valamilyen autokatalitikus kémiai reakció játszódott le. Semmilyen szimmetriatörvény nem tiltja, hogy ha történetesen L-aminosav keletkezik, ez a vele azonos molekulák keletkezését gyorsítsa, mintegy pozitív visszacsatolásként, a D-aminosavét pedig ne. Erősen sarkított megfogalmazásban: abban az őslevesben, amelyik az aminosavak kialakulása szempontjából fontos volt, minden egyes molekula képződésekor el kellett dőlnie, hogy az D- vagy L-aminosav-e, nem lehetett „középállapot”. A legelső L volt, és az már akkora autokatalitikus hatást gyakorolt a következő molekula keletkezésére, hogy az L-aminosavak szaporodtak el.
Ha megjelenik az autokatalízis, akkor nagy mennyiségű anyag esetén is előfordulhat, hogy a reakció leírására csak a sztochasztikus megközelítésmód alkalmas. Azt szoktam mondani, hogy a hagyományos determinisztikus megközelítés többnyire a sztochasztikus megközelítés sok molekulára érvényes határesete. De vannak olyan reakciók, amelyekre még ez sem teljesül a pozitív visszacsatolások miatt.

SV: Másrészt, gondolom, „tökéletes véletlen”-ről sem beszélhetünk.

LG: Például a kiralitás keletkezésekor érheti olyan külső hatás a rendszert – mondjuk, a fény polarizációjának megváltozása –, amitől a folyamat sztochasztikus marad, de valamilyen irányban mégis eltolódik.

SV: Az interneten keresgélve láttam, hogy már Lente-modellre is hivatkoznak.

LG: Csak egyetlen ilyen cikkről tudok, de annak legalább a címében szerepelek… Elég szigorú matematikai leírását adtam annak, hogy egy kiindulási molekulából, amely önmagában nem mutat királis sajátságokat, külső behatásra keletkezik egy másik molekula, amely már királis, és a keletkezési sebességében megjelenik a visszacsatolás, az autokatalitikus hatás. Valószínűleg úgy gondolták a szerzők, hogy én írtam le először ezt a folyamatot, amiben nem vagyok biztos, mert a kémiai irodalom óriási. Most már tudom, hogy a matematikusok béta-eloszlásnak nevezik azt a valószínűségi eloszlást, amely szerint – a modellben – a kétféle királis termék keletkezik.

SV: A természettudományban máskor is előfordul, hogy valaki olyan revelációnak számító függvényhez, alakzathoz jut el a folyamatok leírásakor, amiről kiderül, hogy a matematikusok régóta ismerik.

LG: A matematikában nagyon sok mindent levezettek anélkül, hogy bármiféle gyakorlati alkalmazása lett volna. A sztochasztikus kinetikát is „kitalálták” már az 1940-es években, csak akkor még nem került sor az alkalmazására. Szigorú matematikai megalapozása néhány évtizedes múltra tekinthet vissza, és magyar kutatók nevéhez fűződik: Tóth Jánoséhoz és Érdi Péteréhez.

SV: Miért most került előtérbe a sztochasztikus megközelítés?

LG: Azért, mert új kísérleti eredmények születtek. 1995-ben publikáltak először példát arra, hogy nem királis kiindulási állapotból olyan királis anyag jön létre, amelyben nem azonos arányban képződnek a tükörképi párok, holott azt várnánk. Pontosabban 1995-ben azt mutatták ki, hogy nagyon erős visszacsatolás létezik, és 2002-ben írtak az első olyan reakcióról, amelyben mindenféle királis hatás nélkül, mondjuk, 4:1 arányban keletkezik a két tükörképi pár. Máig mindössze két reakciócsaládban mutatták ki ezt a jelenséget.
Az egyik egy koordinációs kémiai reakció, amely egyébként a kémikusok számára is emlékeztető arra, hogy a kiralitás nemcsak az aszimmetrikus szénvegyületek sajátsága. A reakcióban, amelyre Dilip Kondepudi amerikai kutató csoportja talált rá, egy oktaéderes geometriájú, királis kobalt(III)komplex keletkezik vizes közegben. Ebben az esetben a két tükörképi párból keletkező mennyiség különbsége viszonylag kicsi, csupán néhány százalék, de a jelenség vitathatatlan.
A másik a nagyon híressé vált, szerves kémiai Soai-reakció. Ennek a kísérleti eredménynek az értelmezése izgalomba hozta a szakmabelieket. Nyilvánvaló volt, hogy a determinisztikus kinetika nem alkalmazható, mert ennek az a sajátja, hogy egy kiindulási állapotból mindig ugyanabba a végállapotba jutunk. A sztochasztikus kinetikának pedig az a lényege, hogy a kiindulási állapotból bizonyos valószínűségekkel jutunk el különböző végállapotokba. A Soai-reakció esetében nyolcvannégyszer megismételték pontosan ugyanazt a kísérletet – vadonatúj lombikkal, vadonatúj oldószerrel. Sajnos, nyolcvannégy pont egy matematikai eloszlás leírására még mindig nem sok, de azért már lehet valamit kezdeni vele. Ma már kizárólag a Soai-reakció leírására is szerveznek konferenciát. A legutóbbit éppen Magyarországon tartották 2010 szeptemberében, erről be is számolt a Magyar Kémikusok Lapja.

SV: Hogyan talált rá erre a problémára?

LG: 2004-ben Pályi Gyula, aki a Modenai Egyetemen dolgozik, előadást tartott a Soai-reakcióról Debrecenben. Utána esténként számolgattam ezt-azt, kijött valami érdekes eredmény, és azt is be kell vallanom, hogy a feleségem rábeszélésére írtam meg az első cikkemet. Ez elég sikeresnek bizonyult, aztán jöttek újabb ötletek, azokat is publikáltam – egyfajta tudományos passzióként kezdődött a munka. Az intézetben elsősorban kísérleti kutatások folynak. A biológiai kiralitás vizsgálatakor csak elméleti leírást adok, ami nekem elég jól megy. A kísérleti feladatokban is az eredmények értelmezése az erősségem, mert a kémiai reakciók közötti bonyolult összefüggéseket viszonylag jól átlátom, és hamar megtalálom azt a matematikai leírást, ami másokat is meggyőz a modell helyességéről.

SV: Milyen kísérleti munkák folynak a kutatócsoportban?

LG: Elsősorban víztisztításhoz kapcsolódó kérdéseket igyekszünk megoldani. Itt kerülnek elő a „hagyományos” anyagok, például a klór-dioxid, az ózon, a klórfenolok reakciói. Az utóbbi időben a triklóretilén lebontása, oxidációja áll a vizsgálatok középpontjában. Ezt az anyagot például ipari oldószerként és vegytisztító eljárásokban használják. Viszonylag mérgező, és gyakran bejut az ivóvízhálózatba. Az is probléma, ha a talajvízbe kerül bele, ezért kezdtünk az eltávolításán dolgozni. Amerikában sokkal gyakrabban okoz gondot a triklóretilén, és egyszer már a hollywoodi filmesek figyelmét is magára vonta: a Zavaros vizeken című filmben John Travolta olyan ügyvédet alakít, aki egy nagyon súlyos triklóretilén-szennyezésnek tulajdonított ügyet vállal fel.

SV: Önök meg tudják szüntetni a szennyezést?

LG: Most dolgozunk rajta. Kémiai oxidálószerekre van szükségünk, és általában nem is a megfelelő szer kiválasztása a kérdés, mert csak néhány környezetbarát oxidálószer közül választhatunk: ilyen például az ózon, a hidrogén-peroxid, esetleg a peroxi-monoszulfát-ion. Inkább azt a katalizátort kell megkeresnünk, aminek a segítségével oxidálhatjuk a triklóretilént. A projektben részt vesz egy másik csoport is, és valószínűleg sikerült olyan baktériumfajokat találniuk, amelyek átalakítják a triklóretilént. Egyelőre nem tudjuk, melyik módszer a hatásosabb, lehet, hogy a kettő együtt vezet célhoz.

SV: Az ilyen munkákban is a reakciók mélyére kell látni, vagy elég a klasszikus laboratóriumi munka?

LG: A triklóretilén vagy a klórfenol oxidációs folyamataiban fel kell térképezni az elemi reakciókat, az atomi szintű lépéseket, amelyekkel már értelmezhető a folyamat. Ennek alapján könnyebben meg tudjuk találni az optimális körülményeket egy reakcióhoz. Például meg tudjuk mondani, hogyan lehet a legrövidebb idő alatt a legkevesebb vegyszer felhasználásával eltávolítani egy káros anyagot.
Igaz, a kinetikai kutatás néha kicsit idegen még a szintetikus kémikustól is, aki egy kiindulási anyagból előállít egy végterméket, amit aztán nagyon sok módszerrel jellemez. A kinetikában általában annak van kulcsszerepe, ami se az elején, se a végén nincs, vagyis köztiterméknek. Nagyon korlátozott azoknak a kísérleti módszereknek a száma, amelyek ezekről információt tudnak adni. Ezért gyakran olyan Sherlock Holmes-i gondolatmenetre kényszerülünk, hogy ha kizártuk a lehetetlent, akkor a maradék nem lehet más, mint a valóság. A másik szívesen alkalmazott eszközünk Occam borotvája: ha több magyarázatunk is van, akkor a legegyszerűbbet fogadjuk el, amikor nincs olyan kísérleti információ, amely ennek ellentmond. Emiatt érzik azt a kinetikában kevéssé jártas kémikusok, hogy olyasmit állítunk, amire nincs elég bizonyíték, vagy legalábbis nincs olyan bizonyíték, amit ők annak tekintenek a stabil anyagok esetében.
Pedig ha nem a kinetika, nem a mechanizmus alapján próbálnánk kellő mennyiségű információt begyűjteni, borzasztó sok kísérleti munkára kényszerülnénk. Néha, persze, a véletlen is segít nekünk. Például a klórfenolok esetében jelentős felismerés volt, hogy még a látható fény is nagy hatást gyakorol a lebontásukra. Amikor Amerikában dolgoztam, egy meglehetősen sötét helyen délután elindítottam egy hosszú kísérletet – a készülék folyamatosan mérte az egyik reaktáns koncentrációját. Másnap délben azt vettem észre a görbén, hogy reggel hirtelen felgyorsult a reakció – akkortájt, amikor bementem a laborba. Nemsokára rájöttem, hogy nemcsak bementem, hanem a villanyt is felkapcsoltam. De ha ez ekkora hatást fejt ki, mi történik, amikor egy lámpával közelről rávilágítunk a rendszerre? Ettől aztán több mint tízszeresére nőtt a sebesség.

SV: Hogy érzi magát a munkahelyén?

LG: A közvetlen környezetemben nagyon jól, mert olyan emberek vesznek körül, akik egyrészt fiatalabbak nálam, másrészt nagyon tehetségesek, és szívesen dolgoznak. Olyan szempontból viszont nem mindig érzem jól magam, hogy a kutatáshoz mindenekelőtt pénzre van szükség, és lassan már nekem is annyi időt kell a pályázásra fordítanom, hogy a kutatásra egyszerűen nem marad idő. Nemrég olvastam egy texasi professzor beszámolóját, akinek a becslése szerint a befutott amerikai kutatók a munkaidejük hetven százalékát a finanszírozás előteremtésére fordítják. Nálunk tanszékvezetőnk, Fábián István megszerzi a támogatás nagy részét. Ennek ellenére már nekem is jelentős időt kell erre a tevékenységre fordítanom.

SV: Van egy kurzusa az egyetemen – Mai molekulatudomány mindenkinek –, amilyet inkább idősebb professzorok szoktak meghirdetni. Hogyan ötlött fel ennek az előadásfüzérnek a gondolata?

LG: Az egyetemen olyan tárgyakat is tanulni kell valamilyen szinten, amelyek egyáltalán nem kapcsolódnak az ember jövőbeli szakmájához. Ezt hívják értelmiségi modulnak. 2005 táján néhányan el akartuk érni, hogy a bölcsészek természettudományos kínálatból is választhassanak. Korábban a Debreceni Egyetemen egyetlen fizikus tartott nekik előadásokat, én olyan témákról beszéltem, amelyek a munkámhoz kötődtek vagy szerettem olvasni róluk: például a gyógyszerkémiáról, a periódusos rendszer történetéről, a doppingszerekről, a nukleáris balesetekről. A célközönséget, sajnos, kevéssé sikerült megszólítanom, de a kémiai kötődésű hallgatóság állítólag kedvelte az előadásokat. Most a tanárképzésbe ágyazódott be a kurzus, mert a program vezetője, Tóth Zoltán, nagyon hasznosnak tartja.

SV: Hogyan született a Vegyészleletek?

LG: Amikor Kiss Tamás, az MKL felelős szerkesztője lett, megkérdezte, lenne-e kedvem tudományos hírrovatot szerkeszteni. Elsőre természetesen nemet mondtam, de aztán rábeszélt. Két feltétellel vállaltam el a munkát: ritkán tudok elmenni a szerkesztőbizottsági ülésre, mert Debrecenben nagyon sokat kell oktatnunk, s ha hiányzom, akkor a munkámat másra hárítom át; és nem vagyok hajlandó másokat noszogatni a hírek leadására, inkább én magam írom a rovatot.

SV: Bevált a módszere!

2011.02.02.