Biomolekuláris elektronika

Kutatás

Biomolekuláris elektronikai kutatások

A nemzetközi szakirodalomban a bioelektronika szót általában két különálló diszciplína megjelölésére használják. Az egyik - a biofizikai alapkutatás részeként - az élő szervezetekben lejátszódó elektromos jelenségekkel foglalkozik (A), a másik pedig - mint a legutóbbi évtizedekben kifejlődött információ-technológiai tudományág - biológiai eredetű anyagok elektronikai alkalmazási lehetőségeit kutatja (B). Mindkét tudományterület fontos objektumai az egyes strukturális egységeket elválasztó határfelületek. Kutatásaink célja a biológiai határfelületeken lejátszódó elektromos és optikai folyamatok vizsgálatára alkalmas új mérési módszerek és elméleti modellek kifejlesztése, illetve ezek alkalmazása a bioelektronikai tudomány mindkét ágában. Az integrált mikro- és nanotechnológiai struktúrákat felhasználó módszerek segítségével elérhető tudományos eredményeknek ezért - alapkutatási jelentőségükön túl – molekuláris elektronikai felhasználása is várható.

(A)   Nemrégiben olyan chiplaboratóriumi modellrendszerek fejlesztésébe kezdtünk, ami reményeink szerint lehetővé teszi a soksejtű élőlények szerveit elválasztó biológiai határrétegek komplex biofizikai vizsgálatát, beleértve a sejtrétegek elektromos ellenállásának, transzporttulajdonságainak és zéta-potenciáljának mérését állandó keringetés és optikai (mikroszkópos) megfigyelés mellett. Ezeket a kutatásokat Prof. Deli Mária munkacsoportjával (Neurobiológiai Unit) közösen végezzük.

(B)   Nemcsak a fizika segíthet egyes biológiai alapproblémák megoldásában, hanem a biológia is hozzájárulhat (alkalmazott) fizikai kutatási eredmények eléréséhez. Saját kísérleti adataink pl. azt bizonyítják, hogy fehérje-alapú filmek - kedvező optikai tulajdonságaiknál fogva – integrált optikai alkalmazások aktív elemeiként, pl. optikai kapcsolókként is használhatók. Az eredményeinken alapuló találmányt [Light-driven integrated optical device (US 6,956,984 B2)] 2005-ben jegyezték be az Amerikai Szabadalmi Hivatalban. Ezenkívül olyan integrált optikai bioszenzort is készítettünk, amelynek érzékelő eleme (egy Mach-Zehnder interferométer) optimálisan hangolható a struktúrára aszimmetrikusan felvitt fehérje-vékonyréteg – mint nemlineáris optikai elem – segítségével. Optikai tesztelés után a szenzort fehérje-fehérje kölcsönhatások (antigén-antitest reakció) kimutatására is sikeresen alkalmaztuk. Jelenleg – az Elektronika 77 Kft., az MFA, és a SOTE munkatársainak részvételével - azon dolgozunk, hogy a szenzorstruktúra geometriájának módosítása segítségével a módszer alkalmassá váljon baktériumok testfolyadékokból történő gyors kimutatására.

Mindezek alapján abban bízunk, hogy a bioelektronika mindkét ágában folytatott kuatásainknak hosszabb távon gyakorlati felhasználása is várható, pl. az optoelektronikában, vagy a gyógyszerkutatásban és az orvosi diagnosztikában.

Biológiai határfelületek molekuláris modellezése

A biológiai határfelületek funkciójának pontosabb megértését nagymértékben segítik a különféle elméleti megfontolások, és az ezekkel kapcsolatos modellszámítások. Kísérleti bizonyítékok szólnak amellett, hogy a határfelületi vízrétegek szerkezete és a határfelület biológiai funkciója között szoros összefüggés áll fenn. Ennek szellemében molekuladinamikai modellszámításokat végzünk biológiai makromolekulák (pl. fehérjék, peptidek, lipidek, biopolimerek), illetve a víz kölcsönhatásának leírására. A számításokból kapott eredmények jó alapot szolgáltatnak hatékony, új, peptid-alapú gyógyszerek racionális tervezéséhez is.