A Kárpáti Igaz Szó tudománynépszerűsítő rovatában most egy kárpátaljai származású biofizikus tanulmányát közöljük. Legutóbb Bátyi Szilvia kutatását ismerhették meg.
Hagyományosan előbb a Kulcslyuk rovatunkban mutatjuk be a kutatókat, majd azt követően bővebb betekintést nyerhetnek tudományos munkájukba. Dr. Fiser Béla most egy rendhagyó tanulmánnyal kedveskedik az olvasóknak.
Kutató vagyok, s ha megkérdezik, hogy mi is a munkám, akkor általában azt felelem, hogy főképp számítógépes kémiával foglalkozom. Különböző kémiával kapcsolatos kérdéseket számítógépes szimulációk segítségével próbálok megválaszolni. A munkámhoz elengedhetetlenek az ún. szuperszámítógépek (például a sok száz vagy ezer számítógép összekapcsolásával létrehozott számítógépfürtök vagy clusterek, 1. ábra) [1], amik segítségével olyan problémákat is modellezni lehet, amelyeket egyszerű asztali számítógéppel vagy laptoppal túl sokáig tartana vagy nem is lenne lehetséges.
A számítógépeken túl használok még speciális szoftvereket, amiket a körülöttünk lévő világ építőköveinek (molekuláinak) az adott célnak megfelelő pontosságú modellezéséhez készítettek. A szuperszámítógépek és speciális programok mellett a munkámhoz szükség van még internetkapcsolatra (a szuperszámítógépek eléréséhez) és józan észre is a kapott eredmények értelmezéséhez. Legyen szó űrkémiáról, égési folyamatokról, antioxidáns molekulák reakcióiról, környezetbarát poliuretánok (pl. PUR hab) tervezéséről vagy épp gyógyszertervezésről, a számítógépes kémiai módszerek alkalmazási területe nem ismer határokat (2. ábra).
Számos egyéb dolog mellett a „minden számolható valamilyen módszerrel” hozzáállás volt az, ami igazán vonzott a tudományterületen. Általában minden kutatási témához ugyanúgy látok hozzá. Leülök a számítógépem elé, bekapcsolom, megnyitom valamelyik molekula rajzoló programot és megpróbálom elkészíteni az adott problémát leginkább leíró rendszer számítógépes modelljét. Ez a folyamat sok esetben a külső szemlélő számára úgy tűnhet, mintha egy csomó gömböt (atomokat) és pálcikát (kémiai kötéseket) próbálnék valamilyen furcsa rendszernek megfelelően megrajzolni, elrendezni, majd pedig, ha épp arra van szükség, akkor még jól össze is keverni. S bár tény, hogy a molekulák néha elég érdekesen és viccesen néznek ki (3. ábra), de mégis komoly szerepük van ezeknek az ún. kiindulási szerkezeteknek, hiszen a kutatás szempontjából elengedhetetlenek. Ezek a szerkezetek írják le a modellrendszerben található molekulák atomjainak térbeli elrendeződését.
https://www.instagram.com/funnymolecules/
Minden számolás, szimuláció elindításához szükség van kiindulási szerkezetekre, amelyeket számítógépes kémiai programokat és módszereket alkalmazva finomítunk. A kiindulási és a megfelelően finomított szerkezetekhez tartozó különböző – például termokémiai – paramétereket (pl. entalpia, entrópia) meghatározzuk, s ezek segítségével az adott rendszer stabilitására, vagy más a kutatás szempontjából fontos fizikai, kémiai jellemzőjére következtethetünk. Ezután megpróbáljuk értelmezni a kapott eredményeket, s ha sikerül, akkor megválaszoljuk a kutatás alapkérdéseit és a gyakorlatba is átültetjük a számítógépes szimulációk segítségével tanultakat (pl. új típusú polimereket tervezünk).
Az egyik kutatási téma keretében, amin a doktorandusz hallgatómmal, Reizer Edinával közösen dolgozunk és amihez a II. Rákóczi Ferenc Kárpátaljai Magyar Főiskola és a Miskolci Egyetem egy-egy BSc hallgatója, Petrás Csaba és Tokaji György is nemrégiben csatlakozott, policiklikus aromás szénhidrogének (PAH-ok) különböző reakcióit vizsgáljuk számítógépes kémiai módszerek segítségével. A PAH-ok komoly globális problémát jelentenek számos különféle káros hatásuk miatt. Legfontosabb jellemzőik, hogy több aromás gyűrűből állnak (4. ábra), vízben rosszul oldódnak és bioakkumulálódnak, vagyis az élő szervezetek különböző részeiben, de főleg a zsírszövetekben képesek felhalmozódni. A PAH-ok bármilyen organikus anyag tökéletlen égése során keletkezhetnek (4. ábra), s így jelen vannak a cigarettafüstben, az autók kipufogó gázaiban, a kémények, valamint az erdő- és szavannatüzek füstjeiben, füstölt élelmiszerekben (pl. szalonna) és minden olyan termékben, ami elkészítéséhez oxigénhiányos égési folyamat szükséges.
Képződésük a városok szmog problémáival is összefügg, mivel az atmoszférába kibocsátott koromszemcsék PAH molekulákból képződnek. A Nemzetközi Rákkutató- és Környezetvédelmi Ügynökség számos kísérlettel bizonyította ezen molekulák rákkeltő hatását, amely a méretükkel együtt nő. Emiatt a molekulák növekedési mechanizmusainak vizsgálata kiváltképp fontos. A Kormányzati Informatikai Fejlesztési Ügynökség (KIFÜ) [1] által rendelkezésünkre bocsátott szuperszámítógép kapacitásának köszönhetően sikerült részletesen feltárni az egyik leginkább rákkeltő PAH, a benzo(a)pirén (BaP) lehetséges képződési mechanizmusainak energetikai jellemzőit számítógépes kémiai módszerek segítségével [2,3]. A kutatás során több száz számolást indítottunk és sikerült meghatároznunk a legvalószínűbb reakció utakat. Továbbá vizsgáltuk 16 jellemző PAH molekula reakciókészségét, amit a megfelelő kötésdisszociációs energiák meghatározásával vittünk véghez. Az említett folyamatok mélyebb megértésével közelebb jutottunk a PAH-ok képződésének csökkentéséhez, s ezáltal egy egészségesebb környezet kialakításához. Jövőbeli terveink között szerepel a benzo(a)pirén és a DNS kölcsönhatási és kötődési mechanizmusának a vizsgálata. Az így nyerhető eredmények segítségével szeretnénk jobban megérteni, milyen molekuláris folyamatok vezetnek a molekula toxicitásához, és amennyiben lehetséges, akkor megpróbálunk valamilyen javaslatot tenni a káros hatások csökkentésére.
Számomra a monitor a vászon, az egér pedig az ecset… A gömbök és pálcikák, amik molekulákká állnak össze a szemem előtt, Isten csodás alkotásainak homályos tükörképei. Ezeken a homályos tükörképeken keresztül szemlélem a világot. A segítségükkel megpróbálom megérteni, hogyan működik a világ és bízom benne, hogy ezáltal segíteni tudok másoknak.
Hivatkozások
[1] https://wiki.niif.hu/HPC
[2] Reizer, E.; Csizmadia, I. G.; Palotás, Á. B.; Viskolcz, B.; Fiser, B. 2019. Formation Mechanism of Benzo(a)pyrene: One of the Most Carcinogenic Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH). Molecules, 24(6), 1040. https://doi.org/10.3390/molecules24061040
[3] Reizer, E.; Csizmadia, I. G.; Nehéz, K.; Viskolcz, B.; Fiser, B. 2021. Theoretical investigation of benzo(a)pyrene formation. Chemical Physics Letters, 772, 138564. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2021.138564
Köszönetnyilvánítás
Az Innovációs és Technológiai Minisztérium ÚNKP-20-4 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból Finanszírozott szakmai támogatásával készült. A kutatómunka az Európai Unió és a magyar állam támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával, a GINOP-2.3.4-15-2016-00004 projekt keretében valósult meg, a felsőoktatás és az ipar együttműködésének elősegítése céljából. A felhasznált szuperszámítógép kapacitást a Kormányzati Informatikai Fejlesztési Ügynökség bocsátotta rendelkezésünkre.
dr. Fiser Béla
Korszerű Anyagok és Intelligens Technológiák Felsőoktatási és Ipari Együttműködési Központ, Miskolci Egyetem, H-3515 Miskolc-Egyetemváros;
Kémiai Intézet, Műszaki Anyagtudományi Kar, Miskolci Egyetem, H-3515 Miskolc-Egyetemváros;
II. Rákóczi Ferenc Kárpátaljai Magyar Főiskola, UA-90202 Beregszász, Kossuth tér 6;
