Lendületesek: Szilágyi István
A vegyipar minden ágában alkalmaznak enzimeket, amelyek eddig főként élő szervezetekből származtak. Ezekkel azonban számos technikai, illetve szabályozási probléma van, így nagy az igény a helyettesítő molekulák kifejlesztésére. Szilágyi István, az MTA doktora, a Szegedi Tudományegyetem Fizikai Kémiai és Anyagtudományi Tanszékének docense, az MTA-SZTE Lendület Biokolloidok Kutatócsoport vezetője a Lendület Program támogatásával úgynevezett nanozyme-okat (vagyis enzimhatású nanorészecskéket) szeretne kifejleszteni, amelyek a jövőben forradalmasíthatják az összes enzim katalizálta ipari eljárást.
Szilágyi István
A nanozyme-ok (amelyek nevét a nano- és az enzim angol megfelelőiből képezték) olyan nanoméretű biokatalizátorok, amelyek egyfázisú nanorészecskeként képesek az enzimműködést utánozni. Természetes enzimeket számos ipari szektorban alkalmaznak katalizátorként, de vannak hátrányaik is: nagyon érzékenyek, könnyen denaturálódhatnak a hőmérséklet-, pH- vagy nyomásváltozás hatására, és ilyenkor elveszítik az aktivitásukat. Az utóbbi időszakban ezért egyre nagyobb igény mutatkozik a természetes enzimek kiváltására, és a nanozyme-ok alkalmasak e célra.
„Már régen elkezdődtek az enzimutánzó anyagok kifejlesztését célzó kutatások. 2007-ben fedezték fel az első peroxidáz-mimikáló nanozyme-ot. E szervetlen nanorészecskéknek hasonló katalitikus tulajdonságaik vannak, mint a természetes enzimeknek, így helyettesíthetik őket – mondja Szilágyi István. – A természetes enzimekkel az az egyik probléma, hogy sokszor génmódosított szervezetekből származnak, márpedig ezek használatát a különböző hatóságok is sokszor tiltják. Így verseny indult el a hatékony mesterséges enzimek megtalálása érdekében.”
A nanozyme-kutatás a kémia és az anyagtudomány egyik forró területe.
A brit Királyi Kémiai Társaság folyóiratának különszáma szerint immár 35 ország 400 kutatócsoportja foglalkozik nanozyme-okkal. Az MTA-SZTE Lendület Biokolloidok Kutatócsoport így egy rendkívül kompetitív tématerületen vetette meg a lábát. Szilágyi Istvánnak ez már a második győztes Lendület-pályázata, hiszen 2018-ban már elnyerte a program támogatását, amikor hazaköltözött a Genfi Egyetemről. A kutatócsoport-vezető egyik idén végzett PhD-hallgatója, Nizar Alsharif olyan jelentős felfedezéseket tett az elmúlt években a nanozyme-ok terén, amelyek alapot szolgáltattak az újabb Lendület-pályázathoz. Nizar a Lundi Egyetemen nyert el egy posztdoktori pozíciót, márpedig Szilágyi István szerint a kolloid- és felületi kémiában a Lundi Egyetem a világ egyik legtekintélyesebb kutatóhelye. Örömteli dolog, hogy a hazai utánpótlás is rendkívül ígéretes. Például Viczián Dániel, aki Nizarral dolgozott együtt középiskolás diákként az utóbbi másfél évben ezen a tématerületen, áprilisban nagydíjat nyert a Tudományos Diákkörök Kárpát-medencei Konferenciáján, az Országos Tudományos Diákköri Konferencia döntőjén pedig különdíjat kapott egyetemisták között versenyezve.
Az új Szilágyi LaboratoryLendület-kutatócsoport már csak nanozyme-okkal foglalkozik. Korábban még csak antioxidáns hatású nanozyme-okat kutattak, amelyek reaktív oxigénrészecskéket tudnak bontani, illetve csökkenteni tudják az oxidatív stresszt. A következő években azonban már olyan nanozyme-okat igyekeznek majd kifejleszteni, amelyek többféle enzimet is utánozni tudnak. Létezik ugyanis olyan nanozyme-család, amely a hidrolitikus hatású enzimek aktivitását utánozza. Ezek például az izocukorgyártásban játszhatnak jelentős szerepet a jövőben. Az izocukrok a leggyakrabban alkalmazott édesítőszerek. Ezeket jelenleg két lépésben gyártják: először kukoricakeményítőt hidrolizálnak amiláz enzimmel, majd ezután izomeráz enzimek segítségével katalizálják a glükóz-fruktóz átalakulást. Elméletileg lehetséges lenne ezt a két enzimet egy kompozit nanozyme-mal helyettesíteni. Ehhez találni kellene egy amiláz és egy másik izomeráz aktivitású nanozyme-ot, majd a kettőt kompozitrészecskévé kellene összeépíteni.
Szilágyi István kutatócsoportjával
„A kedvenc példám a sörgyártás. A papain enzimet a fehérjék szétdarabolására használják a sörgyártás során. Csakhogy a folyamatban hidrogén-peroxid is jelen van, amit egy másik, peroxidáz enzim használ fel – folytatja Szilágyi István. Viszont a papain a peroxidáz enzimet is szétdarabolja, ha hozzáfér, így együttes alkalmazásuk nehézkes. – Ha tehát összeraknánk egy proteáz és egy peroxidáz aktivitással is rendelkező nanozyme-ot, akkor olyan multifunkcionális nanozyme-kompozitot kapnánk, amely mindkét enzimatikus funkciót el tudná látni.”
A kutatócsoport fő célja tehát a multifunkciós nanozyme-kompozitok kifejlesztése.
Nemcsak az iparban lehetne ezeket használni, hanem például a gyógyászatban is.
Kezelni lehetne velük például gyulladásos betegségeket, hiszen nagy szükség lenne olyan széles spektrumú, antioxidáns hatású anyagokra, amelyek stabilisak és hatékonyak az élő szervezetekben uralkodó körülmények között Szilágyi István elmondta, hogy a második Lendület-csoport munkájának elindítása sokkal egyszerűbb volt, mint 2018-ban az első csoportjáé. Akkor, 8 és fél éves svájci kutatómunka után mindent a nulláról kellett kezdeni Szegeden, be kellett szerezni a kutatási infrastruktúrát, és toborozni kellett új embereket is. A második csoport indulásakor azonban már szinte minden adott volt, így azonnal elkezdődhetett a kutatás.
A világon nanozyme-okat vizsgáló kutatócsoportok között vannak enzimkatalízissel foglalkozó cégek berkein belül működő laboratóriumok is, így a kutatásvezető feltételezi, hogy a közeljövőben egyre több nanozyme-alapú, iparilag hasznosítható termék is megjelenik. Szilágyi István hangsúlyozza, hogy ők felfedező kutatást folytatnak, bár közelítenek az alkalmazott kutatás felé. A használható termék megszületéséhez azonban mindenképpen ipari partnerek vagy kutatóintézetek bevonására lesz szükség.
„Az enzimek a leghatékonyabb katalizátorok, vagyis az enzimek által katalizált folyamatoknál jobbat nagyon nehéz csinálni. Ezért enzimeket a vegyipar legtöbb alkalmazási területén használnak, az élelmiszeripartól kezdve a gyógyszeriparon keresztül az olajiparig – érvel Szilágyi István. – Vagyis óriási lehetőségek állnak a natív enzimeket helyettesítő anyagok előtt. Hosszú távon a nanozyme-ok mindenhol meg fognak jelenni, ahol ma természetes enzimeket használnak.”