Julen Larrucea: "Aluminioaren toxikotasuna ulertzeko, atomo mailan gertatzen dena ulertu beharra dago”

Aluminioaren toxikotasunaren maila molekularreko aurreko ikerketa gehiegirik ez zegoela ikusita 2005. urtean hasi zen Julen Larrucea kimikaria doktorego tesia egiten UPV/EHUn. 2009an "Aluminio katioiaren amino azido aromatikoen gaineko eraginaren azterketa konputazionala" ikerketa argitaratu zuen. Jyväskyläko (Finlandia) NanoScience Center-ean lan egin ondoren, Bremengo Unibertsitatean ari da bigarren postdoc-a egiten.

Aluminioaren toxikotasuna aztertzen duzu txikitasunetik abiatuta, ezta?

Bai, nolabait esateko. Aluminioaren toxikotasuna era oso makroskopiko batean uler daiteke, baina toxikotasun horren eragina zehatz-mehatz ulertzeko, atomo mailan gertatzen dena ulertu beharra dago. Nire doktoretzan jorratu nuen gaia, aluminio katioiak maila molekularrean duen eragina alegia, eta gaia zehaztasun ahalik eta handienarekin aztertu ahal izateko, sistema ahalik eta txikienetan zentratu ginen. Arazoaren “koxka”, aluminioa eta proteinen artean gertatzen da, eta elkarren arteko elkarrekintza behar bezala ulertzeko, sistema osoaren egitura elektronikoa ebatzi behar da. Hori dela eta, proteinen osagaiak diren amino azidoekiko elkarrekintzak aztertu genituen, eta bereziki eraztun aromatikoa dutenenak.

Beraz, testuinguru zabal batetik ikusita, aluminioaren toxikotasuna maila molekular batetik ulertzeko ekarpen bat egin genuen.

Nola egituratu duzu ikerketa hori?

Lau urtetan banatu zen. Hasteko, kimika teoriko eta konputazionaleko doktoretza plana jarraituz, urte bat inguru eman nuen tresneria konputazionala behar bezala erabiltzen ikasten eta doktoretzako kurtsoak egiten. Bigarren urtean, lehenengo urtean jasotako emaitzekin jarraitu nuen, DEA (edo Ikasketa Aurreratuen Diploma) deritzon lana prestatzen nuen bitartean. Bigarren urtearen bukaeran, DEA defendatu nuen eta hortik aurrera buru belarri sartu nintzen tesiarekin.

Ikerkuntzazko ikuspuntu batetik, hasiera batean aluminioa eta ur molekulen arteko konplexuak aztertu nituen, ingurune biologikoa urtsua baita, eta aluminioaren katioaren egoera urtsuko propietate interesgarrienak aztertu nituen. Hortik, adibidez, aluminioak lau edo seiko koordinazio zenbakia izan dezakeela ikasi nuen, eta Nature-ko artikulu batean ziotenaren kontra, egitura pentakoodinatuaren egonkortasuna pentsatzen zena baino txikia dela aurkitu nuen.

(Irudia: 4, 5 eta 6 koordinaturiko aluminio katioia uretan. )

Julen Larrucea 2011 Phys. Scr. 84 045305

Ondorengo bideoan: CPMD simulazioa. Pentacoordinaturiko Al(III)ak, hain bat pikosegunduren ondoren hexacoordinatua bihurtzen da.

Ondoren, aluminioa eta amino azido interesgarrienen arteko konplexuak aztertu nituen, micro-hidrataziozko (ur kopuru murritzezko) egoeran. Atal honetan, aluminio eta aminoazidoen arteko konplexuetan hiru ur molekula baino gehiago izateko ezintasuna aurkitu genuen, eta askok esan zezaketenaren kontra, aluminioa eta amino azido aromatikoen pi elektroien arteko elkarrekintza ingurune urtsuan arbuiagarria dela ere.

(Irudia: Fenilalanina (Phe) amino azidoa eta Al(III) katioaren (berdez) arteko konplexu mikro-solbatatuaren irudikapena. Puntu beltzak Wannier Funtzioen Zentruak errepresentatze dituzte, zeinak loturen izaera kobalentea azaltzen duten. Katioia eta eraztuneko pi-elektroien arteko elkarrekintza nabarmenduta azaltzen da.)

Azkenik, aluminio eta amino azidoen arteko konplexurik egonkorrenak uretan simulatu genituen, Car-Parrinello dinamika molekularreko metodoa erabiliz. Era honetan, besteak beste, aluminioa behin amino azidora (edo proteinara) lotuta, hau kentzeko beharrezkoa liratekeen energiak estimatu genituen.

Zein gaixotasunekin dago erlazionatuta aluminioa? Nola sartzen da gure organismora?

Aluminioarekin loturiko gaixotasunen artean, alzheimerra, parkinson dementzia edo minbizia daude. Izatez, aluminioak ez dauka inongo funtzio biologiko ezagunik, beraz, gure gorputzetan ahalik eta gutxien badugu, hobe.

Aluminioa lur gainazaleko elementurik ugarienetariko bat da eta beraz, erraz aurki daiteke edonon. Gainera, prozesu industrialen eta garapenaren eraginez, toki askotan aurki dezakegu. Adibide batzuk aipatzearren, desodoranteetako aluminio klorohidratoa, kafeontzi, edari ontziak, aluminiozko papera eta honekin baturiko produktuak (janariak, botikak...), edota aluminiozko tresneriarekin manipulatua izan den janaria. Gure organismora gehien bat elikadura edo arnasketaren bidez sartzen da, eta desodoranteen eta kremen kasuan, azalaren bidez.

Tesia argitaratu zenuenetik hona beste ikerketa batzuentzat baliagarri izan da lan hau?

Bai. Esate baterako, behin nire lehenengo postdoc-era joanda, egun batean Australiako doktoretzako ikasle baten mezu bat jaso nuen, nire tesiaren inguruko interesa adieraziz. Erabili nituen metodoei buruz hitz egin nion, eta denbora batera gure taldeen arteko elkarlan bat izaten bukatu genuen. Elkarlan honetan kuprea eta fenialanina aminoazidoaren azterketa egin dugu, eta Australiako ikasle horren tesia neurean oinarritu da.

Proiektuan erabili duzun tresneria zein izan da?

Ikerketa guztia tresneria konputazional soilez burutu da, hau da, ordenagailuz eginiko kalkulu eta simulazioen bidez. Erabilitako metodoak Dentsitate Funtzionalaren Teorian (hots, DFTn) oinarrituta daude, zeinak sistema molekular baten egitura elektronikoa ebatzita, honen propietate eskaintzen dituen. Propietate horietan oinarrituta, besteak beste, egitura molekularrik egonkorrenak bila daitezke, edo birtualki edozein baldintzetan denboran propagatu, eta molekularen jokaera aztertu. Denborako propagazio hau, dinamika molekular izenarekin ezagutzen dena, Donostiara etorri aurretik, Finlandian, metodoaren garatzailetako batengandik ikasi nuen Car-Parrinello dinamika molekularraren bidez burutu nuen.

Simulazioen kostu konputazionalak zenbateko eragina izan du tesiaren garapenean?

Uff... nahikoa. Egitura elektronikoa ebazteko kalkuluak izugarri garestiak izaten dira. Batzuetan asteak edo hilabeteak egon daitezke prozesagailu pila bat paraleloan erabiltzen. Gainera, sistema kontu handiz aukeratu ezean, edota ehunka parametroetako bat txarto aukeratzekotan, kalkulu ordu pila bat alferrik gal daitezke.

Nire kalkuluek, momentu hartan Donostiako jende gehienak egiten zituztenak baino behar konputazional handiagoak zituzten. Jesus Ugalderenekin lan egitearen (beste) gauza zoragarrietako bat, SGIko Arinaz aparte, I2basque-ko kluster osoa praktikan niretzat bakarrik lortu izana izan zen. Gainera Barcelona Supercomputing Center-erako proiektu baten bidez kalkulu ordu mordoa lortu nituen, beraz, ezin naiz kexatu. Baliabide horiek izan ez banitu, oraindik aluminioa eta sei ur molekulen konplexuak kalkulatzen ibiliko nintzateke.

Erreferentzi bezala, dinamika molekularreko simulazio handi bakoitzak, bospasei bat hilabete eman zituen gutxienez 16 prozesagailuetan, pentium IV-en garaian. Kontuak bota.

Nolakoa izan zen ikerketa prozesua zuretzat?

Gainontzeko doktoretzako ikasle gehienena bezalakoa... zatika ona, zatika zaila...

Baina tira, nire doktoretza hitz batean laburtzekotan, aberasgarria aukeratuko nuke.

Ikerketa, eta batez ere doktoretza prozesua, ikastean datza, eta gauzak ez dira beti errazak izaten. Nire kasuan, Car-Parrinello metodoarekin gora eta behera ibili nintzen, eta nik dakidanez, EHUko lehenengoa izan nintzen horretan, beraz, ikasteko mordoa izan nuen. Hala ere, Jesus Ugalderen taldea lan egin izana izugarri lagungarria egin zitzaidan, eta bai Jesusengandik zein gainontzeko lankideengandik jasotako aholkuak bide egokitik eraman ninduten.

Momentu honetan zertan zabiltza murgilduta?

Dagoeneko nire bigarren postdoc-ean nago, Bremenen, Alemanian. Orain dela urte bat etorri nintzen, Jyväskyläko NanoScience Center-ean (Finlandian) egindako postdoc-aren ondoren. Bertan, Japoniako Spring-8 partikula azeleragailuko talde batekin elkarlanean, DVD eta Blue-ray-etan erabiltzen diren materialen polimorfo ezberdinak eta berauen propietate elektronikoak aztertu genituen. Proiektu hartan, besteak beste, fase aldakorreko materialetan zegoen simulaziorik handiena eta luzeena burutu nuen. 8 hilabete Jülich (Alemaniako) superkonputagailuetan, munduko hirugarren handiena zena, momentu hartan. Simulazio hauekin, fase aldakorreko memoria digitaleko gailuen fabrikanteek zeuzkaten zalantza batzuk argitu genituen, arazo posibleen sorburua argitzen lagunduz.

Orain, Bremengo unibertsitatean, prozesuen ingeniaritzako departamentuan nago. Nire oraingo proiektuan, propietate magnetiko jakinak dituzten 2D gainazalak sortzeko prozesu biomimetiko bat garatzen ari gara. Beti ere, metodo konputazionaletan oinarrituta. Prozesu honen bidez, ferritina proteinaren burdina kristalizatzeko gaitasuna erabiltzen dugu, baina naturan gertatzen denaren aurka, proteina honen azpiunitate aktiboak antolatzen ditugu, magnetizazio jakina duten gainazalak sor ditzaten. Gainazal hauek dagoeneko mikroelektronikan edo biomedikuntzan erabiltzen dira, baina gure ideiaren bidez, materiala sortzeko prozesua errazagoa, merkeagoa eta ekologikoagoa izateaz gain, beronen magnetizazioa era zehatz batean aukeratzeko posibilitatea eskainiko du.