Zinātnes vārdā

Roboti un jaunākās tehnoloģijas lauksaimniecībā

Zinātnes vārdā

Latvijas Zinātņu akadēmijas prezidenta vēlēšanas. Kā akadēmiju padarīt mūsdienīgu?

Zirnekļu tīklu un 3D attēlu ķīmija

Izpētīt zirnekļa zīdu. Saruna ar fizikālķīmiķi Kristapu Jaudzemu

Kā medicīnā var palīdzēt zirnekļu zīds, un kā to var iegūt laboratorijā? Kā zāles izgudrot datorā, un kāda loma to tapšanā būs mākslīgajam intelektam? Par šiem un citiem jautājumiem Latvijas Universitātes LR6 radio NABA raidījumā “Zinātnes vārdā” ar Latvijas Organiskās sintēzes institūta Fizikāli organiskās ķīmijas laboratorija vadītāju Kristapu Jaudzemu sarunājas Ivars Austers.

Jūs laboratorijā strādājat ar kodolu magnētisko rezonansi. Kas tas īsti ir, un kā šis darbs notiek?

Kodolu magnētiskā rezonanse ir viena no plašāk pielietojamām metodēm ķīmijā, lai noskaidrotu vielu struktūru. Ķīmiķi nodarbojas ar dažādu reakciju veikšanu, un šo reakciju rezultātā rodas jaunas vielas. Lai parādītu, kā atomi ir savienoti šajās vielās, izmanto kodolu magnētisko rezonansi. Būtībā tā ir visplašāk izmantotā metode šim mērķim. Taču šo metodi var izmantot arī citiem nolūkiem, piemēram, es pamatā to izmantoju, lai ieraudzītu, kā atomi izkārtojas telpā.

Cilvēki savā ikdienā biežāk ir sastapušies ar kodolu magnētisko rezonansi, ko pielieto medicīnā. Ja mēs skatāmies fizikālos parametrus, tad būtībā tā ir tā pati metode, tikai tas veids, kā tiek iegūts attēla kontrasts, ir atšķirīgs. Medicīnā pēta ūdens molekulas, to īpašības, kas ir atšķirīgas dažāda veida audos, līdz ar to var iegūt šo kontrastu un ieraudzīt dažādus audus, tāpat arī dažādas pataloģijas. Savukārt savus datus izmantojam, ar dažādu programmu palīdzību veidojot trīsdimensionālus modelīšus, ko var aplūkot datorā. Mēs šajos modeļos raugāmies uz elektronu atomu blīvumu ap ūdeņražatoma kodoliem, analizējot ķīmisko nobīdi, kuru interpretējot varam sazīmēt, kā tie atomi ir savienoti.

Kur ir tas jaunais, ko jūs laboratorijā atklājat?

Mana laboratorija nodarbojas ar diviem uzdevumiem. Viens ir, ka pie mums vēršas no citām laboratorijām, atnesot vielas un lūdzot, lai saprotam, kā tās izskatās – vai tām ir tā struktūra, vai atomi savienoti tā, kā viņi ir vēlējušies, vai ne. Jo, ja tiek veikta pilnīgi jauna vielu reakcija, nav iespējams būt pārliecinātiem, ka rezultātā tiks iegūts tas, ko vēlējāmies. Nereti ir gadījumi, kad tiek iegūts pavisam kas cits. Tāpēc jāmēģina noskaidrot, lai saprastu, kas tajā ķīmiskajā reakcijā īsti notika. Ieraugot rezultātu, var sākt domāt, kāds tad bija tas alternatīvais reakcijas mehānisms, kas ir noticis.

Otrs mūsu laboratorijas uzdevums ir izmantot ar kodolu magnētisko rezonansi iegūto informāciju, lai saprastu vielu īpašības. Mūs interesē, piemēram, zāļu vielu spēja saistīties ar to mērķu receptoriem – mēģinām ieraudzīt to, vai zāļu viela spēj piesaistīties pie tā mērķa receptora vajadzīgajā vietā un arī saprast, kādas mijiedarbības nodrošina šo saistību.

Vēl viens virziens ir darbs ar mākslīgo zirnekļu zīdu

– mūsu mērķis ir saprast, kā vielas struktūra nosaka materiāla īpašības un kādas vielas struktūras pārvērtības nodrošina fizikālas pārmaiņas materiālā. Mūs interesē, kā zīdu veidojošie proteīni izmainās zirnekļa zīda dziedzerī, pārejot no šķīstoša cietā stāvoklī, lai pēc tam šo procesu mēģinātu atdarināt arī laboratorijā un tādējādi iegūt mākslīgo zirnekļa zīdu.

Zirnekļa zīdam ir vairākas svarīgas īpašības – par spīti niecīgajam izmēram, tas ir ārkārtīgi izturīgs, tas arī ir bioloģiska viela, jo sadaloties nerada nekādu kaitējumu. Bet kā jums vispār radās interese par to, kā nonācāt līdz tam kā pētījuma objektam?

Arī zīdtārpiņu zīds ir ļoti augstvērtīgs materiāls. Tiesa, tas nav tik izturīgs kā zirnekļu zīds. Zīdu kā materiālu cilvēce pazīst vairākus gadu tūkstošus. Cilvēki arī zināja vai noskaidroja, ka zirnekļu zīds veidots no olbaltumvielām. Un tautas medicīnā sen zināms, ka to var likt virsū ievainojumiem, jo tas veicina dzīšanu. Tā kā zināšanas par to cilvēce jau bija uzkrājusi ļoti ilgi, bet, kad radās iespēja to jau detalizētāk pētīt ar mūsdienu zinātnes metodēm, tad tam pievērsās arī zinātnieki.

Ir zīdtārpiņu fabrikas. Vai teorētiski ir iespējams ievākt zīdu no zirnekļiem?

Zīdtārpiņus ir viegli audzēt, tāpat arī ievākt no viņiem zīdu, taču ar zirnekļiem nav tik vienkārši, jo viņi ir plēsēji, kanibāli – viens otru apēdīs. Un arī iegūt zīda šķiedru no viņu tīkliem nav viegli. Ir mēģināts zirnekļus imobilizēt, kaut kā piesiet un tad vilkt ārā zīda šķiedras. Bija viens eksperiments, šķiet, Madagaskarā, kur prāvs pulciņš pētnieku audzēja miljonu zirnekļu un vairākus gadus vāca no viņiem zīda šķiedru. Beigās pētnieki savāca tik daudz, lai uzadītu vienu kleitu.

Cik tālu ar šo pētījumu jūs tagad esat?

Šos pētījumus aizsākām, interesējoties par zīda šķiedru veidošanās mehānismu no fundamentālās zinātnes skatu punkta – mūs uzaicināja sadarboties kāda zviedru laboratorija no Karolinska institūta ar jautājumu, vai mēs būtu ieinteresēti papētīt, kā notiek proteīnu strukturālās izmaiņas, pārejot no šķīstoša uz cietu šķiedras stāvokli. Šis pētījums bija ļoti veiksmīgs, un tā rezultātus izdevās nopublicēt ļoti prestižos zinātniskos žurnālos.

Un tas kalpoja arī par pamatu, lai izveidotu pirmo tehnoloģisko metodi mākslīgo zīda šķiedru iegūšanai laboratorijā pēc tāda paša principa, kā šī zīda šķiedras veidošanās notiek pašā zirneklī.

Arī citas zinātnieku grupas iepriekš bija jau strādājušas pie metodes, lai iegūtu mākslīgas zirnekļa zīda šķiedras, bet tas process, ko viņi tur izmantoja, vairāk atbilda tam, ko izmanto dažādu polimēra šķiedru iegūšanai, tāpēc iegūtās šķiedras nebija mehāniski tik izturīgas un tik augstvērtīgas. Savukārt mūsu zviedru kolēģi, ieviešot procesu, kas atdarina dabisko, spēja iegūt šķiedras, kas pēc savām īpašībām bija daudz tuvākas dabiskajām šķiedrām.

Kā jūs nonācāt līdz šim rezultātam?

Nevienu zirnekli eksperimentos neizmantojām, izņemot to, ka tika izpreparēts zirnekļa zīda dziedzeris un dažādos zīda dziedzera punktos tika samērīti vides apstākļi. Tālāk mēs atdarinājām šos vides apstākļus pētījumā un vērojām, kā izmaiņas ietekmē olbaltumvielu, proteīnu struktūru, kas mums ļāva saprast, kuri no vides apstākļiem ir kritiski svarīgi, lai nodrošinātu pāreju no šķīstoša uz cietu stāvokli un iegūtu augstvērtīgas šķiedras.

Kāda ir tava prognoze – kad šo pētījumu rezultātu varēs izmantot medicīnā? Pieņemu, ka tā jau nebūs tikai medicīna.

Domāju, ka specifiski pielietojumi attīstīsies jau tuvāko piecu gadu laikā, jo pirmā šķiedra, kas tika iegūta, ir diezgan izturīga un arī biosaderīga. Tā jau ir izmēģināta dažādās šūnu kultūrās, un ir parādīts, ka tā veicina zīdītāju, tajā skaitā cilvēku, šūnu augšanu trijās dimensijās. Līdz ar to tur jau notiek tāda tehnoloģiju pārnese, un tiek pētīts, kādi varētu būt pielietojumi, teiksim, kuri šūnu veidi vislabāk ar to šķiedru sadzīvo.

Tas produkts visdrīzāk būs tāds, ko var izmantot slimnīcās, un pirmais pielietojums būtu audu reģenerācija, ieskaitot tādus audus, kas nav viegli reģenerējami, piemēram, centrālās nervu sistēmas audus.

Iegūtās šķiedras pēc mehāniskajām īpašībām dabiskās šķiedras atdarina 25-30% apmērā, un mēs Organiskās sintēzes institūtā strādājam pie tā, lai celtu šo šķiedru mehānisko izturību. Mūsu novērojumi liecina, ka šķiedras paliek trauslas, zaudējot ūdeni, un mēs mēģinām to novērst.

Kā tu vispār kļuvi par ķīmiķi, un kā mūsdienās cilvēks kļūst par ķīmiķi?

Jau pamatskolā man ķīmija labi padevās, bet labi padevās un patika arī fizika un matemātika. Āgenskalna Valsts ģimnāzijā mācījos klasē ar fizikas novirzienu, un šajā klasē bija atsevišķa skolēnu grupiņa, kas tika gatavota pasaules fizikas olimpiādei. Arī es tajā biju iekļuvis, un mums bija viena diena nedēļā, kad visu dienu mācījāmies tikai fiziku – risinājām olimpiāžu uzdevumus. Rezultātā tās fizikas man vienkārši kļuva par daudz, bet tajā pašā laikā ķīmija mani vēl arvien saistīja, un 12. klasē mēs ar klasesbiedru izdomājām, ka izstrādāsim zinātniskās pētniecības darbu ķīmijā. Sarunājām ar profesori Ēriku Bizdēnu, kas tajā laikā bija arī skolotāja Āgenskalna Valsts ģimnāzijā, ka mēs šo darbu varētu izstrādāt pie viņas Rīgas Tehniskās universitātes laboratorijā. Tā aizsākās manas attiecības ar ķīmiju.

Tur es nokļuvu īstā laboratorijā. Mēs strādājām pie ļoti interesanta projekta par gēnu sintēzi, bioloģiskas vielas ķīmisku sintēzi. Un, jā, tas man patika.

Kā skolā būtu jāmāca ķīmija?

Vislabāk mēs varam kaut ko apgūt, ja mūs tas ieinteresē, bet ieinteresē droši vien tas, ar ko mēs saskaramies ikdienā, tāpēc, manuprāt, ķīmija būtu jāmāca caur to, kas mums ir apkārt, caur dzīvi. Organiskajā ķīmijā ir daudz dažādi piemēri – gan bioķīmijas daļa, kas noris dzīvos organismos, gan materiālā un sadzīves ķīmija, kas arī lielā mērā balstīta organiskajā ķīmijā. Apgūstot ķīmiju caur lietām, kas ir mums apkārt, mēs varētu daudz labāk izprast sevi.

Ko cilvēki var mācīties no ķīmijas, no ķīmiķiem domāšanas ziņā, kas tajā ir tāds, ko citi varētu izmantot?

Es teiktu, ka ķīmija spēj izskaidrot gandrīz jebkuru norisi gan dabā, tajā skaitā arī dzīvajos organismos līdz sīkākajām detaļām. Ķīmija ir ļoti vērtīga, lai cilvēkiem veidotos kritiskā domāšana par sabiedrības veselību, lai viņi spētu formulēt pamatotu attieksmi pret savu veselību, kā arī vidi, kurā dzīvojam. Ķīmijas zināšanas palīdz izprast, kā vides piesārņojums ietekmē mūsu dzīvi. Piemēram, mēs katru dienu mazgājam rokas – ziepes ar tādu PH, ūdens ar zemāku PH, bet vai saprotam, ko tas īsti nozīmē un kā šīs vielu īpašības izpaužas mijiedarbībā ar cilvēku?

Kā ķīmija attīstīsies pēc 10, 20 gadiem? Ķīmija, protams, ir plaša, bet vai redzi, kā attīstīsies tevis pārstāvētā nozare – vielu modulēšana telpiskā nozīmē?

Vielu modulēšana tiešām attīstās strauji, un mēs jau šobrīd varam mēģināt zāles izgudrot datorā, varam mēģināt datorā izgudrot jaunus materiālus. Protams, ka šobrīd tie datori nav tik jaudīgi, lai spētu ar ļoti augstu ticamību visas īpašības paredzēt.

Tad laboratorijā vairs nebūs mēģenes un visas pārējās lietas, ar kurām mums stereotipiski saistās ķīmija?

Beigu beigās kādam tā viela jau tik un būs jāuztaisa, bet liels apjoms mēģinājumu un pārbaužu varētu tikt izlaistas, sākotnējos testus veicot datorā. Ja mēs paskatāmies, kas mums jau ir pieejams šodien, ko jau mēs varam darīt datorā – ja tev ir kaut kāda molekula ar vēlamajām īpašībām, tad tu vari to datorā optimizēt, modelēt, lai saprastu, kas tajā ir jāmaina, lai vēl nedaudz uzlabotu, sevišķi attiecībā uz zāļu vielām. Domāju, ka nākotnē mākslīgais intelekts varētu mums palīdzēt veiksmīgāk nonākt pie optimālākā sintēzes ceļa – ja mums ir kaut kādas izejvielas un vēlamais produkts, ir daudz dažādi ceļi, dažādas reakcijas, ko mēs varam izmantot, lai pie tā nonāktu.

Kas ķīmijas gadījumā ir mākslīgais intelekts? Ar šo vārdu savienojumu saprot tik dažādas lietas, tajā skaitā daudz ko tādu, kas īstenībā ir pazīstams 10 vai 20 gadus, tikai neviens to nesauc par mākslīgo intelektu.

Tas ietver visu esošo zināšanu par ķīmiskajām reakcijām apkopošanu un ķīmisko reakciju pamatlietu, pamatmehānismu izpratni, lai mākslīgais intelekts varētu gan smelties teorētiskās zināšanas un lai pats spētu atrast ceļu, kā visoptimālāk no izejvielas nonākt pie produkta.

Kādā virzienā attīstīsies ķīmija tematu ziņā?

Domāju, ka sabiedrības veselība kā viena no galvenajām tēmām nekur nepazudīs.

Redzu, ka pēdējā laikā aizvien vairāk ķīmiķu prātus aizņem materiālzinātne, jo īstenībā tehnoloģijas attīstās, pateicoties jauniem materiāliem, it sevišķi viedajiem materiāliem. Tā kā lielāku rosību mēs varētu sagaidīt šajā virzienā. Vēl aktīvs darbs varētu norisināties pie dažādiem materiāliem vai produktiem, kas nepieciešami ekstrēmām vidēm, piemēram, kosmosam.

Lietas, par kurām tu runā, ir uz robežas ar bioloģiju, medicīnu, inženierzinātnēm. Vai šobrīd ir arī kaut kas interesants, neatrisināts ķīmijā teorētiskā nozīmē, vai tas viss paliek fizikas daļā?

Es teiktu, ka fizikā noteikti tie izaicinājumi ir lielāki. Ķīmijas izaicinājumi drīzāk ir specifiski, piemēram, kaut kādas pārvērtības, kas šobrīd ir grūti veicamas. Ir dažādi fluoru saturoši reaģenti, un ne ar vienu no viņiem nevar tā viegli strādāt. Taču fluors ir plaši pārstāvēts zāļu vielās un arvien vairāk tiek izmantots zāļu vielu konstruēšanā, un tur ir vairākas neatrisinātas lietas, ar kurām ķīmiķi, viņu vidū arī mani kolēģi Organiskās sintēzes institūtā, daudz strādā.

Ja tu tagad saņemtu gandrīz neierobežotu finansējumu, ko tu gribētu pētīt?

Es jau šobrīd esmu dabūjis divus pietiekami lielus grantus un strādāju pie diviem lieliem projektiem. Viens ir šis mākslīgais zirnekļa zīds, un es redzu, ka tajā mums ir nepieciešama plaša sadarbība ar citiem pētniekiem – gan no materiālzinātnes, gan fizikas, gan medicīnas jomas. Šo pētījumu varētu izvērst plašumā, tad mēs pie rezultāta nonāktu daudz ātrāk.

Otrs projekts, kas, manuprāt, arī ir ļoti svarīgs un interesants, ir darbs pie mehānismu izpratnes par to, kā attīstās Alcheimera slimība un citas neirodeģeneratīvās slimības. Šajā pētījumā ir ļoti daudz ko darīt, un tas arī globāli ir ļoti nozīmīgs temats, jo mēs redzam, ka neirodeģeneratīvās slimības skar arvien plašāku cilvēku loku. Ņemot vērā, ka cilvēki noveco vēlāk un dzīvo ilgāk, tiek prognozēts, ka pēc 50 gadiem šo slimību pacientu proporcija būs ievērojami lielāka. Šis ir ļoti perspektīvs, bet vienlaikus arī sarežģīts pētījumu virziens, bet domāju, ka tās metodes, ko pārvaldu, un tās zināšanas, kuras man ir, ir ļoti labi pielietojamas tieši šajā jomā.

Kļūda rakstā?

Iezīmējiet tekstu un spiediet Ctrl+Enter, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Iezīmējiet tekstu un spiediet uz Ziņot par kļūdu pogas, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Tehnoloģijas un zinātne
Dzīve & Stils
Jaunākie
Interesanti