Mani kā pētnieku iedvesmo attēls un mēģene. Uzzīmēt molekulai "portretu", izdomāt, kā to "pārliecināt" rīkoties citādi, un tad pārbaudīt, vai tas strādā reālajā pasaulē, radio NABA raidījumā "Zinātnes vārdā" atklāja Organiskās sintēzes institūta vadošais pētnieks Kristaps Jaudzems, izskaidrojot savu motivāciju Alchemeira slimības un zirnekļa zīda pavedienu pētniecībā.
Ivars Austers: Kādas ir tavas pētnieciskās intereses?
Kristaps Jaudzems: Man interesē molekulu struktūras jeb atomu izkārtojums telpā. Dzīvības funkcijas un arī slimības var saprast, skatoties uz iesaistīto molekulu trīsdimensiju modeļiem un mēģinot saprast, kas šos modeļus "sašūpo" uz labo vai slikto pusi.
Manuprāt, Alcheimera slimība būs nākotnes pandēmija. Mēs to spējam diagnosticēt arvien agrāk, bet efektīvas, slimības gaitu mainošas terapijas vēl trūkst.
Mēs pētām molekulāros mehānismus, kā beta-amiloīda peptīds izgulsnējas smadzenēs, mēģinām šo procesu "replicēt kolbā" un ar fizikas metodēm noskaidrot, kā tieši mainās tā struktūra. Grūtības rada tas, ka šīm molekulām ir daudz pārvērtību ceļu, tāpēc jāatrod tas, kurš patiešām nosaka slimības gaitu.
Mani kā pētnieku iedvesmo attēls un mēģene. Uzzīmēt molekulai "portretu", izdomāt, kā to "pārliecināt" rīkoties citādi, un tad pārbaudīt, vai tas strādā reālajā pasaulē. Tur arī slēpjas zinātne, kurā medicīna ar ķīmiju iet roku rokā. Starpdisciplinaritāte dod jaunas idejas. Diskusijās ar mediķiem saproti, ko pats neesi pamanījis, savukārt viņiem noder molekulārā precizitāte. No šīm "robežsarunām" dzimst jauni risinājumi.
Kādas ir šīs slimības ārstēšanas stratēģijas?Svarīgākais izrāviens ir tajā, ka varam pētīt niecīgus pacientu audu daudzumus un redzēt, kā šīs vielas izskatās "īstajā slimībā". Tad salīdzinām ar to, ko esam radījuši mēģenē. Ir grūti precīzi atdarināt, kas notiek smadzenēs, bet arvien tuvāk tam pietuvojamies. Pēc neveiksmēm ar "klasiskajām" zālēm ārstēšanas fokuss aizgājis uz imūnterapiju – aktīvu (vakcīnas, kas ierosina antivielas organismā) un pasīvu (saražo antivielas un ievada pacientam). Ir vairāki zāļu kandidāti klīniskos pētījumos. Lai gan pirmie signāli ir cerīgi, jāatzīst, ka esam tikai procesa sākumā. Tuvākie gadi parādīs, vai šī pieeja tiešām modificē slimības gaitu.
Nākotnes perspektīvā varētu tapt arī profilaktiskas zāles, kas stabilizē veselīgo proteīnu formu, lai tas neaiziet patoloģiskajās pārvērtībās.
Tas būtu citādāks mehānisms nekā ierastajām terapijām. Kombinējot ģenētiskos, bioķīmiskos un attēlu datus ar mākslīgo intelektu, varēsim labāk noteikt risku un izvēlēties, kam kādas terapijas būtu piemērotākās. Arvien vairāk eksperimentu pārceļas uz datoru, jo tas taupa resursus. Bet beigu beigās "reālajai dzīvei" tāpat ir jāsakrīt ar modeli. Mēs parasti simulējam vienu izolētu posmu un tad laboratorijā pārbaudām, vai realitātē tas tiešām notiek tāpat.
Zirnekļa zīda pavediena izmantošana zinātnē
Kas ir zirnekļa zīds?Zirnekļa zīds ir viens no aizraujošākajiem dabas materiāliem. Tam ir izcila mehāniskā izturība, bioloģiska saderība un biodegradabilitāte. Tas ir ideāls materiāls audu reģenerācijai, tāda kā šūnu "matrica", kas varētu būt pat mākslīgo orgānu pamatā. Vienīgā problēma ir tāda, ka zirnekļi ir kanibāli, tos nevar audzēt fermā un nevar slaukt, jo zirnekļi nav kā govis. Tā kā zirnekļi dabīgo zīdu ražo mazos apjomos, mēs izveidojām mākslīgo zirnekļa zīdu. Mēs ņemam zirnekļa gēnu, kas kodē zīda proteīnu, ieliekam to baktērijās, un tās kolbā saražo izejvielu. Saražoto zīda olbaltumu pēc šūnu sašķelšanas attīrām. Lielais izaicinājums ir šo šķidro proteīnu pārvērst par tādu pašu cietu pavedienu, kādu izvelk zirneklis. Te vajag 3D attēlus un dziļu izpratni, lai atdarinātu dabisko vērpšanas procesu.
Visgrūtākais ir atdarināt zirnekļa zīda dziedzeri. Dabā olbaltums plūst caur sašaurinātu kanālu, kur strauji mainās vide – pH, jonu sastāvs un molekulas pašorganizējas šķiedrā. Mēs darām to pašu mākslīgi: spiežam šķīdumu caur kapilāru, kontrolējam ķīmiskos apstākļus un kapilāra galā dzimst šķiedra, ko uztinam uz spoles. Šim materiālam ir daudz pielietojumu ārpus laboratorijas – medicīnā brūču pārklājumi, šuvju materiāli, šūnu kultūru "skeleti", audu inženierija. Arī transportā un aizsardzībā, kur vajag vieglu, izturīgu un drošu materiālu. Bet līdz plašai ražošanai ir jānokārto vēl viens eksāmens: kā no bioreaktora konsekventi iegūt materiālu ar dabiskajam zīdam līdzvērtīgām īpašībām.
Pagaidām galvenokārt pētām mākslīgā zirnekļu zīda mehāniskās un bioloģiskās īpašības, veidojam arī membrānas. Esam spēruši soli ārpus akadēmiskās vides, izveidojot jaunuzņēmumu SIA "PrintyMed", kas šo tehnoloģiju "ved" uz medicīnas produktiem. Pirmais virziens ir membrānas "orgāns uz čipa" sistēmām, kur šūnām vajag drošu un biomehāniski pareizu balstu. Otrs ir ielāpi audu inženierijai, tostarp sirds vārstulim. Zīds ir izturīgs, bioloģiski saderīgs un biodegradējams – tas ir lielisks materiāls reģeneratīvajai medicīnai.
Vai organisms neprotestē?Pētījumos ar dabisko un pētnieku izveidoto mākslīgo zīdu dzīvnieku nozīmīgas imūnreakcijas nav novērotas. Mēs paši līdz dzīvnieku un cilvēku pārbaudēm vēl neesam nonākuši, taču tieši uz to ejam – bioloģiskā saderība ir viens no galvenajiem kritērijiem.
Kāpēc zirnekļa zīds ir tik izturīgs?Stiprums dzimst pamazām. No atomu līmeņa molekulas veido protofibrillas, tās savērpjas mikrofibrillās un tālāk "virvē". Šāda daudzslāņaina, elastīga struktūra dod gan stingrību, gan triecienizturību. Oglekļa šķiedra ir ļoti stingra, bet trausla, zīds ir elastīgāks, tāpēc daudziem pielietojumiem praktiski izturīgāks.
Inženieriem šāds viegls, stiprs, elastīgs un bioloģiski saderīgs materiāls ir kārdinošs mērķis pielietojumiem transportā, aizsardzībā, sportā.
Ir pat vīzijas par "kosmosa pacēlāju" – tur vajadzīgs materiāls ar ārkārtīgu stiprības-pret-svara attiecību. Tuvākajā laikā reālākās lietošanas iespējas ir mākslīgais zirnekļu zīds kā alternatīva oglekļa šķiedrai, kā arī triecienizturīgi tīklojumi, filtri un dažādi tehniskie audumi. Mehāniskos testos dabisko zirnekļu zīdu gan nepārspējam, labākajos prototipos iegūstam ap ~30 % no tā parametriem. Taču ķīmija ļauj pievienot īpašības, kādas dabā nav, piemēram, izcilu ūdensizturību. Mērķis ir dabai draudzīgs, elpojošs materiāls, kas var aizstāt "Gore-Tex". Es gribu izveidot materiālu, kurš ūdeni atgrūž, bet kas ķermenim ir ērts un draudzīgs.
Kā dzimst idejas ķīmijā un medicīnā?
Labākās idejas atnāk, skatoties "ārpus savas kastes". Es apzināti eju uz biomedicīnas konferencēm, runāju ar mediķiem un biologiem un tad uzdodu sev jautājumu: "Ko šeit var izdarīt molekulas līmenī?" Vajadzīga arī telpa domāšanai – pastaiga, saruna, skice uz salvetes. Un, protams, laboratorija, kur to pārbaudīt. Šobrīd mākslīgais intelekts maina to, kā mācāmies – faktu iegaumēšana kļūst mazsvarīgāka, bet svarīgāka kļūst pieredze, prasmes un interpretācija. Es lekcijās studentiem izmantoju mākslīgo intelektu, lai 10 minūtēs sarunā izstāstītu Nobela prēmijas stāstu. Studentiem tas patīk, bet dzīvais cilvēks paliek neaizstājams – diskusijās, laboratorijas darbos un anekdotēs, kas veido atmiņas un domāšanu.
