Już nie wielomiesięczna praca w laboratorium, ale modelowanie molekularne z wykorzystaniem komputerów o super mocy obliczeniowej – tak teraz wygląda praca chemików przy projektowaniu nośników leków. Studenci PWr właśnie taką metodą badają właściwości hydrożeli i porowatych materiałów krzemionkowych

– Okazuje się, że te matryce polimerowe świetnie sprawdzają się w roli nośników różnych materiałów biologicznie czynnych - mówi Dawid Capała z koła naukowego  Biochemistry and Nanophysics Group BANG, działającego przy Wydziale Chemicznym.  –  Hydrożele mają strukturę bardzo podobną do naturalnego środowiska komórek i tkanek. Dlatego są wyjątkowo efektywnymi nośnikami leków, a także jako opatrunki, materiały stomatologiczne, elementy implantów. Są podstawowym „budulcem” szkieletu w regeneracji tkanek czy przy tworzeniu np. soczewek kontaktowych nowej generacji. Ponieważ hydrożele mają dużo pustej przestrzeni, wykorzystuje się je również jako suberabsorbenty.

Znacznie krótsza droga

Student wyjaśnia, że mezoporowate struktury krzemionkowe (tzw. krzemionki) także mają wolne przestrzenie, ale w postaci bardzo uporządkowanych kanałów o bardzo małej średnicy do kilkunastu Angstromów (10-10 m, mniej więcej rozmiar atomu). Ponieważ można je modyfikować chemicznie różnorodnymi grupami funkcyjnymi od środka i powierzchniowo, jesteśmy w stanie sterować zarówno procesem doczepiania różnych cząsteczek bioaktywnych, jak również ich uwalnianiem. Krzemionki mogą służyć także jako systemy uwalania leków w terapiach długotrwałych,  nanoreaktory czy bardzo wydajne katalizatory. - Wykorzystanie i możliwości rozwoju tych, materiałów są ogromne – mówi Dawid Capała.

Studentom z koła BANG jako drugiej grupie badawczej na świecie udało się stworzyć wirtualny model molekularny hydrożelu żelatynowego. Wymagało to wielu obliczeń z użyciem komputerów o dużej mocy. - Zbudowaliśmy model składający się z aminokwasów prostych, na którym możemy teraz testować możliwość wyznaczania różnorodnych właściwości materiałowych takiego hydrożelu – wyjaśnia młody chemik. Dodaje, że zastosowanie takiej metody znacznie skraca ścieżkę technologiczną w laboratoriach chemicznych.

Pierwszy etap pracy wykonuje bowiem komputer.  Za pomocą odpowiednich programów studenci projektują cząsteczkę, rozbudowują, a potem przeprowadzają symulację - przykładają odpowiednie siły, z którymi ta struktura zmierzyłaby się w środowisku naturalnym, sprawdzają, jak model zachowuje się przy określonych modyfikacjach i w czasie mieszania z innymi polimerami. – Obserwujemy, co dzieje z tą cząsteczką w różnych warunkach.  W przypadku hydrożeli  bazujemy na cząsteczce ze świńskiej skóry, bo ta struktura jest już poznana i ogólnie dostępna – wyjaśnia Ewa Białek, studentka z Wydziału Chemicznego, która mocno angażuje się w projekty koła naukowego BANG. 

Fascynujący wycinek Wszechświata

Tłumaczy, że w badaniach bierze się konkretną cząsteczkę, przygląda się jej budowie i wprowadza do odpowiedniego programu, w którym wykonywana jest symulacja, m.in. przykładane są różne siły oddziaływania czy wykorzystywane działania fizyczne i chemiczne. Program sam wszystko przelicza i pokazuje, jak w konkretnej sytuacji zachowuje się dana cząsteczka, czy np. szybko nie ulegnie rozpadowi. Dzięki temu dalsze badania można prowadzić na wyselekcjonowanej grupie aminokwasów. – Wyniki otrzymujemy już po kilku godzinach, w przypadku bardziej skomplikowanych układów obliczenia mogą trwać nawet  kilka miesięcy, a to i tak jest znacznie mniej niż badania prowadzone tradycyjnymi metodami w laboratorium, z wykorzystaniem kosztownych odczynników – dodaje studentka. – Gdy uda się przeprowadzić obliczenia z sukcesem, to dzięki zastosowanym technikom numerycznum w komputerze otrzymujemy symulację małego wycinka Wszechświata, który właśnie stworzyliśmy. To fascynujące!

W terapii celowanej

Dawid Capała wyjaśnia, że ich praca polega na zbadaniu struktury, a potem nadaniu jej oczekiwanych właściwości. – Projektujemy określone działania tej cząsteczki. Jeżeli będzie ona wyposażona w lek przeciwbólowy, to ma on uwolnić się w konkretnym miejscu, w dostosowanej ilości. Miałoby to wtedy polegać na wszczepieniu leku, który by stopniowo się uwalniał, nie szkodziłby całemu organizmowi, a działał w odpowiednim chorobowo zmienionym miejscu. Co jest tak istotne np. w chorobach nowotworowych, przy których tzw. terapia celowana może być ogromną szansą na spowolnienie rozwoju choroby – tłumaczy  student.

Członkowie koło naukowego BANG uczestniczą w grancie dr Karoliny Labus i dr. Łukasza Radosińskiego.  Odpowiadają za opracowanie metodologii otrzymania wirtualnych modeli hydrożeli. Niedawno grupa kierowana przez członka koła Kubę Wojciechowskiego opracowała zupełnie nową metodę otrzymywania modelu żelatyny. Żelatyna jest bardzo skomplikowanym  polimerem, trudnym w modelowaniu. Zaproponowana przez studenta metoda jest zdecydowanie szybsza i użyteczniejsza od dotychczas stosowanych.

Równolegle trwają badania nad opracowaniem właściwości krzemionki, czyli dwutlenku krzemu. - Najczęstszą postacią SiO2 jest kwarc, który w przyrodzie występuje  w dużych ilościach jako piasek – wyjaśnia Dawid Capała. – Nie ma on płaskiej struktury, ale przypomina to bardziej proszek, dzięki czemu można zmieniać właściwości tej struktury. Krzemionka ma też świetnie zdolności absorpcyjne. Widzimy wiele możliwości zastosowań tego związku, dlatego analizujemy jego budowę molekularną.

Wychwytują błędy

Studenci szkolą się w modelowaniu molekularnym, bo wiedzą, że obecnie to wyraźny trend w biochemii i bioinformatyce. Jest to swego rodzaju łączniki pomiędzy ścisłą teorią a eksperymentem. Firmy farmaceutyczne wolą dofinansować dobry sprzęt komputerowo-obliczeniowy i inwestować w poszerzanie kompetencji pracowników, niż w wyposażenie laboratoriów – zauważa student.

Dodaje, że w tej metodzie można wracać też do projektów, które w świecie rzeczywistym  z jakiegoś powodu zakończyły się  fiaskiem. – Dzięki symulacji komputerowej jesteśmy w stanie wychwycić, gdzie popełniono błąd. Czasem okazuje się, że pomysł był bardzo dobry, tylko drobna pomyłka na początku wszystko przekreśliła. W takiej sytuacji dzięki modelowaniu komputerowemu możemy wskazać, gdzie trzeba zrobić korektę i wrócić do badań.

Koło naukowe BANG przy realizacji projektów współpracuje z naukowcami z Polski (Polska Akademia Nauk)i  kontaktuje się z badaczami z zagranicznych uczelni, m.in. z Francji (Université de Montpellier, Université d’Aix-Marseille), Niemczech (Uniwersytet w Bremie) czy Ukrainy (Politechnika Lwowska). – Mamy możliwość  wymieniania się informacjami, uczestniczymy w konferencjach, wspólnie organizujemy warsztaty z modelowania i jeździmy na staże naukowe. Dzięki wsparciu ze strony władz naszego wydziału i uczelni mamy szansę rozwijać nasze naukowe pasje – mówi Dawid Capała. –  To dla nas świetna okazja na zdobywanie doświadczenia, które na pewno potem wykorzystamy w pracy zawodowej – dodaje Ewa Białek.

Iwona Szajner