Katarzyna Świerczyńska, „Wprost”: Czym jest Centrum Nowych Technologii Uniwersytetu Warszawskiego?
Prof. Joanna Sułkowska*: To unikalne miejsce, łączące różne grupy naukowców reprezentujących odmienne dziedziny nauki, takie jak fizyka, chemia, biologia, matematyka i informatyka. Cała koncepcja polega na tym, aby te grupy nawzajem mogły korzystać ze swojej wiedzy, umiejętności oraz sprzętu. CeNT wpisuje się w nowoczesne podejście do nauki, też podejście biznesowe, w którym, aby rozwiązać jakiś problem naukowy, a następnie go urzeczywistnić czy zaaplikować, trzeba korzystać z różnych podejść. W CeNT są różne grupy, można tu wymienić np. grupę prof. Jacka Jemielitego, który miał bardzo duży udział w stworzeniu szczepionek opartych na mRNA, grupę prof. Trylskiej gdzie są prowadzone badania teoretyczne i doświadczalne, których głównym celem jest poszukiwanie efektywnych pochodnych antybiotyków, czy na drugim biegunie grupy kwantowców np. laboratorium prof. Banaszek, w którym rozwijane są nowe techniki dla optycznych systemów łączności wykorzystujące bieżące osiągnięcia optyki i informatyki kwantowej.
Pani kieruje Interdyscyplinarnym Laboratorium Modelowania Układów Biologicznych. Dla laika ta nazwa może wydać się skomplikowana.
Nazwa precyzyjnie odpowiada temu, czym się zajmujemy. Przede wszystkim staramy się korzystać z tej interdyscyplinarności CeNT-u. Ja jestem z wykształcenia fizykiem i chemikiem, jednak aby zaprojektować nowy lek czy rozwijać metody kwantowe do badania reakcji chemicznych potrzebuję bezpośredniego kontaktu z biologami, ale też matematykami.
Czym dokładnie zajmuje się pani grupa?
Badaniem tzw. krajobrazu energetycznego białek, a najprościej mówiąc, to jest tematyka związana z nagrodą Nobla, która została w tym roku przyznana w dziedzinie chemii. Białka są to wielkocząsteczkowe biopolimery, zbudowane z aminokwasów połączonych ze sobą wiązaniami chemicznymi. Występują we wszystkich żywych organizmach oraz wirusach.
Nagrodę Nobla otrzymało trzech naukowców…
Tak, dwóch z nich, Demis Hassabis i John Jumper, za użycie narzędzi uczenia maszynowego, czyli sztucznej inteligencji do przewidywania struktury przestrzennej białek istniejących w naturze. To jest taki święty Graal, który został rozwiązany. Jednym z marzeń naukowców z tzw. dziedziny biologii strukturalnej/chemii było odkrycie struktury przestrzennej białek, znając tylko sekwencje aminokwasów. Tym dwóm noblistom udało się stworzyć model uczenia maszynowego – AlphaFold, do poprawnego zgadywania 3D struktury przestrzennej białek, taka 3D struktura została zaproponowana dla około 200 mln sekwencji. Mówiąc „poprawnie” mamy tutaj na myśli 3D model, który jest bardzo bliski strukturze białka wyznaczonej doświadczalnie. Warto tu jednak podkreślić, iż udało się rozwiązać problem zgadywania, jednak nadal nie wiemy, jak pojedyncze białka fałduje się (zwija), aby otrzymać taką konformację. AlphaFold pozwala na zgadywanie struktury przestrzennej, jednak zagadką pozostaje fizyczny mechanizm, jaki prowadzi białka do końcowego stanu, który jest aktywny biologicznie. I jeszcze jest trzeci naukowiec, który dostał Nobla z chemii, to prof. David Baker. Ten profesor poszedł o krok dalej, wyszedł poza granice tego, co jest znane w przyrodzie, wykazał, iż można projektować sztuczne sekwencje białek, czyli tworzyć nowe struktury przestrzenne białek. Odkryciem jest stworzenie sztucznych białek o nowych praktycznych cechach.
Wy pracujecie nad podobnymi rzeczami?
Tak moje laboratorium zajmuję się także projektowaniem nowych sztucznych białek, białek, które będą np. stabilniejsze na wahania temperatury, będą mogły dłużej pełnić funkcję biologiczną. Niemniej jednak my mamy jeszcze jeden dodatkowy aspekt, chcemy skorzystać z obiektów, które występują zarówno w fizyce, chemii, jak i w życiu codziennym. Naszym celem jest wprowadzenie zawęźlenia na strukturze białka.
Zawęźlenia?
Tak, to znaczy, że białka posiadają różnego rodzaju zapętlenia, węzły. Mają tzw. nietrywialną topologię, dobrze określoną przez dział matematyki (teorię węzłów). Węzły w życiu codziennym są dość powszechne, używamy ich do łączenia lin, do plecenia wytrzymałych sieci i wielu innych aspektach życia jak sztuka czy przemysł. Wiadomo też, że węzły wprowadzają dodatkowe własności do układu, dodają stabilności, elastyczności, aby wymienić tylko najprostsze. Celem mojego laboratorium jest wyjść poza granicę przewidywania struktury sztucznych białek o standardowej budowie, chcemy przewidzieć sztuczne zawęźlone białka. Chcemy użyć tej dodatkowej cechy, aby poprawić między innymi termiczną stabilność białek. Większość białek jest nieodporna na wysokie temperatury, z tego powodu między innymi chcemy zbić wysoką gorączkę, aby nie degradowała, czyli nie psuła nam białek. Popsucie białek może prowadzić do ich agregacji to do szeregu chorób.
A po co to wszystko?
Po to, aby poprawić jakość naszego życia, naszych zwierząt. Białka są podstawowymi budulcami życia. Białka pełnia przeróżne funkcje np. odpowiadają za pracę naszych mięśni jak białko tytyna. Niemniej, są białka, które są dobre dla naszego organizmu i są białka, które są złe. Np. my zajmujemy się m.in. białkiem zawęźlonym, które jest na liście Światowej Organizacji Zdrowia jako jedno z 10 białek, na które potrzebujemy jak najszybciej znaleźć nowe antybiotyki. Ktoś może zastanawiać się, jak to się wiąże z Noblem, który został przyznany w tym roku. Otóż znajomość struktury przestrzennej białek jest kluczowa w projektowaniu leków. Poszukiwanie nowych leków w przypadku białek o nieznanej strukturze przestrzennej było do tej pory bardzo utrudnione. Mimo ogromnego postępu w metodach i mechanizacji prac doświadczalnych do tej pory udało się wyznaczyć tylko ułamek z występujących w naturze białek około 200 tys. struktur białek. AlphaFoldpokazał, jak może wyglądać struktura 200 mln białek. My w Centrum Nowych Technologii projektujemy i przeprojektowujemy białka oraz projektujemy nowe potencjalne antybiotyki dla białek o nieznanych wcześniej strukturach przestrzennych.
Dlaczego zajęła się pani akurat fizyką i chemią, a teraz jeszcze doszła do tego biologia i aspekty matematyczne?
Skończyłam fizykę na UW, doktorat zrobiłam z fizyki, niemniej jednak na stażu podoktorskim na Uniwersytecie w Kalifornii w San Diego, będąc w gronie osób takich jak prof. Jose Onuchic (jego promotorem był tegoroczny laureat Nobla z fizyki) zauważyłam, inny aspekt fizyki, takiej biologicznej, chemicznej, takiej, która ma przełożenie bezpośrednie na poprawę jakości naszego życia. Dla mnie fizyka jest piękna sama w sobie, ale jeśli można to jeszcze zastosować w stronę projektowania leków czy zrozumienia fundamentów genetyki, jest to dodatkowy aspekt, który pozwala spojrzeć na to szerzej, skorzystać z całego wachlarza zjawisk nas otaczających. Świat wokół nas nie jest podzielony na dziedziny – fizyka, chemia, biologia… On współistnieje. Węzły są obserwowane w życiu codziennym w każdej z dziedzin, mnie interesuje badanie i rozwiązywanie zjawisk na styku dziedzin.
Co pani uważa za swój największy sukces?
Pokazanie, że białka mogą posiadać nietrywialną topologię. I że nie jest to tylko nietrywialna topologia typu zawęźlenie, wykazałam, iż istnieją inne stany np. struktury z lassami, splotami czy bardziej złożone theta krzywe. To doprowadziło do zbudowania podwaliny do dziedziny, którą można nazwać biologią strukturalną złożonych biomolekuł. Obecnie moje badania koncentrują się na tworzeniu sztucznych białek o żądanej funkcji oraz projektowaniu nowych antybiotyków.
Czym właściwie jest nietrywialna topologia?
Trywialność to cecha obiektów mających bardzo prostą strukturę. Inne znaczenie odnosi się także do prostego aspektu technicznego dowodu lub definicji. Oba znaczenia często opisuje się za pomocą przymiotnika trywialny, jego synonimem może być wyraz „banalny”. Węzeł trywialny to węzeł równoważny z okręgiem. Intuicyjnie: dwa węzły są równoważne, jeśli można je przekształcić jeden w drugi przez manipulacje sznurkiem bez rozcinania go i sklejania. Najprostsze przykłady nietrywialnych węzłów to Trójlistnik, Ósemka, czy Pięciolistnik. Węzły z matematycznego punktu widzenia są dobrze określone na zamkniętym sznurku w biologii w przypadku białek, takie białko (sznurek) trzeba zamknąć.
Mimo, że wiemy dość sporo o funkcji węzłów w polimerach, jakie jest ich znaczenie dla białek nadal pozostaje nieznane.
Z drugiej strony wiemy, że węzły w białkach są duże prostsze niż te znane i obserwowane w fizyce polimerów oraz jest ich znacznie mniej, niż można byłoby się spodziewać z wyliczeń teoretycznych. Które czynniki fizyczne/chemiczne czy ewolucyjne zdeterminowały taki rozwój białek, jest jednym z podstawowych pytań, które sobie zadajemy. Białek zapętlonych jest mało, jednak wydaje się, że nie są one przypadkiem indywidualisty „outlier” ewolucji, gdyż najważniejsza część białka (ta, która jest odpowiedzialna za funkcję biologiczną) jest zawarta w zapętleniu. Czyli wykasowanie węzła pozbawiłoby białko „silnika”, bez którego dalej nie pojedzie. Niemniej jednak nie wiemy, jak wpływa węzeł na białko, pracę jego silnika (miejsca aktywnego). Na to pytanie nie znamy odpowiedzi. Tu warto jeszcze raz wspomnieć o nagrodzie Nobla z chemii. Profesorom Demis Hassabis i John Jumper udało się prawdopodobnie zgadnąć struktury białek z nowymi rodzajami węzłów w białkach. Obecnie między innymi w moim laboratorium udało się wykazać, iż halucynacje metody AlphaFold w kilku przypadkach są poprawne. Wyznaczyliśmy strukturę pierwszego na świecie podwójnie zawęźlonego białka. Odkrycie prof. Bakera pokazuje, że można tworzyć sztuczne białka, my chcemy stworzyć sztuczne zawęźlone białko. To pozwoli nam odkryć limit złożoności białek. Kolejnym celem jest zrozumienie, praw fizycznych determinujących faktyczny proces fałdowania białek. Ten element jest nam potrzebny do kontrolowania całego procesu.
Takie zawęźlone białka są w ludzkim organizmie?
Tak, są, jest ich mniej niż 1 procent, ale są to np. białka, które znajdują się w naszym mózgu i wydaje się, że są powiązane z powstawaniem chorobą Alzheimera.
Odkrycie tego może przynieść lek na chorobę Alzheimera?
Do tego trzeba podejść z dystansem. Dobrą rzeczą jest pokora naukowa i umiejętność odpowiedniego podjęcia tematu. Oczywiście celem jest znalezienie korelacji, ale przyczyna może być zupełnie inna niż zawęźlenie. W nauce staramy się badać dane zjawisko, stawiać hipotezy, ale nie można się ograniczać do jednej hipotezy. Bardzo często zwłaszcza w tematach z pogranicza biologii/medycyny przyczyna może być inna, niż początkowo zakładaliśmy. Badania muszą być wielopoziomowe, wszechstronne, tak aby nic nie uszło naszej uwadze. Dlatego tak ważne jest też odpowiednie dofinansowanie nauki, nie jest tak, że ta nauka od razu przyniesie efekty praktyczne. One przyjdą za jakiś czas tak, jak w przypadku tegorocznego Nobla np. z fizyki. Fundamenty uczenia maszynowego zostały stworzone ponad 20 lat temu, niemniej dziś wraz z postępem w innych dziedzinach czerpiemy z tego pełnymi garściami.
Pani największe marzenie naukowe? Nagroda Nobla?
Będę bardziej praktyczna i powiem, że odpowiednie dofinansowanie polskiej nauki. Uważam, że polscy naukowcy mają gruntowne i bardzo dobre wykształcenie, umieją stawiać przełomowe hipotezy i rozwiązują bardzo trudne interdyscyplinarne zadania. Mamy świetnych naukowców, którzy chcą tak jak ja wracać do Polski (zakładać grupy badawcze), jednak bez zapewnienia finansowania badań na odpowiednim poziomie nie ma możliwości na prowadzenie przełomowych projektów, patentowania, a następnie aplikacji w przemyśle farmaceutycznym, odnawialnych technologiach. Moim, marzeniem jest dobrze opłacany zespół naukowy, który może skupić się na „groundbreaking research” tak, aby dołożyć swoją cegiełkę do poprawy jakości naszego życia poprzez spersonalizowane antybiotyki.
Co trzeba zrobić, żeby dziś zostać naukowcem?
Bardzo trudne pytanie. Wydaje mi się, że „wczoraj” a dziś różni się właśnie interdyscyplinarnością. Obecnie w każdej z dziedzin korzysta się z wiedzy i osiągnięć z innej dziedziny. Warto pracować w interdyscyplinarnych zespołach, zagłębiać się w tematy niezwiązane bezpośrednio ze swoim wykształceniem a przede wszystkim nawiązywać nowe kontakty poza swoim głównym miejscem pracy. Obserwować prace innych, poznawać nowe techniki nie bać się postępu. Tworzyć ten postęp.
*Dr hab. Joanna Sułkowska, prof. UW, kieruje Interdyscyplinarnym Laboratorium Modelowania Układów Biologicznych w Centrum Nowych Technologii UW, gdzie zajmuje się zapętlonymi białkami mogącymi mieć związek z wieloma chorobami cywilizacyjnymi. W swojej pracy wykorzystuje metody fizyczne, matematyczne i biologiczne. Jest laureatką wielu nagród i grantów.
Polska nauka
śladami Kopernika
Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce
Projekt współfinansowany ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki w ramach programu „Społeczna Odpowiedzialność Nauki”