Nauki ścisłe [2022-04-22]

Nauka po Horyzont

— Żaneta Kopczyńska, Marcin Behrendt

Projekty, w których kluczowe role odgrywają dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK oraz dr hab. Patrycja Golińska, prof. UMK, zostały docenione przez ekspertów programu Horyzont Europa. To szansa na rozwój badań na najwyższym poziomie, wykształcenie nowej generacji badaczy oraz zacieśnienie międzynarodowej współpracy nauki i przemysłu.

Horyzont Europa (2021-2027) jest kluczowym i ambitnym unijnym programem finansowania przełomowych badań naukowych oraz innowacji realizowanych przez międzynarodowe konsorcja. To największe tego typu przedsięwzięcie w Europie - jego budżet wynosi blisko 95,5 mld euro. Zastąpił Horyzont 2020, który również cieszył się renomą i dużym powodzeniem.

Najlepsi z najlepszych

Wymagania stawiane przed wnioskującymi, zarówno w poprzedniej, jak i obecnej edycji programu, są bardzo wysokie. Każdy ze zgłaszanych projektów musi wykazać się tzw. europejską wartością dodaną – skupić się na międzynarodowej współpracy i umożliwić prowadzenie badań naukowych na bardzo wysokim poziomie, które przyczynią się do rozwiązywania globalnych problemów oraz rozpowszechniania wiedzy i technologii.

Konkurencja jest spora – do tej pory jedynie ok. pięciu proc. zgłaszanych projektów udawało się dostać finansowanie. Warto podkreślić sukces naukowców z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika – w ostatnim naborze granty otrzymały aż dwa projekty, w których kluczowe role odgrywają nasi badacze: dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK z Katedry Mechaniki Kwantowej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej oraz dr hab. Patrycja Golińska, prof. UMK z Katedry Mikrobiologii na Wydziale Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych.

Interdyscyplinarnie, międzysektorowo, międzypokoleniowo

Jednym z wyróżnionych i skierowanych do realizacji projektów jest wart blisko 2,5 mln euro  PHYMOL, którego pełna nazwa brzmi "Physics, Accuracy and Machine Learning: Towards the next-generation of Molecular Potentials". Skupia czołowych światowych ekspertów w dziedzinie symulacji molekularnych, chemii kwantowej, przewidywań struktury kryształów, modelowania międzycząsteczkowego, spektroskopii, uczenia maszynowego oraz nanoklastrów. To badacze z 10 uniwersytetów, ośrodków naukowych i laboratoriów w Wielkiej Brytanii, Hiszpanii, Holandii, Francji, na Węgrzech, w Niemczech, Luxemburgu i oczywiście Toruniu. Partnerami akademickimi projektu są również instytucje ze Stanów Zjednoczonych: Uniwersytet Harvarda, Instytut MolSSI oraz Uniwersytet w Auburn. Integralną częścią projektu jest sektor prywatny, dlatego wśród kluczowych partnerów znalazły się również podmioty przemysłowe z Europy i USA, np. firmy KIDO (branża: uczenie maszynowe i sztuczna inteligencja) i Avant-garde Materials Simulation.

Wśród osób, które biorą udział w projekcie, są naprawdę wybitni uczeni z ogromnym doświadczeniem i wiedzą, tacy jak Alston Misquitta - lider całego projektu, Ad van der Avoird, Attila Caszar oraz laureaci grantów ERC: Alexandre Tkatchenko i Jean Phillipe Piquemal. Wartość wnoszą również nasi partnerzy z sektora przemysłowego. Wspólnie zaplanowaliśmy ambitny system szkoleń, badań i sposobów popularyzacji wyników naszej pracy – mówi dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK odpowiedzialny za realizację toruńskiej części PHYMOL. – Jednym z głównych celów i założeń projektu jest rozwój nowej generacji badaczy przygotowanych do pracy w przemyśle.

Partnerzy projektu przyjmą łącznie 10 doktorantów – jeden z nich będzie zdobywał wiedzę i pracował na UMK pod kierunkiem prof. Żuchowskiego. Warunkiem udziału młodych badaczy w przedsięwzięciu jest mobilność naukowa: część kształcenia odbędą w instytucjach partnerskich konsorcjum, obowiązkowo przejdą także staże w firmach, które współpracują przy PHYMOL.

Chodzi o to, by wyszkolić nowe pokolenie takich przedsiębiorców-naukowców, którzy zostaną zaznajomieni nie tylko z chemią teoretyczną, ale również z potrzebami przemysłu. Część szkoleń poświęcona będzie np. nowoczesnemu programowaniu, dlatego zdobyte przez nich umiejętności będą atrakcyjne dla przyszłych pracodawców z branży farmaceutycznej, materiałowej, a także dla firm tworzących oprogramowanie oraz tych zajmujących się nowoczesnymi technologiami i sztuczną inteligencją – tłumaczy prof. Żuchowski.

Doktorantów czekają też kursy umiejętności miękkich, przejdą m.in. szkolenia z zakresu przedsiębiorczości, które będą mogli wykorzystać np. do tworzenia nowych firm typu start-up.

- Istotna jest też popularyzacja naszych badań. W dzisiejszych czasach niezwykle ważna jest umiejętność promocji nauki, mówienia o niej zrozumiale i interesująco oraz zachęcenia w ten sposób kolejnego pokolenia do zajęcia się np. fizyką, chemią czy programowaniem – mówi prof. Żuchowski. – Doktoranci po pierwsze będą się tego uczyli, po drugie – wykorzystywali zdobytą w tej dziedzinie wiedzę w praktyce. Plany są spore: udział w imprezach popularnonaukowych, jak choćby Toruński Festiwal Nauki i Sztuki, lekcje i pokazy dla uczniów, planujemy również być aktywni w mediach społecznościowych. Możliwości mamy wiele. Chcemy pokazać młodzieży pasjonującej się chemią i fizyką ze smykałką do programowania, że nie trzeba wymyślnych narzędzi, czasami wystarczy tylko laptop, by już móc zacząć uprawiać prawdziwą naukę. 

Doktoranci rozpoczną naukę w lutym 2023 roku. Nabór będzie prowadzony w drugiej połowie tego roku. Kandydaci powinni mieć przygotowanie z zakresu programowania oraz chemii teoretycznej i fizyki. Wiedzę i umiejętności będą zdobywali przez cztery lata.

Molekuły, pola siłowe i inteligentne maszyny

Doktorantów oraz ich naukowych mentorów czeka wiele badawczych wyzwań. Autorzy PHYMOL chcą połączyć fizyczne rozumienie oddziaływań zachodzących między cząsteczkami z uczeniem maszynowym, dzięki czemu mają powstać nowe możliwości badawcze do rozwiązywania problemów w dziedzinie m.in. opieki medycznej i zdrowotnej, energetyce, nanotechnologii, środowisku, ale też w naukach podstawowych.

Interakcje między cząsteczkami decydują o wielu złożonych zjawiskach w ciałach stałych, cieczach i gazach. Mają ogromne znaczenie w formowaniu się kryształów molekularnych, w procesach biologicznych, a nawet w budowaniu modeli opisujących chemię w kosmosie - tłumaczy prof. Żuchowski. - Nas szczególnie interesuje opis oddziaływań cząsteczek wzbudzonych z niewzbudzonymi.

Niestety opis tych zagadnień jest wciąż bardzo trudny, wymagający nowych teorii, by móc zająć się większymi cząsteczkami, naukowcy w PHYMOL będą pracować nad projektowaniem pól siłowych.

- Do opisu większych cząsteczek nie nadają się metody kwantowo-mechaniczne. Dlatego właśnie potrzebujemy wyznaczyć pola siłowe – uproszczone modele oddziaływań między atomami w cząsteczce. Jest to trochę podobne do opisywania sił między atomami przy pomocy kulek i sprężynek o odpowiednich parametrach. Muszą być skonstruowane w oparciu o dokładne dane o oddziaływaniach międzycząsteczkowych – tłumaczy prof. Żuchowski. – Dopiero kiedy będziemy mieli wyznaczone pola siłowe, możemy zająć się opisem większych molekuł, np. białek i tego, jak zachowują się w poszczególnych cieczach, wodzie czy tłuszczach. A wykorzystać tę wiedzę można np. przy opracowywaniu nowych receptur leków.

Jak tłumaczy prof. Żuchowski, naukowcy mają już spore sukcesy w konstruowaniu odpowiednich modeli, nadal jednak istnieją duże luki w ich rozumieniu pewnych zjawisk. By je wypełnić, będą odwoływać się do uczenia maszynowego.

Uczenie maszynowe jest koncepcją w ramach sztucznej inteligencji. Zakłada, że maszyna czy program nauczą się rzeczy samodzielnie, jeśli dostarczymy im wystarczającą ilość danych, odpowiedni model fizyczny – oparty na zjawiskach, które umiemy przełożyć na liczby i odpowiednią moc obliczeniową.

Chemicy często wykorzystują intuicję i wyobraźnię. Bywa, że coś wiemy, mamy jakąś informację, jednak do końca nie jesteśmy pewni, jak to powinno działać, albo dlaczego działa tak, a nie inaczej. Uczenie maszynowe pozwala nam tę intuicję chemiczną przełożyć na modele i liczby - a na ich podstawie możemy wyodrębnić teorię. Dlatego odwołujemy się do sieci neuronowych, wykorzystujemy uczenie maszynowe, a to kolejny krok do rozwoju sztucznej inteligencji – mówi prof. Żuchowski. – Takie podejście zmienia sposób myślenia o chemii jako takiej. Przed nami czas na projektowanie leków i materiałów w całości in silico.

Dlatego też, jak złożyli twórcy PHYMOL, potrzebni są nowi badacze, wyposażeni w głębsze zrozumienie fizyczne i chemiczne, a także wiedzę na temat uczenia maszynowego.

- Potrzebujemy takich badaczy, którzy potrafią poszerzyć podstawową teorię oddziaływań międzycząsteczkowych, zakodować te techniki we współczesnych językach programowania, zastosować rygorystyczny poziom oceny wiarygodności i dokładności tych metod, opracować oparte na fizyce modele, które mogą być używane przez innych, wykorzystując uczenie maszynowe w celu rozszerzenia i uogólnienia stosowalności tych modeli – tłumaczy prof. Żuchowski. - Muszą też wiedzieć, jak współpracować z przemysłem i laboratoriami badawczymi, aby zastosować te modele w rzeczywistych i złożonych systemach. I takich też właśnie mamy zamiar wykształcić.

Terapeutyki pływające w morzach

"A Holistic Approach to Training a new Generation of Scientists in Marine Biodiscovery", bo tak brzmi pełna nazwa projektu wycenionego na 2 687 522,39 euro, ma wyszkolić naukowców na wczesnym etapie kariery, by potrafili odnaleźć się na trudnym międzynarodowym rynku pracy. 226 512 euro trafi na Uniwersytet Mikołaja Kopernika, gdzie za badania odpowiada dr hab. Patrycja Golińska, prof. UMK z Katedry Mikrobiologii na Wydziale Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych.

Konsorcjum HOTBIO składa się z ośmiu beneficjentów z siedmiu krajów europejskich (Norwegia, Wielka Brytania, Hiszpania, Włochy, Niemcy, Polska i Belgia), w tym dwóch członków spoza środowiska akademickiego (sektor biznesowy – firmy biotechnologiczne), które będą szkolić dziesięciu doktorantów. Oprócz ośmiu beneficjentów w projekcie ujętych jest jeszcze 10 partnerów stowarzyszonych z różnych krajów w Europie, Azji i Afryce. Są to ośrodki akademickie i przedsiębiorstwa. Dodatkowo troje doktorantów zrealizuje swoje badania w dwóch ośrodkach szwajcarskich (partnerzy stowarzyszeni) za pieniądze wyłożone przez tamtejszy rząd. Liderem konsorcjum jest prof. Espen Hansen z Uniwersytetu w Tromso (Norweski Uniwersytet Arktyczny).

Młodzi naukowcy będą prowadzili interdyscyplinarne badania zarówno w jednostkach macierzystych, jak i u pozostałych partnerów konsorcjum. Odbędą również krótkie szkolenia u stowarzyszonych partnerów projektu, reprezentujących sektor akademicki i biznesowy, w tym u partnera stowarzyszonego z UMK - firmie Bacto-Tech Sp. z o.o.

Projekt dotyczy odkrywania i pozyskiwania bioaktywnych metabolitów wtórnych od mikroorganizmów morskich – tłumaczy prof. Golińska. – Celem jest wyselekcjonowanie substancji o charakterze terapeutycznym, czyli leków, preparatów stosowanych w rolnictwie do zwalczania patogenów roślin, czyli agrochemikaliów i preparatów do zwalczania patogenów zwierząt w hodowlach w zbiornikach wodnych. Związki na początek zostaną dobrze scharakteryzowane pod względem chemicznym, a następnie pod kątem działania.

Poza tym doktoranci pozyskają wiedzę i umiejętności z zakresu komputerowo wspomaganego projektowania leków, oznaczą cele molekularne związków, przeprowadzą syntezę chemiczną zoptymalizowanych związków i zbadają ich toksyczność w komórkach. – To są niezwykle ważne aspekty, żeby związki w ogóle trafiły do badań przedklinicznych na zwierzętach – podkreśla toruńska biolożka.

U drobnoustrojów występują dwa rodzaje metabolizmu: pierwotny i wtórny. Pierwszy polega na wytwarzaniu związków niezbędnych do wzrostu i życia komórki, drugi  – związków, bez których mikroorganizm może funkcjonować, a które ułatwiają mu np. przetrwanie w danym środowisku. Jeden mikroorganizm wytwarzając antybiotyki, może eliminować inne drobnoustroje ze środowiska, a naukowcy mogą te antybiotyki "przechwycić" i wykorzystać w celach np. terapeutycznych.

Drobnoustroje ludziom, zwierzętom i roślinom

Pierwszym etapem pozyskiwania metabolitów wtórnych jest izolacja drobnoustrojów ze środowiska. Muszą to być organizmy,  dające się hodować w laboratorium i wytwarzające związki, na których badaczom najbardziej zależy. Mikroorganizmy wydzielają je poza komórkę, do podłoża, w którym rosną. W kolejnych etapach chemicy ekstrahują je z podłoża, oczyszczają i charakteryzują ich strukturę chemiczną. Następnie substancje trafiają z powrotem do biologów, którzy badają ich aktywność przeciwko np. drobnoustrojom lub  komórkom nowotworowym.

Wybór tematyki projektu "Holistyczne podejście do szkolenia nowego pokolenia naukowców w zakresie odkrywania związków bioaktywnych w środowisku morskim" nie był przypadkowy– mówi prof. Golińska. - Populacja ludzka i długość naszego życia zwiększają się z roku na rok, w związku z tym pojawia się wiele zagrożeń dla zdrowia i życia ludzi. Według WHO jednym z największych zagrożeń dla człowieka jest rosnąca odporność drobnoustrojów na dostępne na rynku antybiotyki. Obecnie mamy trudności z leczeniem pospolitych chorób, takich jak zapalenie płuc, wywoływanych przez drobnoustroje oporne, czyli nie poddające się leczeniu znanymi antybiotykami. Cały czas pojawiają się też kolejne patogeny, o których wcześniej nie wiedzieliśmy. To zmusza nas do poszukiwania nowych związków.

Z roku na rok zwiększa się też zachorowalność na choroby nowotworowe. Dlatego potrzeba nowych terapeutyków o działaniu przeciwnowotworowym. Poza tym badacze na całym świecie poszukują bioaktywnych związków do wykorzystania w hodowli zwierząt i uprawie roślin w celu zapewnienia produkcji żywności na odpowiednim poziomie. - Statystyki podają, że ponad 800 mln ludzi na świecie cierpi z powodu głodu. W celu zapewnienia stałej produkcji żywności potrzebujemy skutecznych metod zwalczania patogenów roślin i zwierząt, które obniżają plony, powodują straty finansowe i wpływają na ubóstwo oraz głód – tłumaczy mikrobiolożka z UMK.

Środowisko lądowe i metabolity występujących w nim drobnoustrojów są lepiej znane badaczom. Dlatego teraz przyszedł czas na eksplorację mórz i oceanów. - Uważamy, że to środowisko będzie źródłem ciekawych związków o interesujących właściwościach terapeutycznych i aplikacyjnych – podsumowuje prof. Golińska.

Projekt rozpocznie się 1 stycznia 2023 i potrwa cztery lata. W czasie pierwszych siedmiu miesięcy członkowie konsorcjum mają wyłonić doktorantów, którzy wezmą w nim udział. Będą oni mieli 36 miesięcy na realizację badań w ośrodkach macierzystych i partnerów konsorcjum finansowanych przez Komisję Europejską. Ostatnie kilka miesięcy to rozliczanie i podsumowanie projektu. - Mój doktorant będzie izolował i pozyskiwał drobnoustroje, głównie promieniowce ze środowisk morskich oraz prowadził badania przesiewowe, czyli poszukiwanie właściwości bioaktywnych in vitro i in silico u tych szczepów – tłumaczy biolożka. - Oddelegowany zostanie do ośrodków w Wielkiej Brytanii i Norwegii, gdzie będzie prowadził m.in. analizy chemiczne metabolitów.

Dr hab. Piotr Żuchowski, prof. UMK, pracuje w Katedrze Mechaniki Kwantowej w Instytucie Fizyki. Absolwent Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych na Uniwersytecie Warszawskim, w roku 2007 obronił pracę doktorską na Wydziale Chemii UW. W latach 2007-2011 odbywał staże podoktorskie w Wielkiej Brytanii na uniwersytetach w Durham (jako Research Associate) i Nottingham (Research Fellow w School of Chemistry).

Na UMK pracuje od roku 2011 jako adiunkt, od roku 2017 jako profesor nadzwyczajny. Laureat stypendium powrotowego Fundacji na rzecz Nauki Polskiej Homing Plus, kierownik kilku grantów Narodowego Centrum Nauki oraz Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. W roku 2012 został uhonorowany Stypendium dla Wybitnych Młodych Naukowców. W latach 2015 i 2018 otrzymał nagrodę pierwszego stopnia  Rektora UMK za działalność naukową, a w roku 2020 - Nagrodą Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego za znaczące osiągnięcie naukowe.

Jest współautorem blisko 70 publikacji naukowych (cytowanych już ponad 1 tys. razy), między innymi  w najbardziej prestiżowych periodykach fizycznych i chemicznych, takich jak "Nature Chemistry", "Nature Physics" czy "Physical Review Letters". W roku 2020 został wybrany do Komitetu Fizyki Polskiej Akademii Nauk na czteroletnią kadencję. Jest dyrektorem Centrum Doskonałości Astrofizyka i Astrochemia, działającego na UMK w ramach programu "Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza".

Prof. Żuchowski naukowo zajmuje się teorią oddziaływań międzycząsteczkowych, zarówno rozwojem nowych metod teoretycznych jak i ich zastosowaniem. W szczególności interesuje się bardzo dokładnymi obliczeniami powierzchni energii potencjalnej dla małych, kilkuatomowych układów. Ponadto od kilku lat zajmuje go fizyka i chemia w ultraniskich temperaturach, reaktywność ultrazimnych atomów i molekuł oraz sposoby kontrolowania zderzeń w tak egzotycznych warunkach.

Dr hab. Patrycja Golińska, prof. UMK, studiowała i doktoryzowała się na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu. Swoją pracę magisterską i doktorską realizowała pod opieką naukową prof. dr hab. Hanny Dahm. Praca doktorska obejmowała badania nad promieniowcami gleb leśnych i możliwością ich zastosowania jako czynników kontrolujących rozwój patogenów grzybowych sosny zwyczajnej. W 2008r., jeszcze przed obroną doktoratu, została zatrudniona na etacie asystenta w ówczesnym Zakładzie Mikrobiologii UMK. Prof. Golińska kontynuowała swoje badania nad promieniowcami, bakteriami o dużym potencjale biotechnologicznym, powszechnie występującymi w środowiskach naturalnych, zwłaszcza w glebie. W 2011 roku samodzielnie nawiązała kontakt z prof. Michaelem Goodfellowem, światowym ekspertem w dziedzinie taksonomii i ekologii promieniowców różnych środowisk i wówczas jako adiunkt, wyjechała na roczny staż podoktorski do Newcastle upon Tyne w Wielkiej Brytanii. Pod opieką naukową Prof. Goodfellowa prowadziła badania w School of Natural and Environmental Sciences na Uniwersytecie w Newcastle. Dzięki tej wizycie naukowej nawiązała współpracę z naukowcami z Aberdeen University w Szkocji, głównie z Prof. Marcelem Jasparsem, zajmującymi się poszukiwaniem związków bioaktywnych wytwarzanych przez mikroorganizmy z różnych środowisk naturalnych, przede wszystkim lądowych, ale też morskich. Jednostki te były doskonale wyposażone w aparaturę badawczą, były perfekcyjnie zorganizowane i w pełni finansowały prowadzone przez prof. Golińską badania naukowe.

Ta współpraca zaowocowała zaproszeniem badaczki przez dr. Alana Jamiesona z Uniwersytetu w Aberdeen do udziału w międzynarodowej wyprawie badawczej w ramach grantu PharmaDEEP: New pharmaceuticals from the deep Antarctic (konkurs Eurofleets2, Horyzont 2020) w celu poboru prób, w tym z dna morskiego, w rejonie Południowych Szetlandów na Antarktydzie. Próby te wykorzystano m.in. do izolacji mikroorganizmów wytwarzających związki bioaktywne.

Podczas stażu i wyprawy naukowej badaczka nawiązała szeroką współpracę z naukowcami z całego świata, m.in. z Wielkiej Brytanii, Korei Południowej, Hiszpanii, Chin, Brazylii, Chile, Włoch. W ramach wspólnych badań do chwili obecnej ukazało się kilkanaście prac taksonomicznych, opisujących nowe gatunki promieniowców o dużym potencjale do produkcji związków biologicznie aktywnych.

Dzięki współpracy nawiązanej przez prof. dr hab. Hannę Dahm z wybitnym naukowcem z Uniwersytetu w Amravati w Indiach - Mahendrą Rai, po powrocie do kraju swoje zainteresowania badawcze prof. Golińska skierowała również na bionanotechnologię. Ta współpraca jest nadal intensywnie rozwijana. Obecnie Prof. Mahendra Rai na zaproszenie prof. Golińskiej realizuje dwuletnią wizytę naukową w Katedrze Mikrobiologii UMK, w ramach stypendium pozyskanego w programie im. Ulama, Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej (NAWA), a prof. Golińska jest opiekunem tego pobytu na naszej uczelni.

W 2017 r. dr hab. Patrycja Golińska, prof. UMK uzyskała stopień doktora habilitowanego, a od 2019 r. jest zatrudniona na stanowisku profesora UMK. Jest autorką 55 artykułów, 11 rozdziałów w książkach i redaktorem książki. Kierowała projektem badawczym w ramach Miniatury NCN. Była wykonawcą w grantach finansowanych przez KBN, MNiSW i NCN. Sprawowała opiekę i wypromowała wiele prac magisterskich i licencjackich oraz jedną pracę doktorską. Jest promotorem dwóch doktorantek.