Doktoranci UPWr z grantami na badania

• Aleksandra Kot na Islandii będzie badać zmiany, jakie zachodzą w glebie pod wpływem aktywności człowieka i zmian klimatycznych
• Agnieszka Krawczyk-Łebek sprawdzi, czy atom chloru potęguje przecidrobnoustrojową aktywność glikozydów flawonoidowych
• Karolina Tkacz zajmie się możliwościami obniżenia hiperglikemii poposiłkowej bioflawonoidami
• Kamil Smolak opracuje algorytm badający mobilność ludzi
• Agata Walicka zajmie się stworzeniem metodologii istotnej dla analizy danych uzyskiwanych z lotniczego skaningu laserowego

W konkursie Narodowego Centrum Nauki Preludium 20 blisko dwa miliony złotych na badania zdobyło jedenastu doktorantów Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Przedstawiamy kolejną piątkę. 

Zamiast Karkonoszy – Islandia

Aleksandra Kot z Instytutu Nauk o Glebie, Żywienia Roślin i Ochrony Środowiska badania realizuje na Islandii.

– Po obronie pracy magisterskiej, podczas „gap year”, kiedy to zastanawiałam się m.in. nad pójściem na doktorat, wyjechałam do Islandii na kilka miesięcy. Pracowałam tam w hostelu. Jego właściciel, Hannes okazał się człowiekiem o dużej wiedzy na temat tamtejszej natury i ze swego rodzaju „naukową duszą”. Chętnie się nią dzielił i pokazywał nieoczywiste ciekawostki, interesujące miejsca w okolicy wskazujące na zachodzące zmiany w tym regionie. Wtedy pojawił się pomysł na badania środowiska Islandii, który z entuzjazmem przyjął mój ówczesny promotor pracy magisterskiej dr Jarosław Waroszewski – uśmiecha się Aleksandra Kot i dodaje, że na Islandii realizowany będzie nie tylko projekt badawczy z programu Preludium 20, ale trwa też inny, z konkursu Opus 20, którego kierownikiem jest właśnie dr Waroszewski, promotor jej pracy doktorskiej.

– I nie byłoby tych obu projektów, gdyby nie Hannes, bo pierwotnie miałam w ramach doktoratu badać gleby Karkonoszy, a analizuję zmiany w glebach południowo-wschodniej Islandii zachodzące zarówno pod wpływem zmian klimatycznych, jak i bezpośredniej aktywności człowieka na tym obszarze, związanej przede wszystkim z wypasaniem bydła i owiec oraz produkcją siana – tłumaczy doktorantka z Instytutu Nauk o Glebie, Żywienia Roślin i Ochrony Środowiska.

Obszary subarktyczne i arktyczne są wyjątkowo wrażliwe na zachodzące zmiany klimatu. Dodatkowo gleby wulkaniczne, które występują na Islandii, charakteryzują się dużymi zawartościami materii organicznej, stanowiąc „magazyn” węgla organicznego. Projekt zakłada dwa rodzaje powiązanych ze sobą badań. Jedne będą dotyczyć WEOM-u, czyli wodorozpuszczalnej materii organicznej, która jest najbardziej dynamiczną i biodostępną frakcją materii organicznej, odpowiedzialną za uruchamianie i przemieszczanie w glebie wielu pierwiastków. WEOM ma wpływ na sekwestrację CO₂ z atmosfery i na uwalnianie gazów cieplarnianych z gleby. Regularne pomiary emisji gazów to drugi rodzaj badań. Jedną z hipotez projektu jest założenie, że w wyniku zachodzących procesów gleby wulkaniczne przestają być magazynem węgla, a stają się wręcz jego źródłem.

– Na tę materię organiczną wpływa temperatura, a więc zmiany klimatyczne, ale też użytkowanie związane z m.in. nawożeniem gleby. Badania wiążą się także z pozyskiwaniem informacji od lokalnych mieszkańców. Chcemy dowiedzieć się, jak badany przez nas obszar był użytkowany, a więc czy wypasano tam zwierzęta, pozyskiwano siano, czy stosowano nawozy i jakie – mówi Aleksandra Kot i dodaje, że punkty badawcze zostaną usytuowane w pobliżu największego w Europie lodowca Vatnajökull tak, by odzwierciedlały zróżnicowanie użytkowania i mozaiki siedlisk naturalnych. Pobrane próbki gleby będą analizowane pod kątem WEOM, ale sprawdzana będzie też mikrobiologiczna biomasa węgla i azotu. Cel badania: charakterystyka zmian środowiskowych pod kątem ich dalszego przebiegu, jak i skutków globalnego ocieplenia w rejonach polarnych i subpolarnych. Badaniami polskiej doktorantki zainteresowani są naukowcy z Islandii, którzy chętnie podjęli się współpracy w projekcie.

Chlor kontra drobnoustroje

Otrzymywaniem nowych związków o potencjalnym działaniu przeciwdrobnoustrojowym będzie zajmować się Agnieszka Krawczyk-Łebek z Katedry Chemii, której badania prowadzone pod opieką naukową prof. Edyty Kostrzewy-Susłow dotyczą chemicznej i mikrobiologicznej syntezy glikozydów flawonoidowych z atomem chloru. 

– Flawonoidy z atomem chloru są rzadko spotykane w naturze, a ich aktywność biologiczna nie została do tej pory wyczerpująco zbadana. Jednym z nielicznych przykładów takich związków jest chloroflawonina o silnym działaniu przeciwdrobnoustrojowym, wytwarzana przez grzyby strzępkowe takich gatunków jak Mucor irregularis i Aspergillus candidus. Stąd wziął się pomysł badań nad otrzymywaniem i aktywnością biologiczną tej grupy związków – mówi Agnieszka Krawczyk-Łebek, która najpierw na drodze syntezy chemicznej uzyska flawonoidy z atomem chloru, a następnie podda je mikrobiologicznej glikozylacji z udziałem entomopatogennych grzybów strzępkowych, w celu poprawy ich rozpuszczalności w wodzie i biodostępności.

– Kolejnym etapem badań będą wstępne testy aktywności przeciwdrobnoustrojowej otrzymanych flawonoidów przeciwko wybranym szczepom chorobotwórczych bakterii z gatunku Escherichia coli i Staphyloccocus aureus oraz drożdży z gatunku Candida albicans, a także wobec bakterii probiotycznych korzystnie oddziałujących na układ pokarmowy, co pozwoli ocenić czy testowane związki są nie tylko skuteczne, ale i bezpieczne. W okresie letnim 2022 roku będę również prowadzić badania biologiczne otrzymanych związków we współpracy z Uniwersytetem w Porto, w ramach programu Erasmus+. Poszukiwanie nowych, bezpiecznych i efektywnych czynników terapeutycznych jest niezwykle istotne w kontekście wzrastającej lekooporności wielu mikroorganizmów chorobotwórczych, a flawonoidy z atomem chloru stanowią obiecujący przedmiot badań w tej dziedzinie – podkreśla Agnieszka Krawczyk-Łebek. 

Polifenole na hiperglikemię

Karolina Tkacz, która pracuje w zespole Plants4FOOD pod opieką prof. Anety Wojdyło i prof. Pauliny Nowickiej, zajmie się z kolei hiperglikemią poposiłkową, a dokładniej możliwościami skutecznego jej obniżenia poprzez aktywne działanie związków polifenolowych w formułach synbiotycznych.

– Z jednej strony zainteresował mnie ten obszar badawczy, bo hiperglikemia poposiłkowa, a co za tym idzie zespół metaboliczny i cukrzyca, to poważny problem nie tylko zdrowotny, ale też ekonomiczny. Mówi się przecież, że żyjemy w dobie epidemii chorób cywilizacyjnych. Z drugiej strony w trakcie badań w zespole Plants4FOOD udowodniliśmy, że związki polifenolowe mają potencjał przeciwcukrzycowy, wyróżniają się wysoką aktywność w kierunku hamowania enzymów zaangażowanych w rozkład polisacharydów – mówi Karolina Tkacz, która swój doktorat zaczęła mocnym wejściem, zdobywając Diamentowy Grant.

Jak tłumaczy doktorantka z Katedry Technologii Owoców, Warzyw i Nutraceutyków Roślinnych z badań wynika też, że organizm ludzki przyswaja z żywności zaledwie 20 procent związków polifenolowych.

– Ta słaba biodostępność stanowi problem i wyzwanie, dlatego podejmę pracę nad jej zwiększeniem, opierając się na najnowszej koncepcji synbiotyku, odnoszącej się do mieszaniny żywych mikroorganizmów i składników, które wykorzystując mikroflorę organizmu zapewniają korzyści zdrowotne. Związki polifenolowe idealnie wpisują się w tę drugą część tandemu, czyli czynnik prebiotyczny. Dotychczas jednak badania nad właściwościami prebiotycznymi polifenoli prowadzono w jednym kierunku: sprawdzano ich działanie na przeżywalność bakterii i modulację mikrobioty – mówi Karolina Tkacz, która w swoim projekcie postanowiła zrobić wszystko na odwrót, to znaczy będzie sprawdzać, jak wybrane szczepy probiotyczne oddziałują na związki polifenolowe zawarte w ekstraktach roślinnych.

– Modyfikacje enzymatyczne za pośrednictwem bakterii, warunki trawienia i interakcje probiotyk-prebiotyk będą sprzyjać powstawaniu interesujących nas metabolitów fenolowych o wyższej biodostępności i nowej aktywności prozdrowotnej – dodaje Karolina Tkacz, podkreślając, że synbiotyki wykazują potencjał jako środki terapeutyczne w zmniejszaniu hiperglikemii poposiłkowej występującej w przebiegu cukrzycy, dotykającej aż 9 procent populacji. Dotychczasowe badania koncentrowały się na konwencjonalnych środkach prebiotycznych, oligosacharydach i inulinie, których stosowanie jest stopniowo ograniczane – stwierdzono, że sprzyjają wzrostowi drobnoustrojów patogennych i mają niejednoznaczny wpływ na organizm człowieka. Stąd też potrzeba szukania nowych rozwiązań, a na liście potencjalnie korzystnych związków są właśnie polifenole, którym trzeba wzmocnić biodostępność i stopień wchłaniania.

Algorytm na mobilność

Wyjaśnienie i łagodzenie obciążeń statystycznych w prognozach mobilności ludzi – Kamil Smolak z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki w swojej pracy naukowej analizuje dane z urządzeń mobilnych takich jak telefony komórkowe czy opaski sportowe i od razu zastrzega, że nie robi tego na poziomie indywidualnym, ale zbiorowo.

– Przeglądając literaturę zauważyłem, że te same algorytmy, które mają za zadanie przewidywać, gdzie będą ludzie za godzinę czy dwie, kiedy są zastosowane na innych danych, osiągają zupełnie inne wyniki. Okazało się, że to, w jaki sposób dane są przetwarzane przez analityka, ma wpływ na otrzymywane wyniki, a to oznacza, że można nimi łatwo manipulować. Z jednej strony świadomie spreparowane dane pozwalają na osiągnięcie nawet 99 procent dokładności algorytmów, ale preparowane nieświadomie powodują obciążenie statystyczne danych, co oznacza, że te uzyskiwane wyniki są niewiarygodne. W efekcie nie da się ich ze sobą porównać – mówi Kamil Smolak i tłumaczy, że to zjawisko naukowo nazywa się problemem zmiennej jednostki odniesienia przestrzennego, a zastosował je w praktyce amerykański gubernator Elbridge Gerry, który w XIX wieku tak manipulował okręgami wyborczymi, by w wyborach w każdym z nich jego partia uzyskała większość głosów.

– Problem zmiennej jednostki odniesienia przestrzennego dotyczy takiego manipulowania danymi, które pozwala osiągnąć założony efekt. Dotyczy wymiaru przestrzennego, ale też czasowego. To właśnie obserwujemy w badaniach nad mobilnością ludzi – mówi doktorant z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki, który w pierwszym etapie będzie analizował samo zjawisko, ale w drugim będzie opracowywał metodę, która niezależnie od odniesienia przestrzennego i czasowego będzie wyjaśniała, jak zmienia się trajektoria ruchu i jej parametry, takie jak jej przewidywalność. Uzyskana metoda ma być podstawą opracowania algorytmu, który będzie wyszukiwał optymalne parametry do przetwarzania danych mobilnych, pozwalających na zachowanie maksymalnej liczby informacji – to trzeci etap projektu.

– Wyniki algorytmów na spreparowanych danych są bardzo wysokie, bo usuwa się z nich informacje. Ja chcę je zachować w jak największej liczbie, bo pozwoli to zwiększyć użyteczność danych do wielu analiz, takich jak planowanie przestrzenne miast, lokalizacja sieci drogowych, czy modelowanie rozprzestrzeniania się chorób zakaźnych. A to tylko kilka z obszarów, w których analiza przemieszczania się ludzi, kierunku ruchu, natężenia i czasu ma znaczenie – podkreśla Kamil Smolak, którego promotorem jest prof. Witold Rohm. 

Jak sprawdzić chmurę punktów

Agata Walicka w swoim projekcie zajmie się opracowaniem metodologii bazującej na uczeniu głębokim, pozwalającej na powtarzalną klasyfikację chmur punktów lotniczego skaningu laserowego o różnej charakterystyce. Promotorem jej doktoratu był śp. prof. Andrzej Borkowski a obecnie promotorami są prof. Grzegorz Jóźków i prof. Norbert Pfeifer.

– Człowiek postrzega otaczającą go rzeczywistość jako zbiór obiektów zlokalizowanych w przestrzeni trójwymiarowej. Charakterystyka własności geometrycznych tych obiektów i ich lokalizacja w przestrzeni wymaga określenia ich wymiarów i współrzędnych mówiących o ich położeniu. Można do tego wykorzystać teledetekcję. Wyniki pomiarów mogą zostać przedstawione na różne sposoby, ale najbardziej zbliżona do trójwymiarowego postrzegania świata przez człowieka jest tzw. chmura punktów – tłumaczy Agata Walicka, dodając, że ta chmura to nieuporządkowany zbiór punktów przedstawiających powierzchnię mierzonych obiektów, gdzie każdemu punktowi przypisane są trzy współrzędne mówiące o jego położeniu w przestrzeni 3D.

Dane te zbiera się na różne sposoby. Agata Walicka w swoich badaniach zajmie się lotniczym skaningiem laserowym, który stosowany jest do pomiaru obiektów o dużych rozmiarach, np. całych miast.

– I tu pojawia się problem, bo pozyskana w ten sposób chmura punktów przedstawia powierzchnię bardzo dużej liczby obiektów różnego typu, jak na przykład budynki, drzewa, samochody, czy lampy uliczne. Żeby móc dalej przetwarzać te dane, należy wykonać kolejny krok w analizie – odróżnić na przykład budynek od drzewa, a więc przypisać każdemu punktowi opis wskazujący na jego przynależność do pewnej grupy obiektów, tzw. klasy – roślinność, powierzchnia terenu, budynki itp. Etap ten nazywany jest klasyfikacją. Człowiek wykonuje to instynktownie – wystarczy, że spojrzy na wizualizację chmury punktów i potrafi rozpoznać poszczególne obiekty. Czynność ta jest jednak bardzo skomplikowana dla komputera. Dlatego w celu wykonania automatycznej klasyfikacji, niezbędne jest manualne przygotowanie tzw. danych uczących, czyli przykładu prawidłowego przyporządkowania punktów do poszczególnych klas dla części z pozyskanych danych. Następnie, na podstawie danych uczących, komputer jest „trenowany”, aby prawidłowo przyporządkowywał punkty do określonych klas. Jednak manualne przygotowanie danych uczących jest żmudne i czasochłonne. Dlatego w swoim projekcie chcę opracować metodologię, która pozwoli maksymalnie ograniczyć konieczność przygotowywania danych uczących przed wykonaniem każdej klasyfikacji – tłumaczy Agata Walicka, która wykorzysta do tego głębokie sieci neuronowe, a więc sztuczną inteligencję.

Jak podkreśla doktorantka z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki pierwotna koncepcja sieci neuronowych opierała się na próbach odtworzenia sposobu działania ludzkiego mózgu, a głębokie sieci neuronowe składają się z wielu warstw pojedynczych neuronów.

– Jednocześnie ze względu na jej skomplikowany charakter, trenowanie głębokiej sieci neuronowej jest czasochłonne i wymaga dużej ilości danych uczących. Tak więc opracowanie metodologii pozwalającej na jednokrotne wytrenowanie sieci neuronowej, a następnie wykorzystywanie jej do klasyfikacji danych pozyskanych za pomocą różnego sprzętu i posiadających różną charakterystykę pozwoliłoby na wyeliminowanie tych wad – mówi Agata Walicka, która nową metodologię będzie opracowywać wykorzystując publicznie udostępnione dane z lotniczego skaningu laserowego.

kbk