Opus 19 i 4,5 miliona na badania

Dr Tomasz Janek, prof. Zbigniew Lazar i prof. Witold Rohm to trójka naukowców z Uniwersytetu Przyrodniczego, którzy w najnowszej edycji programu Narodowego Centrum Nauki Opus 19 zdobyli łącznie blisko 4,5 miliona złotych na badania. Dr Janek dostanie 1 052 880 zł, prof. Lazar – 1 944 768 zł, a prof. Rohm 1 401 600 zł. Projekt realizowany przez tego ostatniego prowadzony będzie przez konsorcjum, w którym UPWr jest liderem, a partnerem Uniwersytet Wrocławski. 

„Potencjał biotechnologiczny oraz aktywność przeciwdrobnoustrojowa nowych koniugatów biosurfaktant-lipaza immobilizowanych na powierzchni biopolimerów” – to projekt badawczy realizowany przez dr Tomasza Janka z Katedry Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, który dotyczy poszukiwania nowych związków o aktywności przeciwdrobnoustrojowej w związku z narastającą opornością patogennych drobnoustrojów na antybiotyki i syntetyczne fungicydy. 

Inwazyjne zakażenia bakteryjne stanowią istotny problem terapeutyczny ostatnich lat. Zwiększająca się oporność na antybiotyki wiąże się ze zwiększoną zachorowalnością, śmiertelnością, a także zwiększeniem kosztów opieki zdrowotnej. Skłania to do ciągłych poszukiwań nowych substancji zwalczających bakterie chorobotwórcze. Biosurfaktanty to grupa związków amfifilowych, otrzymywanych w procesach biosyntezy mikrobiologicznej głównie przez bakterie i drożdże, dla których źródłem węgla i energii mogą być materiały odpadowe z przemysłu rolno-spożywczego. Niektóre z nich są alternatywą dla syntetycznych substancji przeciwdrobnoustrojowych i mogą być stosowane jako bezpieczne i skuteczne antybiotyki. – Okazuje się jednak, że choć wykazują potencjał terapeutyczny i są naturalne, a więc mają pochodzenie biologiczne, do tej pory przeprowadzono jedynie nieliczne badania nad wykorzystaniem ich w biomedycynie. Od dawna wiadomo, że za większość infekcji odpowiedzialne są nie pojedyncze komórki drobnoustrojów, ale całe ich społeczności nazywane biofilmami – tłumaczy dr Janek. 

Jak wyjaśnia naukowiec z Katedry Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności, jednym z głównych ograniczeń w zwalczaniu biofilmu jest występowanie macierzy zewnątrzkomórkowej, która utrudnia dotarcie antybiotykom oraz antyseptykom (w tym biosurfaktantom) do ukrytych w niej komórek bakterii. Okazuje się jednak, że tę macierz mogą rozkładać lipazy, a tym samym komórki stają się dostępne dla substancji terapeutycznych. Dlatego podstawowym celem tego projektu jest wyjaśnienie mechanizmów podwyższonej aktywności biosurfaktantów w obecności lipaz – względem biofilmów bakteryjnych.

– Projekt, na który dostałem finansowanie, koncentruje się również na immobilizacji biosurfaktantów w hydrożelach, które mogą przylegać do ich powierzchni przez długi czas, umożliwiając przedłużone uwalnianie substancji aktywnych w miejscu aplikacji. Ta właściwość sprawia, że są szczególnie interesujące w leczeniu ran miejscowych ze względu na ich wewnętrzną niską toksyczność i możliwość przedłużonego uwalniania leków. Można też „dodać” im właściwości bakteriobójcze, wzbogacając o substancje aktywne biologicznie. Hydrożele zawierające substancje przeciwbakteryjne mogą też być stosowane jako obiecujące biomateriały w przemyśle spożywczym – mówi dr Tomasz Janek, który w swojej pracy badawczej będzie oceniał działanie synergicznych układów biosurfaktant-lipaza przeciw bakteriom chorobotwórczym takim jak Escherichia coli, Enterococcus faecalis, Enterococcus hirae, Pseudomonas aeruginosa, Staphylococcus aureus, Campylobacter spp. i Salmonella spp. oraz grzybom wytwarzającym mykotoksyny zanieczyszczające żywność. Okazuje się bowiem, że biosurfaktanty uznaje się obecnie za obiecujące środki biokontroli przeciw toksogennym grzybom z rodzajów Penicillium, Aspergillus i Fusarium. Ta część badań będzie realizowana we współpracy z naukowcami z Uniwersytetu Minho w Portugalii.

– Wyniki uzyskane w ramach realizacji tego projektu będą miały znaczenie nie tylko dla środowisk naukowych, ale i dla całej ludzkości – mówi dr Tomasz Janek.

Z Katedrą Biotechnologii i Mikrobiologii Żywności UPWr związany jest też prof. Zbigniew Lazar, któremu NCN przyznało prawie 2 miliony złotych na badania nad wykorzystaniem lotnych kwasów tłuszczowych do biosyntezy wosków przez drożdże Yarrowia lipolytica.

– Nowoczesne procesy biotechnologiczne wymagają również innowacyjnych rozwiązań. Ekonomiczne i środowiskowe aspekty tych procesów odgrywają coraz większą rolę. Nie bez znaczenia jest również aspekt społeczny prowadzonych badań. Wszyscy oczekują, że współczesna nauka będzie rozwiązywać problemy związane z zanieczyszczeniem środowiska,  które sami spowodowaliśmy – mówi prof. Lazar. W badaniach, nad którymi pracował będzie zgrany zespół pasjonatów nauki, kluczową rolę odgrywają mikroorganizmy, które wykorzystane zostaną do produkcji cennych metabolitów. Przy rosnącej świadomości społeczeństwa dotyczącej degradacji środowiska, nacisk kładzie się na wykorzystywanie do hodowli drobnoustrojów odpadów z produkcji przemysłowej, które pozwalają wyeliminować konkurowanie o surowiec pomiędzy przemysłem biotechnologicznym a produkcją żywności. Dlatego też poszukuje się nowych źródeł węgla do procesów biotechnologicznych. Jednym z takich substratów mogą być lotne kwasy tłuszczowe (LKT) – octowy, propionowy i masłowy powstające m.in. w wyniku fermentacji odpadów z przemysłu drzewnego, oczyszczalni ścieków i różnych biodegradowalnych odpadów organicznych, ale również podczas fermentacji odpadów komunalnych.

– Tylko na początku XXI wieku ponad 95% wytworzonych odpadów stałych było składowanych na wysypiskach śmieci a nie podlegało segregacji i ponownemu wykorzystaniu. W naszych badaniach chcemy wydobyć z nich to, co wartościowe, a więc właśnie lotne kwasy tłuszczowe, które zastosowane zostaną jako substrat do biosyntezy lipidów przez drożdże Yarrowia lipolytica – tłumaczy prof. Lazar, który w projekcie badawczym finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki zajmie się scharakteryzowaniem metabolizmu octanu, propionianu i maślanu w drożdżach Y. lipolytica oraz opracowaniem metody ich efektywnego wykorzystywania do produkcji metabolitów o dużej wartości dodanej.

– Z produkcją cennych metabolitów komórkowych związany jest drugi główny cel projektu – produkcja wosków. Ich naturalne źródła to oleje mineralne, mikroorganizmy, rośliny czy zwierzęta. Znaczna większość wosków oczyszczana jest z olejów mineralnych, jednakże poszukuje się źródeł, które byłyby zarówno odnawialne, jak i przyjazne dla środowiska. Przez długi czas najszerzej dostępnym, naturalnym źródłem wosków był olej uzyskiwany z kaszalota. Pod koniec XVIII i na początku XIX wieku olej z kaszalotów był stosowany jako doskonały smar ze względu na swoją niską lepkość i stabilność, i nie zamarzał do -30°C. Siłą rzeczy doprowadziło to do takiej skali połowów kaszalotów, że zwierzęta te objęto ścisłą ochroną jako gatunek zagrożony wyginięciem – mówi prof. Zbigniew Lazar.

Woski mają zastosowanie w wielu produktach do higieny osobistej, ale też w smarach lub powłokach ochronnych. W branży motoryzacyjnej szacuje się, że globalny rynek wosków samochodowych będzie wyceniony na 1 126,4 mln dolarów do końca roku 2028 roku. Substytutem oleju z kaszalota jest obecnie olej z nasion simondsji kalifornijskiej (Simmondsia chinensis), potocznie nazywany olejkiem jojoba. Ponad połowa tego oleju występuje w postaci wosków, który kompozycją przypomina ten z kaszalota, jak też i woski występujące w ludzkiej skórze. Jego zastosowanie jest jednak ograniczone małą podażą, a co za tym idzie wysokimi cenami. Projekt prof. Lazara ma służyć opracowaniu biosyntezy wosków przez olejogenne drożdże Y. lipolytica. Wstępne badania wskazują na duży potencjał tych mikroorganizmów do biosyntezy wosków, jednocześnie jednak wiadomo, że związki te wpływają toksycznie na komórki. Dlatego też istotne będzie opracowanie metody pozwalającej na efektywną biosyntezę wosków bez szkody dla komórek drożdży.

Trzecim beneficjentem programu Opus 19 Narodowego Centrum Nauki jest konsorcjum Uniwersytetu Przyrodniczego (lider projektu) i Uniwersytetu Wrocławskiego (partner) – grupa badawcza pod kierunkiem profesora Witolda Rohma zajmie się integracją obserwacji troposfery z wykorzystaniem naziemnych i satelitarnych obserwacji GNSS.

Jak przypomina prof. Witold Rohm z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki, niezależnie od tego, jaki tryb życia prowadzimy, codziennie korzystamy z danych o lokalizacji. Nawigacja w smartfonie czy samochodzie korzysta z danych przesyłanych przez globalne systemy nawigacji satelitarnej, w skrócie GNSS. Wyścig kosmiczny zapoczątkowany przez Stany Zjednoczone i ZSRR w latach 60. ubiegłego stulecia nadal się nie skończył. Do amerykańskiego systemu nawigacji GPS, rosyjskiego GLONASSu, dołączyły w ostatniej dekadzie europejski system Galileo, czy chiński Beidou, oraz japoński QZSS. Sygnał GNSS w najniższej warstwie atmosfery, troposferze, gdzie znajduje się najwięcej pary wodnej, jest najsilniej uginany i opóźniany. Efekt ugięcia sygnału jest rejestrowany na satelitach niskoorbitujących wyposażonych w odbiorniki GNSS, natomiast opóźnienia – na stacjach naziemnych.

– Miara opóźnienia i ugięcia troposferycznego to cenne i stosunkowo tanie źródło informacji o aktualnym stanie atmosfery dla serwisów pogodowych – mówi prof. Witold Rohm i dodaje, ograniczenia w zastosowaniu informacji GNSS w meteorologii można zniwelować poprzez zastosowanie techniki tomografii GNSS. Okazuje się bowiem, że tak jak w przypadku tomografii komputerowej, stosowanej w celu diagnozowania zmian chorobotwórczych, tomografia GNSS dostarcza trójwymiarowy obraz zawartości pary wodnej w atmosferze. 

Tak jak w przypadku tomografii komputerowej, stosowanej w celu diagnozowania zmian chorobotwórczych, tomografia GNSS dostarcza trójwymiarowy obraz zawartości pary wodnej w atmosferze.

W jaki sposób? Część troposfery nad gęstą siecią odbiorników GNSS dzieli się na małe pudełka, voksele, w których korzystając z algorytmów śledzenia promieni (ang. ray tracing), wyznacza się długość sygnału GNSS przecinającego dany voksel. Na tej podstawie zintegrowana wartość opóźnienia zostaje rozłożona na voksele modelu. Pomimo gęstej sieci stacji naziemnych oraz dużej liczby satelitów transmitujących sygnał GNSS, niektóre voksele pozostają puste, to znaczy, że nie przechodzi przez nie sygnał GNSS. Efekt ten może zostać złagodzony poprzez integrację informacji z odbiorników umieszczonych na satelitach niskoorbitujących. 

– Potrzeba rozbudowy funkcjonalności modelu tomograficznego i  rozwoju algorytmów śledzenia sygnału satelitarnego to praktyczny wymiar idei integracji obserwacji kosmicznych i naziemnych. Ze względu na stały rozwój stacji naziemnych oraz konstelacji satelitów, niezbędne jest jednak wykonanie symulacji działania modelu dla przyszłej infrastruktury – mówi prof. Witold Rohm. 

Jak podkreśla naukowiec z Uniwersytetu Przyrodniczego, zintegrowany model tomograficzny będzie można też wykorzystać do wyznaczenia wysokości i monitoringu planetarnej i miejskiej warstwy granicznej, istotnych dla monitorowania jakości powietrza. Wysokość planetarnej warstwy granicznej wpływa między innymi na nocną inwersję temperatury, a w konsekwencji – zanieczyszczenie przygruntowych warstw mas powietrza. Natomiast w obrębie miejskiej warstwy granicznej zróżnicowanie parametrów meteorologicznych związane jest z mikroklimatycznymi właściwościami miejsca obserwacji.

– W najnowszych badaniach wykazany został też pozytywny wpływ obserwacji z modelu tomograficzego na krótkoterminowe prognozy pogody. Tak jak założyliśmy, będzie w stanie dostarczyć bardzo dokładnych danych o parze wodnej dla lokalnych, regionalnych i globalnych serwisów pogodowych. To zaś pozwala poprawić możliwość prognozowania niebezpiecznych zjawisk pogodowych, takich jak rozwój komórek burzowych czy intensywnych opadów deszczu – dodaje prof. Rohm.  Ważnym aspektem projektu jest współpraca z naukowcami z ETH Zurich w zakresie tomografii oraz z firmą Spire Global, właścicielem i operatorem konstelacji satelitów Lemur- odbierających sygnał GNSS uginany w troposferze.

Konkurs o dofinansowanie z programu Opus 19 Narodowego Centrum Nauki został ogłoszony we wrześniu 2020 roku. Pula pieniędzy do rozdysponowania wynosiła 450 milionów złotych. 

kbk