PRELUDIUM 21 – cenne granty dla naszych naukowców

• Doktorant Jordan Sycz chce ukrócić proceder zafałszowywania miodów naturalnych
• Dr Igor Turkiewicz zajmie się barwnikami roślinnymi w kontekście ich potencjalnych właściwości przeciwcukrzycowych
• Dr Dariusz Strugarek zbada wykorzystanie satelitów niskoorbitujących do realizacji ziemskich układów odniesienia
• Badania dr Pauliny Strugały-Danak dotyczyć mają zastosowania sztucznej inteligencji w poszukiwaniu nowych, naturalnych substancji leczniczych
• Doktorantka Natalia Pachura będzie badać, czy i w jakim stopniu proces suszenia ziół powoduje ubytki nielotnych związków aktywnych w wybranych roślinach

Konkurs PRELUDIUM 21 dedykowany jest głównie młodym naukowcom. Dzięki środkom z Narodowego Centrum Nauki mają oni szansę na finansowanie swoich badań i rozwój. W ostatniej edycji z tej szansy skorzystało pięcioro naukowców UPWr. Dr Paulina Strugała-Danak, jako partner projketu realizowanego przez Wydział Farmaceutyczny Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu (kierownikiem jest mgr farm. Maciej Spiegel), zajmie się zastosowaniem sztucznej inteligencji w poszukiwaniu nowych substancji leczniczych pochodzenia naturalnego, które pomogą zmniejszyć stężenie wolnych rodników w organizmie. Badania dr Dariusza Strugarka dotyczyć będą wykorzystania satelitów niskoorbitujących do realizacji ziemskich układów odniesienia. Natalia Pachura odpowie na pytanie czy metody suszenia w rzeczywistości mają wpływ na zmianę zawartości związków nielotnych w materiałach roślinnych, Jordan Sycz chce ukrócić proceder zafałszowywania miodów, a dr Igor Turkiewicz zajmie się kształtowaniem stabilności, biodostępności i bioprzyswajalności barwników roślinnych w kontekście ich potencjalnych właściwości przeciwcukrzycowych.

Natalia Pachura oraz Jordan Sycz są doktorantami prof. Antoniego Szumnego z Katedry Chemii Żywności i Biokatalizy UPWr.

Ukrócić proceder fałszowywania miodów

Miody to jeden z tych produktów, którymi Polska może się poszczycić. Niestety, coraz częściej, choć są nazywane naturalnymi, wcale takie nie są. Do najpopularniejszych praktyk fałszowania miodów zaliczyć można chociażby dodatek rożnego rodzaju substancji wzbogacających smak i zapach w celu podniesienia walorów sensorycznych, a także obniżenia kosztów produkcyjnych oraz zastępowania surowców wyjściowych innymi odpowiednikami często gorszej jakości.

Doktorant UPWr Jordan Sycz chce przyjrzeć się bliżej sposobom fałszowania miodów naturalnych w celu opracowania prostych metod weryfikacji ich składu chemicznego oraz pochodzenia geograficznego. A wszystko to w ramach projektu „Analiza zafałszowań składu chemicznego oraz pochodzenia geograficznego naturalnych miodów pochodzących z terenu Polski i Europy w odniesieniu do miodów wzbogaconych i ziołomiodów za pomocą technik chromatograficznych sprzężonych z detekcją masową” na który otrzymał blisko 210 tys. złotych.  – Z definicji miód to produkt naturalny wytwarzany m.in. przez pszczoły z roślin miododajnych, wykazujący szereg udowodnionych właściwości prozdrowotnych oraz posiadający wysoką wartość odżywczą. Skład chemiczny miodu naturalnego może różnić się w zależności od klimatu i warunków środowiskowych, sposobu produkcji czy rodzaju surowca, z którego powstał. Niestety coraz częściej mamy do czynienia z nieuczciwymi praktykami rynkowymi polegającymi przede wszystkim na wzbogacaniu miodów naturalnych innymi składnikami często pochodzenia syntetycznego lub celowego ukrywania ich pochodzenia botanicznego by podnieść cene jednostkową gotowego produktu – mówi Jordan Sycz i dodaje, że to miody zafałszowane, których rynek z roku na rok coraz trudniej kontrolować. Dlaczego? W przypadku komercyjnych analiz miodów przeprowadzanych rutynowo wykonuje się tylko podstawowe badania fizykochemiczne stosując podejście ogólne, natomiast we współczesnym świecie metody fałszowania produktów spożywczych są coraz bardziej złożone i wyrafinowane. Dodatkowym aspektem jest fakt, że złożoność chemiczna matryc miodu utrudnia wykrycie subtelnych zmian w jego składzie.

– Ostatnio głośno zrobiło się o zafałszowaniach tzw. miodów wzbogacanych. To m.in. ziołomiody, gdzie zamiast naturalnie zebranego pożytku pszczelego, pszczoły karmione są syropem cukrowym, dodatkiem hydrolizatów ziołowych lub olejków eterycznych wyizolowanych z roślin olejkodajnych. Mało tego, zdarza się, że do takich miodów dodawany jest celowo pyłek z innej rośliny by utrudnić prawidłową identyfikację – opowiada naukowiec UPWr.

Jordan Sycz zajmie się m.in. badaniem zmian składu chemicznego miodów na każdym z poszczególnych etapów jego produkcji i przetwarzania przez pszczoły oraz różnicami w profilach lotnych miodów i wykrywaniem zafałszowań w złożonych matrycach miodów wzbogaconych i ziołomiodów. Projekt ma dostarczyć także kompleksowej wiedzy na temat tzw. związków markerowych oraz specyficznych profili chemicznych (metoda „fingerprinting”) pozwalających na dokładną analizę zafałszowań nie tylko w produkcie końcowym, ale również na etapie wytwarzania czyli pożytku pszczelego (pyłku, nektaru i spadzi). Przeanalizowane zostaną miody najczęściej dotknięte nieuczciwymi praktykami takie jak np. miód rzepakowy, wrzosowy, gryczany, spadziowy czy lipowy. 

Właściwości przeciwcukrzycowe barwników roślinnych

Dr Igor Turkiewicz zajmie się kształtowaniem stabilności, biodostępności i bioprzyswajalności barwników roślinnych metodą mikroenkapsulacji w kontekście ich potencjalnych właściwości przeciwcukrzycowych.

Na swoje badania otrzymał z NCN 210 tys. złotych.  Naukowiec UPWr tłumaczy, że mikroenkapsulacja (powlekanie jednej substancji drugą) coraz częściej wykorzystywana jest w procesie stabilizacji labilnych związków bioaktywnych, jak np. witaminy, ponieważ stwarza barierę przed niekorzystnymi czynnikami: działaniem tlenu, temperatury czy zmianami pH. Zielone barwniki roślinne są jednymi z bardziej labilnych, a warunki fizyczne i chemiczne podczas przetwarzania żywności przyspieszają proces ich degradacji, co prowadzi do transformacji koloru z zielonego na nieatrakcyjny brązowy. To z kolei wiąże się także ze zmianą ich właściwości prozdrowotnych. Dotychczasowe metody ich stabilizacji wykorzystywały głównie metody chemiczne, a obecne prawodawstwo europejskie dopuszcza stosowanie pochodnych chlorofilu oznaczonych jako E141 (kompleksy miedziowe chlorofilu i chlorofiliny). 

– Brak danych naukowych dotyczących ich wchłaniania, dystrybucji, metabolizmu, wydalania i toksyczności powoduje, że nie można ocenić bezpieczeństwa ich stosowania jako dodatków do żywności oraz ustalenia poziomów dopuszczalnego dziennego spożycia (ADI). Stąd konieczność poszukiwania alternatywnych metod stabilizacji zielonych barwników nie modyfikowanych chemicznie wraz z określeniem ich biodostępności i bioprzyswajalności w ujęciu potencjalnych korzyści dla organizmu ludzkiego – mówi i dodaje, że chlorofile są od dawna stosowane są w medycynie maturalnej jako związki o właściwościach terapeutycznych. Odgrywają ważną rolę w prewencji chorób przewlekłych, wykazując działanie m.in. antyoksydacyjne, antymutagenne i przeciwnowotworowe. – Brakuje jednak danych czy wykazują one również właściwości przeciwcukrzycowe. Istnieje wprawdzie wiele potwierdzonych badań, że owoce i warzywa są bogatym źródłem metabolitów wtórnych posiadających takie właściwości, natomiast badania nad chlorofilami nie były dotychczas prowadzone – podkreśla dr Igor Turkiewicz. 

Koncepcja jego badań zakłada analizę zmian zachodzących w trakcie suszenia rozpyłowego naturalnego ekstraktu chlorofilowego w odniesieniu do ekstraktu chlorofilowego stabilizowanego jonami Cu (II) celem sprawdzenia jak i czy indukowana modyfikacja chemiczna wpływa na właściwości mikrokapsułek chlorofilowych. Naukowiec będzie sprawdzał czy proces mikroenkapsulacji będzie alternatywą dla stabilizacji jonami metali.

Dokładniejszy układ odniesienia to lepsze dane

Na projekt „Wykorzystanie satelitów niskoorbitujących do realizacji międzynarodowych ziemskich układów odniesienia” dr Dariusz Strugarek z Instytutu Geodezji i Geoinformatyki zdobył ponad 184 tys. złotych. To kontynuacja badań naukowca UPWr.  

– Satelita Sentinel-3A/B bada wysokość poziomu mórz i oceanów oraz ich temperaturę, satelity GRACE-A/B i GRACE-FO są wykorzystywane do badania pola grawitacyjnego Ziemi, a jeszcze inne z kolei wykorzystuje się do badania pola magnetycznego czy tworzenia modeli powierzchni terenu – mówi dr Dariusz Strugarek i od razu wyjaśnia, że w swoim projekcie zamierza poddać analizie dane z 14 satelitów – zebrane z ponad dziesięciu lat – i z pomocą specjalnego oprogramowania stworzyć nowe narzędzie informatyczne, które pozwoli zidentyfikować i zredukować błędy systematyczne występujące podczas analiz. 

– Do tej pory nie dysponowaliśmy odpowiednimi narzędziami do analiz danych LEO, ale teraz możemy wykorzystać istniejące oprogramowanie Bernese GNSS software i oczywiście implementować do niego kolejne, potrzebne do naszej pracy, funkcje – mówi dr Strugarek, który w zdobytym grancie badawczym zaplanował staż na Uniwersytecie Hitotsubashi w Japonii, u jednego z recenzentów swojej pracy doktorskiej prof. Toshimishi Otsubo, który jest światowym ekspertem z zakresu techniki SLR, czyli laserowych pomiarów odległości. – Moje prezentacje na międzynarodowych konferencjach naukowych, w których przedstawiałem problem modelowania obserwacji do satelitów LEO uzyskiwanych techniką SLR, wzbudził zainteresowanie. Środowisko jest ciekawe nowych rozwiązań i liczę na odzew po zaprezentowaniu wyników badań, opartych o wcześniej niewykorzystywane dane – mówi dr Strugarek i wyjaśnia, że będzie analizował dane, których precyzyjne orbity dostarczane są przez techniki GNSS i DORIS oraz do których stacje techniki SLR wykonują pomiary odległości - tłumaczy.

W projekcie sprawdzona zostanie jakość orbit, zidentyfikowane i zredukowane zostaną efekty wpływające na jakość pomiarów SLR, a kombinacje LEO dla wyliczenia współrzędnych stacji poprzedzą testy różnych strategii obliczeniowych. Wyznaczony zostanie ziemski układ odniesienia oparty o SLR, którego jakość zostanie zweryfikowana poprzez porównanie z dotychczas wykorzystywanymi realizacjami układów odniesienia. Dzięki temu nie tylko misje LEO i ich operatorzy uzyskają kolejne, nowe zastosowania dotyczące monitoringu i zrozumienia zmian zachodzących z ciągle zmieniającym się systemie ziemskim, ale przede wszystkim lepiej poznamy zjawiska i procesy geodynamiczne monitorowane przez globalne parametry geodezyjne i precyzyjne układy odniesienia. – Dokładniejszy układ odniesienia to lepsze dane geodezji satelitarnej dla środowiska naukowego, instytucji, firm i społeczeństw. A lepsze dane to lepszy monitoring trzęsień ziemi, tsunami, topnienia lodu, precyzyjne układy odniesienia dla pomiarów inżynierskich w budownictwie czy górnictwie, ale też lepsze monitorowanie jakości wegetacji, ilości wody w glebie, erozji gleby, czy wykorzystywana dzisiaj powszechnie nawigacja pojazdów – podkreśla dr Dariusz Strugarek.

W poszukiwaniu nowych substancji leczniczych

190 728 zł – tyle w konkursie Preludium zdobył projekt realizowany przez Wydział Farmaceutyczny Uniwersytetu Medycznego im. Piastów Śląskich we Wrocławiu (lider), z czego 112 038 zł przypadnie Uniwersytetowi Przyrodniczemu we Wrocławiu, który jest partnerem (kierownikiem po stronie UPWr jest dr Paulina Strugała-Danak). Tytuł: „Zastosowanie sztucznej inteligencji w poszukiwaniu nowych substancji leczniczych pochodzenia naturalnego o mechanizmach działania ukierunkowanych na zmniejszanie stężenia wolnych rodników w organizmie”.

Projekt, którego kierownikiem jest mgr farm. Maciej Spiegel dotyczy procesu starzenia się organizmu – istnieje kilka teorii starających się wyjaśnić przebieg tego zjawiska, a tym samym zidentyfikować czynniki odpowiedzialne za jego inicjację i progresję, które mogłyby stanowić cel dla potencjalnych leków. Prawdopodobnie najlepiej rozpoznawalną teorią jest teoria zaprogramowanego zegara, w myśl której starzenie się jest celowo powodowane przez wyewoluowane mechanizmy biologiczne w celu uzyskania przewagi ewolucyjnej. Oznaczałoby to, że nie ma możliwości zahamowania tego procesu. Jednocześnie jednak wiele doniesień naukowych sugeruje, że funkcjonalne starzenie się komórek (senesencja) jest spowodowane degradacją struktur biologicznych wchodzących w skład cytozolu i jądra komórkowego na skutek ich nadmiernej oksydacji. Stawia to podwaliny pod tak zwaną teorię błędów, a dokładniej rodnikową hipotezę starzenia, według której za akumulację tych uszkodzeń odpowiedzialne są wolne rodniki, a rezultatem – zaburzenie w ich funkcjonowaniu objawiające się rozwojem różnych chronicznych, ciężkich, i często śmiertelnych przypadłości takich jak nowotwory lub zmiany neurodegeneracyjne. Mimo że komórki są w stanie chronić się do pewnego stopnia przed oksydantami dzięki wewnątrzkomórkowego środowiska złożonego ze związków o charakterze redukcyjnym, mechanizm ten jest coraz mniej efektywny w dzisiejszych czasach, gdzie nadmierne ekspozycja na promieniowanie ultrafioletowe, smog i zanieczyszczenia powietrza stanowią główne źródło znacznie podniesionego stężenia wolnych rodników w organizmie.

Tradycyjna medycyna chińska, ajurweda i szamanizm wykorzystywały rośliny do celów terapeutycznych, a wiedza o ich zastosowaniu była przekazywana z pokolenia na pokolenie. Dopóki jednak nie zbadano ich składu chemicznego te mityczne, lecznicze moce pozostawały nieznane. Wśród nowo odkrytych substancji, jedna grupa wzbudziła szczególne zainteresowanie naukowców ze względu na swoją aktywność podobną do biologicznych przeciwutleniaczy – polifenole. Od tego czasu liczne badania potwierdziły i wciąż potwierdzają ich działanie prozdrowotne. Celem projektu Uniwersytetu Medycznego i Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu jest opracowanie modeli uczenia maszynowego mogących wesprzeć projektowanie nowych leków o zwiększonym potencjale antyoksydacyjnym na matrycy dobrze rozpoznawalnych związków fitochemicznych.

Zakres badań obejmuje analizę dwóch rodzajów aktywności – bezpośredniego zmiatania rodników oraz hamowania enzymów generujących je in vivo. Równolegle do testów laboratoryjnych, przeprowadzanych do ilościowej oceny procesu, wykonane zostaną badania, których zadaniem będzie zbadanie mechanizmów molekularnych leżących u podstaw obserwowanych zjawisk. Aby wskazać elementy strukturalne modulujące te aktywności, otrzymane dane zostaną wykorzystane do otrzymania ilościowych modeli zależności struktura–aktywność. Ostatecznym celem projektu jest uczynienie go jeszcze bardziej użytecznym poprzez przekształcenie modeli w algorytmy uczenia maszynowego i umieszczenie ich na publicznie dostępnym serwerze — w rezultacie inni naukowcy będą mogli bezpośrednio wpływać na ich wiarygodność przesyłając swoje wyniki eksperymentalne, które następnie przetworzone przez serwer dostosują parametry modeli i poprawią ich dokładność. Innym istotnym i oczekiwanym benefitem jest możliwość wykorzystania ich do zmniejszenia kosztów i czasu poświęconego na badania poprzez odrzucenie nieaktywnych związków na samym początku.

Żeby zioło miało moc

Natalia Pachura realizuje doktorat pod opieką prof. Antoniego Szumnego (jej promotorem pomocniczym jest dr inż. Mariusz Dziadas z Uniwersytetu Wrocławskiego, gdzie w Katedrze Chemii broniła pracę magisterska z analityki instrumentalnej). W konkursie Preludium zdobyła finansowanie na projekt zatytułowany „Czy metody suszenia w rzeczywistości mają wpływ na zmianę zawartości związków nielotnych w materiałach roślinnych – pytanie wciąż otwarte” – na badania zdobyła 138 714 zł.

Doktorantka Szkoły Doktorskiej Uniwersytetu Przyrodniczego będzie badać popularne zioła takie jak koniczyna łąkowa, nagietek, łopian większy, bez czarny, krwawnik i konopie. Z każdej rośliny zostanie wybrana ta część, która jest wartościowa pod względem zawartości substancji czynnych biologicznie, a więc kwiaty, liście, kłącza lub korzenie. Badany będzie nie tylko susz, który można po prostu kupić przez internet, ale też świeże rośliny, które w czerwcu na uczelnię dostarczy firma specjalizująca się w zbieraniu surowca zielarskiego.

– Suszenie jest jednym z najszerzej stosowanych metod konserwacji żywności. Z literatury wiemy, jak wpływa na jakość końcowych produktów, a więc i na ubytki lotnych związków organicznych. W Katedrze Chemii Żywności i Biokatalizy UPWr, gdzie realizuję swój doktorat, od 2010 roku prowadzone są badania nad optymalizacją procesów suszenia w kontekście kształtowania cech sensorycznych i aromatu. Jednocześnie w literaturze nie ma jednoznacznych stwierdzeń dotyczących stopnia ubytku nielotnych związków aktywnych biologicznie. Logika podpowiada, że powinien być niewielki, ale trzeba to po prostu sprawdzić – mówi Natalia Pachura i dodaje, że w trakcie suszenia związki lotne odparowują, a ubytki sięgają najczęściej od kilkunastu do kilkudziesięciu procent zawartości początkowej i są w sposób nieliniowy zależne od zastosowanych temperatur. Ale fitosterole, alkaloidy, lignany, saponiny, di- i triterpenoidy czy polifenole nie powinny ulegać degradacji, bo są stabilne temperaturowo.

– Z naszych doświadczeń jednoznacznie wynika, że relatywnie niska temperatura, jak i czas suszenia nie powodują ich termicznej degradacji, odparowania czy przemian chemicznych. Jednocześnie jednak rocznie pojawia się wiele publikacji, gdzie autorzy pokazują statystycznie istotne ubytki lub przyrosty związków z nielotnych grup – tłumaczy Natalia Pachura i dodaje, że zdaniem jej i jej promotorów w żadnej z tych publikacji nie dokonano pełnej walidacji metod analitycznych w oznaczeniu związków bioaktywnych, a autorzy nie wzięli pod uwagę całkowicie innych ekstraktywności związków aktywnych ze świeżego i suszonego materiału roślinnego. Dlatego też Natalia w swoim projekcie badawczym chce wykazać, walidując w pełni metody analityczne, rzeczywiste zmiany ilościowe i jakościowe w tych związkach.

Dla poszczególnych roślin zostaną wytypowane nielotne frakcje bioaktywne oraz wyizolowane lub zakupione poszczególne związki kształtujące ich cechy funkcjonalne. Zastosowane zostaną co najmniej cztery metod suszenia (tzw. tradycyjne, w cieniu i przewiewie, konwekcyjne (w skrajnych, do 70 °C temperaturach), konwekcyjne wspomagane mikrofalami, jak również liofilizacja. Procesowi temu zostaną poddane również wyizolowane/zakupione czyste związki bioaktywne zawieszone na opracowanych matrycach, celem określenie ich rzeczywistej stabilności termicznej. Będą to badania w których wyznaczony, w sposób w pełni zwalidowany, zostanie wpływ wymienionych metod suszenia na zachowanie się wybranych, nielotnych frakcji bioaktywnych w materiale roślinnym.

– Zioła interesują mnie od dawna. Zajmowałam się europejskimi odmianami Ilex paraquariensis, czyli popularnej Yerba mate wspomagającej odchudzanie, regulowanie gospodarki lipidowej oraz cukrowej, ale też ze względu na dużą zawartość kofeiny uznawanej za substytut kawy. W pracy magisterskiej z kolei zajmowałam się syntezą glikozydowej pochodnej antybiotyku chlorafemikolu, która jest rozpuszczalna w wodzie – opowiada Natalia, która z Uniwersytetem Przyrodniczym związała się najpierw jako technik w Katedrze Chemii i Biokatalizy Żywności – to praca magisterska i zdobyte przy jej realizacji umiejętności zdecydowały, że prof. Szumny wziął ją na pokład. I po pół roku pracy zdecydowała się na rekrutację do Szkoły Doktorskiej.

– O doktoracie myślałam od dawna, ale dzięki pracy technika mogłam zapoznać się ze wszystkimi urządzeniami, aparaturą, technikami badawczymi. I to był naprawdę dobry start, bo od trzech lat jestem w Szkole Doktorskiej – uśmiecha się Natalia Pachura.