Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

– Leki skutecznie projektuje się tylko w najbardziej innowacyjnych ośrodkach, potocznie określanych jako big pharma, czyli duży przemysł farmaceutyczny, które dysponują olbrzymimi funduszami. Opinia publiczna często oburza się na ten fakt, ale te największe firmy zarabiają tak dużo, że postrzegamy je jako rekiny biznesu. To muszą być rekiny, by móc inwestować w nowe leki – tłumaczy prof. dr hab. inż. Jarosław Polański, dyrektor Centrum Projektowania i Syntezy Leków i Materiałów przy UŚ. – Średni koszt wprowadzenia jednego leku na rynek osiąga 2 miliardy dolarów.

Wyśrubowane normy bezpieczeństwa stanowią dodatkową komplikację projektowania leków. Bezpieczeństwo i ochrona środowiska są koniecznością współczesnej chemii i przemysłu. Generalnie jednak projektowanie materiałów, które w odróżnieniu od leków nie są aplikowane do organizmu człowieka, podlega nieco mniejszym restrykcjom. Tutaj też łatwiej o wdrożenia, stąd Centrum w ostatnim czasie skupia się na opracowywaniu nowych materiałów, szczególnie dla katalizy energii i środowiska. Metody ich projektowania i testowania, choć zasadniczo tańsze od analizy i projektowania leków, stanowią osobne wyzwanie. Zwykle materiały, inaczej niż leki, składają się z systemu związków chemicznych, w tym także polimerów.

Zdrowsze rośliny, mniejsze zanieczyszczenie

Na stronie Centrum można znaleźć informację, że wśród celów realizowanych przez jego członków jest poszukiwanie m.in. takich rozwiązań, które będą spełniały standardy w zakresie ochrony środowiska, przeciwdziałania zmianom klimatycznym, a także związanych z wynajdywaniem nowych źródeł i nośników energii.

Jednym z ostatnich przedsięwzięć wpisujących się w te założenia jest wciąż kontynuowane „Projektowanie kluczowych dla cywilizacji materiałów dla energii i nanokatalizy środowiska” – projekt realizowany w konkursie Swoboda badań w ramach Inicjatywy Doskonałości Badawczej na UŚ. Program umożliwił dofinansowanie współpracy badawczej z pracownikami Côte d’Azur University w Nicei, która zaowocowała kilkoma publikacjami z prof. J. Polańskim i innymi naukowcami i naukowczyniami ze śląskiej uczelni. Wśród nich są zresztą nie tylko chemicy, ale też inżynierowie materiałowi czy przedstawiciele innych dziedzin.

W ramach grantu Lider kierowanego przez dr. Macieja Kapkowskiego opracowano innowacyjny produkt do zastosowania w rolnictwie – AdiPlus. Może być wykorzystywany jako penetrant zwiększający efektywność odżywiania roślin poprzez zmniejszenie dawki nawozu od 20% do 25% oraz środków chwastobójczych od 16% do 40%. Zastosowanie preparatu pozwala zwiększyć również plony, w niektórych przypadkach osiągając wzrost nawet o 24%. Dodatkową korzyścią jest zmniejszenie negatywnego wpływu na środowisko przyrodnicze w związku ze zredukowaniem ilości stosowanych środków chemicznych, a także bezpiecznym składem samego AdiPlusa. Sprawia to, że stosowanie produktu jest też jednocześnie ekonomiczniejsze. Ponadto, jak zapewnia prof. Jarosław Polański, jest on aż sześciokrotnie tańszy od tego, co proponują inni dostawcy na rynku.

Dzięki projektowi w ramach Swobody badań naukowcom udało się stworzyć związek, który wpisuje się w zrównoważone technologie, bezpieczne dla środowiska. Ograniczenie szkodliwości nawozów to zresztą jeden z głównych postulatów poruszanych przez międzynarodowe gremia i instytucje na całym świecie. – Należy pamiętać, że nawozy nie są w całości wykorzystywane przez rośliny. To, co nie zostanie wchłonięte, spływa do rzek i przenika do gleby, stwarzając zagrożenie dla innych roślin i zwierząt, także dla ludzi – mówi chemik.

Nanokataliza dla środowiska

Wspomniany AdiPlus obejmuje rozwiązania, które określić można nanokatalizą dla środowiska. Dzięki niej możliwe jest poprawienie efektywności reakcji chemicznych, by łatwiej dało się pozyskać pewne substancje czy je zsyntetyzować. Jak tłumaczy dyrektor Centrum:

– Katalizatory pozwalają zmniejszyć ilość reagentów, a co za tym idzie, w mniejszy sposób obciążamy środowisko odpadami. Katalizator potrafi również pracować nie tylko w jednym cyklu reakcji, ale w wielu jej cyklach, więc da się go wykorzystać wielokrotnie. To znacznie zwiększa efektywność. Nanokatalizatory są specyficznym typem katalizatorów. Przedrostek nano- oznacza, że w tej skali substancje zyskują specyficzne właściwości.

Zjawisko katalizy wykorzystywane jest też przy gospodarowaniu dwutlenkiem węgla, tak by możliwe było nadanie mu nowych wartości użytkowych oraz jego wykorzystanie w procesach energetycznych, np. po katalitycznej reakcji z wodorem spalanie powstającego metanu. Innym kierunkiem może być użycie CO2 do syntezowania odczynników, a nawet samego składowania. Ten energetyczny aspekt stanowi kolejny obszar zainteresowań współpracowników prof. Jarosława Polańskiego.

– W takich przypadkach metody katalityczne są bardzo przydatne. Przy spalaniu węgla powstają nie tylko tlenki węgla, ale też m.in. tlenki azotu. Te zanieczyszczenia trzeba usunąć z gazów spalinowych. Redukuje się je amoniakiem wytwarzanym w procesach rozkładu mocznika. Katalizatory deNOx też wytwarza się metodami nanotechnologicznymi – wyjaśnia naukowiec. Centrum ma m.in. patent na regenerację katalizatorów deNOx. Systemy te mają za zadanie optymalizować proces spalania oraz zmniejszać emisję toksycznych związków w kotłach energetycznych stosowanych w elektrowniach. Rozwiązanie specjalistów z UŚ sprawia, że cały proces regeneracji jest wydajniejszy, a jednocześnie nie wymaga zwiększenia energii ani wzrostu kosztów eksploatacji.

Także przy tego typu działaniach, związanych z wytwarzaniem technologii i materiałów, zespół wymienia się doświadczeniami z francuskimi badaczami i badaczkami przy opracowywaniu nowych metod katalizy. Sposoby wypracowane przy produkcji leków mogą być modyfikowane pod kątem prac nad materiałami i odwrotnie, a ta płynność i elastyczność doskonale wpisują się w sam charakter chemii.

Nauka jest jak sport

– W chemii bardzo dużo odkryć ma przypadkowy charakter – zauważa prof. J. Polański, gdy opowiada o pracach realizowanych w ramach zarządzanego Centrum. Podkreśla interdyscyplinarność swojego zespołu oraz konieczność nawiązywania i podtrzymywania kontaktów w środowisku krajowym i zagranicznym, by móc czerpać wiedzę i inspiracje z różnych źródeł.

Jako ekspert wymieniany m.in. w prestiżowym rankingu World’s TOP 2% Scientists chemik ma w swoim dorobku osiągnięcia z różnych obszarów zainteresowań. – Zaczynałem od projektowania leków, i to z wykorzystaniem wczesnych metod komputerowych oraz sztucznej inteligencji, później też projektowałem różne związki biologicznie aktywne, jak inhibitory integrazy HIV, a ostatnio skupiam się zwłaszcza na nanotechnologiach w katalizie.

Badacz przywołuje ubiegłorocznych noblistów: z chemii D. Hassabisa oraz fizyki G. Hintona – w kontekście powszechnego w ostatnich latach zainteresowania metodami SI również w środowisku akademickim. Jak twierdzi, jest to powrót do korzeni fascynacji nad sztuczną inteligencją. Gdy w Europie w latach 90. zarzucono w chemii korzystanie z tych rozwiązań, nie widząc efektów w realizowanych wówczas projektach, w Stanach Zjednoczonych stale dostrzegano ich potencjał.

– Wielkie komputery o niesłychanej mocy obliczeniowej pozwoliły skutecznie realizować tam duże projekty naukowe i pozyskiwać na nie finansowanie. Dzisiaj chemia jest jednym z głównych obszarów zastosowania takich metod SI, które rozwinęły się jako narzędzia bardzo przydatne dla chemika – zauważa naukowiec.

Dowodem potwierdzającym te słowa są wciąż nowe obszary większych dyscyplin, które korzystają z nowoczesnych technologii: informatyka materiałów, bioinformatyka czy chemoinformatyka. Ta ostatnia z powodzeniem wykorzystuje sztuczną inteligencję, w tym uczenie maszynowe i sieci neuronowe, chociażby do projektowania leków. Ponieważ cząsteczki chemiczne mają strukturę 3D, takie metody okazują się szczególnie wygodne i przyspieszają prace naukowców.

Jak podkreśla dyrektor Centrum, konieczne jest inwestowanie w nowe technologie w nauce i naukę jako taką, a posługuje się przy tym sugestywnym porównaniem:

– Nauka jest jak sport. Zwycięża ten, kto inwestuje więcej. Zespoły piłkarskie z niskimi budżetami raczej nie zagrają w Lidze Mistrzów. Tworzenie silnego zespołu trwa latami. Jedna topowa uczelnia amerykańska dysponuje większym budżetem niż cała polska nauka, a z tym naprawdę trudno konkurować. Nauka będzie tak silna, jak duże będzie jej finansowanie.

Weronika Cygan-Adamczyk

Artykuł został opublikowany w "Gazecie Uniwersyteckiej UŚ" [nr 4 (324) styczeń 2025]