Pasaulē mēģina atklāt zirnekļa tīkla noslēpumu. Cik tuvu tam ir Latvijas zinātnieki? 2
Zirnekļu zīds ir augstvērtīgs materiāls ar perspektīvu pielietojumu daudzās nozarēs, tostarp biomedicīnā. Tāpēc daudzu valstu zinātnieki cenšas izveidot mākslīgu zirnekļa tīmekli. Arī Latvijas Organiskās sintēzes institūta (OSI) pētnieki jau vairākus gadus līdzdarbojas šādos pētījumos. Kaut arī pagaidām pašmāju pētniekiem nav izdevies pilnībā atklāt zirnekļa tīkla noslēpumu, meklējumu ceļš bijis gana darbietilpīgs un vērtīgs. Tāpēc Latvijas Zinātņu akadēmija (LZA) šo veikumu iekļāvusi pērnā gada Latvijas zinātnes sasniegumu sarakstā.
Iesaiste šāda veida pētniecībā gan nenozīmē, ka OSI nu atvērta zirnekļu laboratorija. Augstvērtīgākās un izturīgākās šķiedras ražo lielāko zirnekļu sugu pārstāvji. Tādi Latvijā un arī visā Eiropā, protams, nedzīvo. Tāpēc pētnieki no Karolinskas institūta Zviedrijā, ar kuriem sadarbojas OSI zinātnieki, bija devušies zirnekļu medībās uz Āfriku. Notvertajiem zirnekļiem zviedru pētnieki analizēja gēnus, nosakot, kurš tieši gēns liek molekulām ražot proteīnu šķiedru. Kad attiecīgais gēns bija noteikts un izpētīts, pētnieki to iemācījās sintezēt paši. Vēlāk jaunradīto gēnu ievietoja laboratorijā audzētās baktērijās, kuras pieņem gēnus, kas tām nepieder, un kuras var izmantot kā proteīnu audzētavas. Līdz ar to šķiedras pētīšanai dzīvi zirnekļi vairs nav nepieciešami. Pētnieku gala mērķis ir zirnekļa šķiedru radīt mākslīgi bez paša insekta līdzdalības.
OSI pētnieks, ķīmijas zinātņu doktors Kristaps Jaudzems stāsta, ka kopā ar kolēģi Mārtiņu Otikovu zirnekļa tīkla izpētei pievērsies pēc zviedru sadarbības partneru ierosmes: “Viņi vēlējās noskaidrot, kā veidojas zirnekļa tīkls. Mums OSI ir gan pieredze, gan aparatūra, lai paskatītos tieši atomu līmenī, kā izmainās vielas molekulu struktūra, pārejot no šķidra stāvokļa cietā.” Proti, zirnekļa dziedzerī viela, kas veido tīmekli, ir šķidra, bet, nonākot ārējā vidē, tā tāda vairs nav. OSI pētnieku uzdevums bija noskaidrot, kā mainās zīda molekulas struktūra, plūstot caur šķiedras izvades kanālu. “Mums bija jāmēģina atdarināt tos apstākļus, ko molekula piedzīvo zirneklī,” teic K. Jaudzems. Pētnieki radīja šķīdumu, kura pH, jonu daudzums un sastāvs ir maksimāli tuvs kukaiņa iekšienei. Šādi šķīdumi gan tika radīti vairāki, jo dažādās vietās zīda izvades kanālā vide ir mainīga un molekula reaģē uz visām šīm vides pārmaiņām. Tā bija pirmā pētījumu fāze, kas pabeigta jau aptuveni pirms četriem gadiem.
Izmantojot šo pētījumu datus, zviedru pētnieki kopā ar uzņēmumu “Spiber Technologies AB”, kas vēlētos komerciālos nolūkos ražot mākslīgo zirnekļu zīdu, radīja mākslīgu zirnekļa tīkla pavedienam līdzīgu šķiedru. To atsūtīja uz OSI, un nu Latvijas zinātniekiem bija jānoskaidro, vai šajā mākslīgajā šķiedrā molekulas izveidojušas to struktūru, kāda ir zirnekļa dabiskajā zīdā. “Pētījumi parāda, ka molekulu struktūra mākslīgajā zīda pavedienā nav precīzi tāda, kādai tai jābūt. Mākslīgā šķiedra nav identiska zirnekļa radītajai un sasniedz tikai 25 procentus no stiprības, kas ir īstai zirnekļa šķiedrai. Esam sapratuši, ka baktēriju radītās molekulas nav identiskas tām, kas rodas zirneklī. Zirneklis ir augstāka līmeņa organisms nekā baktērijas, tāpēc viņa radītās molekulas ir stipri garākas, tieši tas nodrošina šķiedras izturību. Tagad mēģināsim modificēt zirnekļa gēnu tā, lai tomēr baktēriju radītā šķiedra kļūtu stiprāka arī tad, ja molekula nekļūs garāka. Tā ka darbs pie šī pētījuma vēl turpināsies,” saka K. Jaudzems, kurš uzskata, ka atzinība saņemta tieši par to, ka OSI pētnieki parādījuši, kā iespējams analizēt molekulas mākslīgā zīda šķiedrās.
Analīzei pētnieki izmanto kodolmagnētiskās rezonanses aparātu, kas ļauj noskaidrot molekulu telpisko struktūru. Aparāts atgādina milzu cisternu, kas aprīkota ar dažādiem ventiļiem, caurulēm utt. Lai ievietotu paraugus iekārtā, pētniekiem nākas rāpties pa sastatnēm. Tikmēr blakus telpā īpašos inkubatoros aminoskābju šķīdumos aug baktērijas tālākiem pētījumiem.
Jāpiebilst, ka zirnekļa tīkla noslēpumu mēģina izprast arī pētnieki citur pasaulē. Jau šobrīd tiek izmantota metode, kurā zirnekļa zīda proteīna gēnu ievada aitās un pēc tam iegūst šķiedru no aitu piena. Tad molekulas ir ļoti tuvas zirnekļa radītajām. Tomēr šāds zirnekļa tīmekļa ieguves veids ir nesamērīgi dārgs. Izmantot baktērijas kā proteīna ražotnes ir lētāk un vienkāršāk, tomēr lēta zirnekļa tīkla šķiedras ražošana diez vai kādreiz būšot. Jāpiebilst, ka zirneklis pats var izveidot līdz pat septiņiem šķiedras veidiem.
Tik liela interese par zirnekļa šķiedras iegūšanu mākslīgā ceļā ir tāpēc, ka to var daudzveidīgi izmantot dažādās nozarēs. Piemēram, Vācijā ne pārāk augstvērtīgas mākslīgās zirnekļa zīda šķiedras izmanto sporta kurpju tekstila ražošanā. K. Jaudzems gan lēš, ka visnoderīgākais mākslīgais zirnekļu zīds ir medicīnā, jo šī šķiedra neizraisa imūno reakciju, proti, cilvēks to labi pieņem. Tāpēc no šīs šķiedras varētu veidot, piemēram, mākslīgus muskuļus vai ietvarus, kuros vairoties cilmes šūnām, no kurām var veidot teju jebkura veida šūnas, reģenerējot kādu orgānu.
Pētījumi, ko LZA atzīst par 2017. gada nozīmīgākajiem zinātnes sasniegumiem
Kopumā Latvijas Zinātņu akadēmija par Latvijas zinātnes 2017. gada nozīmīgākajiem sasniegumiem nosaukusi 12 dažādu zinātnes jomu pētnieku veikumu. Vēl sešiem zinātniekiem vai pētnieku grupām par arī nozīmīgiem pētījumiem piešķirta LZA atzinība.
Teorētiskajā zinātnē
* Oriģināla topoloģiskās funkcionēšanas modelēšanas teorija nodrošina drošu un kvalitatīvu programmatūras arhitektūras konstruēšanu no sākuma līdz izstrādes beigām un tās saglabāšanu uzturēšanas laikā. Radīti programmatūras izstrādes teorētiskie pamati un jauna programmatūras izstrādes pieeja, lai aizvietotu pašreizējās neefektīvās un nekvalitatīvās pieejas. Paredzams, ka šo pieeju lietos jauna IT starptautiskā standarta izstrādāšanā.
Autori: LZA goda loceklis Jānis Osis un Dr.sc.ing. Uldis Doniņš, Rīgas Tehniskās universitātes (RTU) Datorzinātnes un informācijas tehnoloģijas fakultātes Lietišķo datorsistēmu institūts.
* Izpētīts zirnekļa tīkla veidošanās molekulārais mehānisms un novērtēta mākslīgā zirnekļu zīda iegūšanas procesa līdzība dabiskajam.
Autori: LZA korespondētājloceklis Kristaps Jaudzems, Mg.chem. Mārtiņš Otikovs, Latvijas Organiskās sintēzes institūts sadarbībā ar Karolinskas institūtu Zviedrijā un Analītisko zinātņu institūtu Francijā.
* Izstrādāta jauna viela E1R atmiņas procesu uzlabošanai un epilepsijas ārstēšanai, kas spēj novērst krampjus. Balstoties uz zinātnieku iegūtajiem rezultātiem par E1R iespējamo lietojumu klīniskajā praksē, reģistrēti seši ārvalstu patenti un publicēti pieci raksti prestižos starptautiskos zinātniskos žurnālos.
Autori: Dr.med. Līga Zvejniece, Dr.pharm. Edijs Vāvers, Dr.biol. Baiba Švalbe, Dr.chem. Maksims Vorona, LZA akadēmiķe Maija Dambrova, LZA akadēmiķis Grigorijs Veinbergs, LZA akadēmiķis Ivars Kalviņš no OSI, kā arī Dr.biol. Ilga Misāne un Dr.med. Ilmārs Stonāns no AS “Grindeks”.
* Persistentu vīrusu infekciju iesaiste nervu sistēmas slimību attīstībā: pirmo reizi atklāts, ka vīrusi var integrēties šūnas genomā, bet infekciju var pārmantot no paaudzes paaudzē.
Autori: Dr.habil.biol. Svetlana Čapenko, Dr.med. Santa Rasa, Dr.med. Sandra Skuja, Dr.habil.med. Valērija Groma, LZA akadēmiķe Modra Murovska, Rīgas Stradiņa universitātes Mikrobioloģijas un virusoloģijas institūts, kā arī Anatomijas un antropoloģijas institūta Starpkatedru elektronmikroskopijas laboratorija.
* Apkopojot vēstures, organoloģijas, folkloristikas, valodniecības un citus datus, izstrādāts kvalitatīvi jauns pētījums par Latvijā dažādos laikmetos lietotiem skaņu rīkiem. Pētījums publicēts monogrāfijā “Tautas mūzikas instrumenti Latvijā”.
Autors: Latvijas Universitātes (LU) profesors Dr.art. Valdis Muktupāvels.
* Pirmreizējs pētījums par dzeju latviešu valodā reformācijas, vēlās renesanses un baroka laikmetā apkopots monogrāfijā “Latviešu dzejas sākotne 16. un 17. gadsimtā kultūrvēsturiskos kontekstos”.
Autore: LU profesore Dr. Philol. Māra Grudule.
* Pētījumā, kas publicēts grāmatā “Viņpus Alpiem. Rainis un Aspazija Kastaņolā: Jaunatklāti tuvplāni” atklāts, kā sociāldemokrāts Rainis kļuva par latviešu nacionālo centienu satura un dziļākās ideoloģiskās jēgas izteicēju, par latviešu nacionālās valsts vīzijas veidotāju ar tālu skatu vienotajā nākotnes Eiropā un pasaulē.
Autore: Dr.Philol. Gundega Grīnuma.
Lietišķajā zinātnē
* Sintezēti jauni materiāli, kas lietojami kā infrasarkanā starojuma pārveidotāji un baltās gaismas avoti. Mainot stikla ķīmisko sastāvu, iegūti materiāli, kuri izstaro acij patīkamu balto gaismu, ilgtermiņā saglabā savas īpašības un ir lietojami gaismas avotos.
Autori: LZA akadēmiķis Uldis Rogulis, Dr.habil.phys. Māris Spriņģis, Dr.phys. Anatolijs Šarakovskis, Dr.phys. Jurģis Grūbe, Dr.phys. Andris Fedotovs, Dr.phys. Edgars Elsts, Mg.sc.ing. Guna Krieķe, Mg.phys. Andris Antuzevičs, Mg.phys. Meldra Ķemere, LU Cietvielu fizikas institūts.
* Izstrādāta programmatūra energosistēmas elektroenerģijas cenu samazināšanai, tās modelēšanai, vadībai un attīstības plānošanai. Izveidoti detalizēti Latvijas energosistēmas un tās elementu matemātiskie modeļi.
Autori: LZA korespondētājloceklis Antans Sauhats, Mg.sc.ing. Zane Broka, Mg.sc.ing. Kārlis Baltputnis, Dr.sc.ing. Romāns Petričenko, Dr.sc.ing. Gatis Junghāns, Dr.sc.ing. Oļegs Linkevičs, Dr.sc.ing. Laila Zemīte, LZA goda loceklis Namejs Zeltiņš, Dr.sc.ing. Renāta Varfolomejeva, Dr.sc.ing. Ļubova Petričenko, Dr.sc.ing. Jevgeņijs Kozadajevs, RTU Enerģētikas institūts.
* Izstrādāts efektīvs siltumizolācijas materiāls: putupoliuretāna kompozīcija, kurā izmantota Latvijā iegūstamā rapšu eļļa.
Autori: Dr.habil.chem. Uldis Stirna, LZA korespondētājloceklis Uģis Cābulis, Dr.sc.ing. Vladimirs Jakušins, Mg.sc.ing. Miķelis Kirpļuks, Mg. Anda Fridrihsone, Latvijas Valsts koksnes ķīmijas institūts.
* Inovatīvi olbaltumvielām un šķiedrvielām bagāti pārtikas produkti – pastētes, ekstrudētas pākšaugu uzkodas un pākšaugu batoniņi – no Latvijā audzētiem pelēkajiem zirņiem, cūku pupām un lauka pupām.
Autori: LZA korespondētājlocekle Sandra Muižniece-Brasava, Dr.sc.ing. Asnate Ķirse, Dr.sc.ing. Liene Strauta, Dr.sc.ing. Ruta Galoburda, LZA korespondētājlocekle Daina Kārkliņa, Bc.sc.ing. Evija Puiškina, Latvijas Lauksaimniecības universitāte, Pārtikas tehnoloģijas fakultāte.
* Pētījumā par farmaceitisko savienojumu atlikumu izplatību vidē un to koncentrācijas samazināšanas iespējām piedāvātas vairākas perspektīvas un efektīvas farmaceitisko atliekvielu koncentrācijas samazināšanas tehnoloģijas. Pateicoties zinātnieku pētījumiem, nākotnē varētu samazināt farmācijas nelabvēlīgo ietekmi uz vidi.
Autori: Dr.chem. Vadims Bartkevičs, Dr.biol. Olga Mutere, Dr.chem. Ingars Reinholds, Dr.chem. Iveta Pugajeva, Dr.chem. Dzintars Začs, LU doktoranti Ingus Pērkons un Jānis Ruško, Pārtikas drošības, dzīvnieku veselības un vides zinātniskais institūts “BIOR” un LU.
