FOTO. Nanoroboti cilvēka ķermenī nav fantāzija! Latviešu pētnieki dalās atklājumos 14
Ilze Kuzmina, “Mājas Viesis”, AS “Latvijas Mediji”
“Magnetotaktiskās baktērijas ir šajā burkā, bet jūs tās neredzat, jo tās ir mikroskopiskas. Tas, ko jūs redzat burkā peldam, ir dažādi citi upes iemītnieki, piemēram, kukaiņi un mazi gliemezīši,” saka Latvijas Universitātes (LU) Magnētisku mīkstu materiālu laboratorijas laborante, Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātes maģistrantūras studente Paula Biseniece.
Viņa ir jaunākā pētnieku komandā, kas pēta baktērijas, kuras reaģē uz magnētisko lauku. Šoruden pētnieki atrada šādu baktēriju ūdens paraugā, kas ņemts Lielupes grīvā. Tādējādi pirmo reizi tika pierādīts, ka šādas baktērijas dzīvo arī Latvijā.
Magnētisku mīkstu materiālu laboratorijas zinātniskā asistente, LU Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātes doktorante Māra Šmite stāsta, ka patiesībā ar ūdeni vien nepietiek: paraugs jāņem tā, lai tiktu iegūts ne tikai ūdens, bet arī ūdenstilpes dūņu slānis. To, ka tieši grīvās – vietās, kur upe ietek jūrā, – ir liela bioloģiska daudzveidība un tāpēc liela iespēja atrast pētniekus interesējošās baktērijas, M. Šmite jau iepriekš bija lasījusi zinātniskajā literatūrā.
Baktērijas sapulcējas ap magnētu
Ūdens paraugi bez Lielupes grīvas ņemti vēl tikai Māras dīķī Rīgā un Baltijas jūrā, tā ka baktērijas meklējumi nav bijuši ilgi. Taču grūti bijis pierādīt, ka ūdens paraugā ir attiecīgā baktērija un izdalīt to no ūdens. “Nevarējām atrast pareizo tehniku, kā baktēriju dabūt ārā no burkas un apskatīt mikroskopā, līdz septembrī devāmies uz vispasaules konferenci par magnetotaktiskajām baktērijām. Tajā apguvu jaunu tehniku, kā atrast paraugā baktērijas un dabūt tās ārā no burkas,” klāsta M. Šmite.
Vispirms vajadzējis visu burkas saturu kārtīgi samaisīt, lai iekustinātu baktērijas, bet pēc tam pie burkas pielikt magnētu un atstāt uz nakti: nākamajā rītā pipetē ievilka ūdeni, kas bija magnēta tuvumā, un mikroskopā pārbaudīja, vai pilienos ir magnetotaktiskās baktērijas.
Izrādījās, ka jā, jo tās bija sastājušās ūdenī tieši pie magnēta un tāpēc tās varēja ievilināt pipetē! Parasts mikroskops gan neparāda, vai baktērija ir magnetotaktiska vai ne. Taču magnētisku mīkstu materiālu pētnieku rīcībā ir īpašs mikroskops, kas aprīkots ar magnētiskām spolēm un ļauj pārliecināties, ka baktērija seko magnētiskā lauka virzienam. Kustinot magnētisko lauku, magnetotaktisko baktēriju, kas mikroskopā izskatās kā mazs kunkulītis, varot gluži smuki dancināt.
Baktērijas ir ļoti mazas, tāpēc redzamas tikai mikroskopā, taču, ja to koncentrācija kādā vietā ir liela, ūdens tur kļūst duļķaināks. Tomēr reti kur dabā tās ir vienuviet tik daudz, lai to varētu pamanīt.
Bez biologu iesaistes neiztikt
“To, ka Latvijas ūdeņos vajadzētu būt magnetotaktiskajām baktērijām, zinājām jau ilgāku laiku. Izaicinājums bija tās izdalīt no ūdens, lai par to pārliecinātos,” teic fizikas doktors, LU Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātes docents Guntars Kitenbergs.
Ar magnetotaktiskām baktērijām Magnētisku mīkstu materiālu laboratorijā pēc tās vadītāja profesora Andreja Cēbera ierosmes strādāts jau ilgāku laiku, taču tās nebija vietējās izcelsmes. Baktērijas visbiežāk pasūtītas no Vācijas, pēc tam tās pētnieki pašu spēkiem centās pavairot, bet atzīst, ka tas ir piņķerīgs darbs. Lai baktērijas vairotos, tām jānodrošina tīkama vide. Tas nav vienkārši, turklāt baktērijām tīkamā vide var patikt arī citām sīkbūtnēm, kas pētniekiem nav nepieciešamas un var pat kaitēt magnetotaktiskajām baktērijām vairoties.
Tas, ka pavairot šīs baktērijas nav tik vienkārši, bija viena no galvenajām motivācijām atrast magnetotaktiskās baktērijas Latvijas dabā. “Mums kā pētniekiem tas ir ļoti ērti, ja varam tās sasmelt tepat, nevis pasūtīt un pēc tam mēģināt pavairot,” paskaidro G. Kitenbergs. “Turklāt, protams, ka mums bija ambīcijas izpētīt, kas tad mūsu dabā ir atrodams.”
Lielupes grīvā atrastās baktērijas pagaidām dzīvo tajā pašā upes ūdenī, ar ko kopā tika izsmeltas. Savā ierastajā ekovidē, pat ja tās ieslodzītas burkā, baktērijas varot nodzīvot vairākus gadus. Tas gan nenozīmē, ka katra atsevišķā baktērija ir ilgdzīvotāja: tās mūža ilgums varētu būt līdz desmit dienām, bet baktērijas vairojas, tāpēc atmirušo vietā aizvien rodas citas. Vismaz tā liecinot ārvalstu zinātnieku pieredze.
Latvijas zinātniekiem pagaidām nav atbilžu uz jautājumu, vai iespējams mākslīgi radīt Lielupē atrastajām baktērijām patīkamu vidi. Šobrīd pat vēl nav zināms, vai Lielupē dzīvojošās baktērijas ir unikālas vai iepriekš tādas jau atrastas kur citur pasaulē. “Pēc formas tās ir līdzīgas citviet atklātajām baktērijām: tām tāpat ir spirāles forma, tā nedaudz atgādina korķviļķi,” teic G. Kitenbergs.
Sīkāk Latvijā atklāto baktēriju fiziķi cer pētīt sadarbībā ar mikrobiologiem, plānots noteikt tās DNS, taču jau tagad pētniekiem ir skaidrs, ka tās nav patogēnas, tātad cilvēkiem neizraisa nekādas saslimšanas.
Tāpat zināms, ka magnetotaktiskajai baktērijai patīk dzīvot vietās, kur ir maz skābekļa, tāpēc tās nedzīvo tuvu ūdens virsmai, kur ūdens bagātāks ar skābekli, bet meklē, kur dziļāks, līdz ar to arī skābekļa mazāk.
Kad mikrobiologi būs pabeiguši savu izpēti, tad arī zinātnieki domās, kāds varētu būt veiksmīgākais pielietojums Latvijā atrastajai magnetotaktiskajai baktērijai.
Palīdzēs apkarot vēža šūnas
Pasaulē šādas baktērijas atklātas jau 1963. gadā un zināms, ka tās ir ļoti daudzveidīgas: dažādu formu, dažāds var būt arī magnētisko nanodaļiņu novietojums baktērijā. Pagaidām gan nav zināms, vai Latvijā dzīvo tikai viena veida magnetotaktiskās baktērijas vai dažādas.
Lai magnetotaktiskās baktērijas veiksmīgāk varētu izmantot cilvēku vajadzībām, tās mūsdienās tiek arī ģenētiski modificētas. Kā šādas baktērijas var izmantot? Pētnieki stāsta, ka tās lieti varētu noderēt medicīnā, lai “aizvestu” medikamentus cilvēka ķermenī tieši uz to vietu, kur tie nepieciešami. “Tā nav nekāda zinātniskā fantastika!” teic M. Šmite. “Kanādiešu zinātnieki jau nākamgad plāno uzsākt jaunas pretvēža ķīmijterapijas izmēģinājumus. Šī jaunā terapija varētu būt daudz efektīvāka nekā esošās, jo zāles, izmantojot baktērijas, tiks nogādātas tieši audzēja šūnās. Baktērijas tiks vadītas, izmantojot kontrolētu magnētisko lauku. Baktērijas iekšienē esošā magnētiskā ķēdīte faktiski ir kā kompasa adata, kas var likt baktērijai kustēties nepieciešamajā virzienā. Baktērijas, kas nesīs medikamentus, ar šļirci iešpricēs tieši audzējā.”
Magnetotaktiskajām baktērijām vēža šūnas var “patikt” arī tāpēc, ka audzēja šūnas apēd daudz skābekļa, tāpēc ap tām šīs vielas ir maz, un tieši tāda vide ir tīkama arī minētajām baktērijām.
“Cilvēks visu savu bioloģisko šķidrumu dēļ ir gana tuvs ūdenim, tāpēc magnetotaktiskās baktērijas mūsu ķermenī spēj kādu laiku nodzīvot. Ir pat spekulācijas, ka arī cilvēkā dzīvo magnetotaktiskas baktērijas un atrodas tās zarnu traktā,” piebilst G. Kitenbergs. Kanādas pētnieki tikuši jau līdz tam, ka izmēģinājumā piedalīsies cilvēki – onkoloģiskie pacienti. G. Kitenbergs vērtē, ka nepilni 60 gadi ir ļoti īss laiks, lai nonāktu no baktēriju atklāšanas līdz izmēģinājumiem, kuros piedalās cilvēki.
Kanādas pētnieku izmantotās baktērijas ir ģenētiski modificētas, lai būtu vieglāk vadāmas, un nu tās sauc jau par nanorobotiem, kas nozīmē – robots, ko var saskatīt tikai mikroskopā.
M. Šmite piebilst: ja Latvijā atrastās magnetotaktiskās baktērijas arī gribēs izmantot medicīnā, būs svarīgi vispirms noskaidrot, kā tās kustas, cik viegli un ātri vadāmas tās ir. “Lai nav tā, ka ielaižam tās kaut kur iekšā un pēc tam brīnāmies, kur tās palika,” smej pētniece.
Nav garlaicīgi nevienu dienu!
Bet kas kopumā ir magnētiski mīkstie materiāli, kurus laboratorijā pēta fiziķi?
G. Kitenbergs skaidro, ka mīkstie materiāli ir viss, kas nav vienkārši ciets vai šķidrs. Tiesa, piemēram, piens šajā izpratnē neskaitās vienkārši šķidrs materiāls, jo tajā ir olbaltumvielas. Ja šie mīkstie materiāli ir magnētiski, tos var vadīt ar magnētiskā lauka palīdzību, kā arī mainīt materiāla īpašības. Laboratorijā paši gatavo mikropeldētājus, ko vada magnētiskais lauks. Šie mikropeldētāji top no plastmasas lodītēm, ar (fero) magnētisku (hroma dioksīda) pārklājumu. Mākslīgos mikropeldētājus vadīt ar magnētiskā lauka palīdzību ir pat vieglāk nekā dabiskās magnetotaktiskās baktērijas. Sava promocijas darba ietvaros M. Šmite pēta, kā kustas šķidrums ap šādu mikropeldētāju. Savukārt P. Biseniece maģistra darbā aprakstīs šo mikropeldētāju radīšanas procesu, kā arī to, kā panākt, lai tie dara to, ko pētnieks vēlas.
Kāpēc šie pētnieki izvēlējušies fiziku par savu studiju un nu jau arī darba jomu? P. Biseniece atbild, ka “fizika būtībā ir zinātne, kas visaptverošāk ar matemātikas darbarīkiem izskaidro visu pasauli un realitāti, kurā dzīvojam; šajā zinātnē jebkurš var atrast sev interesējošu virzienu un rast atbildes”.
M. Šmite toties atklāj, ka vispirms studējusi medicīnas inženieru studiju programmā Rīgas Tehniskajā universitātē. “Taču pēc studijām sapratu, ka manas zināšanas fizikā nav pietiekamas, lai būtu laba inženiere, tāpēc maģistrantūrā uzsāku fizikas studijas LU. Skolā mani visvairāk interesēja dabaszinātnes, bet pat grūti pateikt, kāpēc. Vēl man laba motivācija ir tā, ka fizikas nozarē ir ļoti labs atalgojums; ir iespēja sākt labi pelnīt pat studiju laikā,” stāsta jaunā pētniece.
“Tā kā jauno fiziķu trūkst, nozare par viņiem cīnās, tostarp piedāvājot labu atalgojumu,” piebilst G. Kitenbergs. “Tā tas ir gan zinātnē, gan industrijā. Tāpēc arī trūkst, piemēram, fizikas skolotāju.
Mani pašu fizika ieinteresēja jau skolas laikā. Tolaik gan plānoju nodarboties ar inovatīvu uzņēmējdarbību, bet nu esmu nonācis fundamentālā zinātnē, kā arī mani interesē studiju process, līdzdarbojos tajā, lai studenti iegūtu darba tirgū noderīgas prasmes.”
Kad viņš piemetina, ka “darbs fizikā ir ne tikai labi apmaksāts, bet arī ļoti interesants”, M. Šmite apliecina: “Nav garlaicīgi nevienu dienu.”
