Aktualności

Zapraszamy do lektury czwartego wywiadu z cyklu “NanoGirls”. Dzisiejszą rozmowę przeprowadzono z dr Alicją Mikołajczyk, współwłaścicielką QSAR Lab i badaczką na Wydziale Chemii Uniwersytetu Gdańskiego.

Kiedy po raz pierwszy zainteresowała Cię nanotechnologia?

To nie była miłość od pierwszego wejrzenia. O ile chemia była dla mnie fascynująca od dziecięcych lat, tak nanotechnologią zainteresowałam się dopiero w trakcie studiów magisterskich. Nasze drogi połączył zbieg wielu okoliczności. W ramach pracy magisterskiej realizowanej w Zakładzie Krystalografii Wydziału Chemii Uniwersytetu Wrocławskiego zajmowałam się syntezą oraz pomiarem kryształów. Poszukując metod umożliwiających kontrolowanie wzrostu kryształów, natrafiłam na wykład Feynmana, który przedstawiał wizję manipulowania strukturą chemiczną na poziomie pojedynczych atomów. Od tego czasu spędziłam wiele godzin zgłębiając wiedzę w zakresie możliwości nanomateriałów oraz potencjalnych zagrożeń związanych z ich rozwojem. Tak znalazłam publikację z czasopisma Nature Nanotechnology, w zakresie nanotoksykologii komputerowej opublikowaną przez polski zespół badawczy na czele którego stał Profesor Tomasz Puzyn, mój późniejszy mentor i promotor rozprawy doktorskiej. Rok później rozpoczęłam przygodę z nanotechnologią w ramach Stacjonarnych Studiów Doktoranckich Chemii i Biochemii przy Wydziale Chemii Uniwersytetu Gdańskiego, realizując badania w ramach 7 Ramowego Projektu Unii Europejskiej „NanoPUZZLE – modelling properties, interactions, toxicity and environmental behaviour of engineered nanoparticles” oraz projektu “NANOBRIDGES – building bridges between specialists on computational and empirical risk assessment of engineered nanomate”.

Nad czym aktualnie pracujesz? Jak istotny jest cel tych badań dla rozwoju nauki lub społeczeństwa?

W swoich badaniach po raz pierwszy dostosowałam metody sztucznej inteligencji oraz metody uczenia maszynowego do zrównoważonego projektowania bezpiecznych i zaawansowanych materiałów na bazie nanocząstek wielokomponentowych, zgodnie z ideą Safe and Sustainable-by-design (SSbD).

Ze względu na szereg unikalnych właściwości zaawansowane materiały, w tym nanocząstki, umożliwiają projektowanie lepszych, bardziej wydajnych produktów i procesów technologicznych w porównaniu z obecnie stosowanymi rozwiązaniami. Rozwój zaawansowanych materiałów jest istotnym elementem nauki i technologii (ang. Key Enabling Technologies, KETs), który może przełożyć się na zwiększenie autonomii Europy w kluczowych dziedzinach przemysłu. Rozwój zaawansowanych materiałów stwarza szansę dla projektowania nowych i bardziej wydajnych produktów i procesów, niezbędnych dla podniesienia jakości życia oraz zdrowia społeczeństwa w Europie i na Świecie. Rozwój zaawansowanych materiałów zgodnie z zasadą SSbD jest również kluczowy dla zatrzymania zmian klimatycznych opisanych w założeniach Europejskiego Zielonego Ładu (ang. Green Deal), którego celem jest uzyskanie pierwszego neutralnie klimatycznie kontynentu oraz przekształcenie UE w nowoczesną, zasobooszczędną i konkurencyjną gospodarkę. Obecnie, głównym ograniczeniem w procesie projektowania zaawansowanych nanomateriałów jest praktycznie nieskończona liczba możliwych połączeń nanocząstek o różnej strukturze i właściwościach oraz brak systematycznej wiedzy o wpływie modyfikacji strukturalnych na zmianę funkcjonalności oraz potencjalnej toksyczności nowo projektowanych produktów. Biorąc pod uwagę czas, koszt prac eksperymentalnych, a także wątpliwości natury etycznej związane z oceną ryzyka chemicznego wykonywaną z użyciem zwierząt laboratoryjnych, irracjonalne zdaje się przebadanie wszystkich nowo projektowanych układów. Dlatego tak istotne jest wdrożenie tańszych, szybszych i wiarygodnych metod, które stanowiłyby alternatywę dla badań eksperymentalnych. W celu rozwiązania powyższych problemów, badania mojego zespołu skupiają się na rozwoju metod uczenia maszynowego i metod sztucznej inteligencji, tzw. metod in silico jako narzędzi wspierających proces zrównoważonego projektowania funkcjonalnych, zaawansowanych materiałów oraz nanomateriałów wielokomponentowych. Materiałów bezpiecznych dla zdrowia człowieka i środowiska naturalnego. Wymiernym efektem prowadzonych badań jest możliwość przewidywania pożądanych właściwości oraz bezpieczeństwa chemicznego nowych struktur chemicznych na wczesnym etapie projektowania produktu (przed syntezą czy wprowadzeniem produktu do obrotu), a także poszukiwanie bezpiecznych i zrównoważonych alternatyw dla obecnie stosowanych substancji, które budzą obawy w przestrzeni wirtualnej.

Czy mogłabyś podzielić się wspomnieniem momentu największej osobistej satysfakcji podczas prowadzenia badań? Z jakiego sukcesu jesteś najbardziej dumna?

Jestem dumna, że wraz z kolegami i koleżankami z Pracowni Chemometrii Środowiska Uniwersytetu Gdańskiego udało nam się połączyć pracę naukową z komercjalizacją wyników badań, w prowadzonej przez nas Spółce QSAR Lab. Wymiernym efektem mojej pracy jest możliwość realizacji marzeń, łączenia techniki uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji z procesem projektowania nowych, zrównoważonych i bezpiecznych materiałów, pracy badawczej na Wydziale Chemii UG z byciem wykładowcą, a prowadzenie firmy QSAR Lab z digitalizacją przemysłu.

Na przestrzeni mojej 10-letniej pracy w sektorze B+R, mam możliwość uczestniczenia w procesie, w którym chemia wychodzi z laboratoriów, i stopniowo wchodzi w przestrzeń wirtualną. Biorąc pod uwagę, że 50 lat temu nie mieliśmy komputerów, a 20 lat temu – Internetu, wierzę, że w perspektywie kolejnych 50 lat będziemy mogli przenieść proces projektowania nowych związków chemicznych i materiałów z tradycyjnych laboratoriów do przestrzeni komputerowej. W wyniku zastosowania innowacyjnego podejścia rozwijanego w naszej firmie, polegającego na integracji metod uczenia maszynowego i metod sztucznej inteligencji (platform komputerowych), opracowanie nowego produktu chemicznego przy zachowaniu procedur oceny ryzyka stanie się szybsze, tańsze i bardziej efektywne. Digitalizacja procesu oceny ryzyka chemicznego oraz procesu projektowania nowych materiałów czy leków zdaje się być szczególnie istotny w kontekście obserwowanego zagrożenia nowo pojawiającymi się chorobami (np. COVID-19). Opracowywane przez QSAR Lab narzędzia oraz platformy komputerowe na bazie metod sztucznej inteligencji mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie do szybkiego projektowania i wstępnej weryfikacji (na etapie badań przedklinicznych) bezpieczeństwa nanocząstek o zastosowaniach medycznych, na przykład nanocząstek wykorzystywanych jako nośniki leków lub materiału genetycznego (RNA). Wspierany komputerowo proces projektowania nowych leków i zaawansowanych materiałów może przyczynić się również do zredukowania liczby chorób cywilizacyjnych o podłożu środowiskowym (np. obniżona płodność, nowotwory) co jest jednym z kluczowych wyzwań społecznych w Europie.

Powiedz czym na co dzień zajmuje się organizacja, w której pracujesz. Czy nanotechnologia ma znaczący wpływ na rozwój tej organizacji?

Nasza firma – QSAR Lab od początku swej działalności przenosi chemię z tradycyjnych laboratoriów do przestrzeni wirtualnej. Zespół QSAR Lab po raz pierwszy wprowadził do przemysłu chemicznego pojęcie „nanotoksykologii komputerowej”. Obecnie nasze działania skupiają się na wprowadzaniu nowych metod bezpieczeństwa oraz optymalizacji procesu projektowania „nanotechnologii” – wprowadzamy myszy komputerowe zamiast myszy laboratoryjnych, redukując tym samym czas, koszt oraz liczbę wątpliwych etycznie badań na zwierzętach laboratoryjnych.  Współpracujmy z 70 instytucjami badawczymi na 5 kontynentach, realizując kluczowe projekty UE Horyzont 2020, Horyzont Europa w zakresie rozwoju nanotechnologii oraz globalnych wyzwań w zakresie neutralności klimatycznej, projektowania nowych leków i zwalczania chorób cywilizacyjnych o podłożu środowiskowych.

Uważam, że największym osiągnięciem naszego zespołu jest opracowanie pierwszej w Europie innowacyjnej platformy komputerowej nano-QSAR Toolbox (w skrócie aplikacja nQTb) do wirtualnego projektowania zaawansowanych, zrównoważonych i bezpiecznych nanomateriałów (cząstek materii o rozmiarze 10^-9 m). Platforma nQTb powstała poprzez zintegrowanie technik uczenia maszynowego, sztucznej inteligencji i metod chemii kwantowej. Opracowana platforma nQTb umożliwia przeszukanie wirtualnie wygenerowanych setek tysięcy związków chemicznych o różnej strukturze i właściwościach, w celu wyboru „optymalnych związków” (tj. struktur chemicznych o określonych właściwościach i bezpieczeństwie) do dalszych badań eksperymentalnych. Równolegle zaimplementowane w ramach nQTb algorytmy umożliwiają ocenę ryzyka chemicznego jakie mogą stanowić nowe nanomateriały względem zdrowia człowieka i środowiska naturalnego na wczesnym etapie projektowania (przed wprowadzeniem produktu na rynek konsumencki) zgodnie z Rozporządzenie REACH, EC 1907/2006. Platforma nQTb po raz pierwszy umożliwia przeniesienie procesu projektowania materiałów z tradycyjnego laboratorium do przestrzeni wirtualnej. Innowacyjne podejście umożliwia optymalizację procesu projektowania, poprzez redukcję liczby, czasu i kosztów niezbędnych badań eksperymentalnych oraz ograniczenie wątpliwych etycznie testów toksykologicznych z udziałem zwierząt laboratoryjnych.

Jaką radę dałabyś młodym kobietom rozważającym karierę w nanotechnologii?

„Nanotechnologia” jest kobietą, więc warto zapomnieć o stereotypach, że jest to branża tylko dla mężczyzn i spróbować swoich sił i możliwości 😉 a tak na poważnie, uważam, że w pracy badawczej ważny jest nie tylko cel, ale również droga, która do niego prowadzi. Biorąc pod uwagę specyfikę nanomateriałów, rozwój nowych technologii w sektorze nanotechnologii może wiązać się z licznymi trudnościami, dlatego ważna jest wytrwałość. Kiedy na drodze do celu pojawią się przeszkody, warto się zatrzymać, zastanowić się jak je ominąć, pamiętając o obranym kierunku, dążyć krok po kroku do realizacji marzeń.