Dr. M. Dagys – apie biojutiklius ir tai, kaip jie gali pasitarnauti visuomenei

VU GMC mokslininkas dr. M. Dagys atstovauja biojutiklių tyrimų sričiai. Jo komanda tyrinėja biojutiklių fundamentines savybes, o kartu ieško ir praktinio pritaikymo – tokio, kurio medikams ar verslininkams reikia labiausiai. Jo teigimu, visuomenė kartais nustemba, kai sužino, kokie nuostabūs dalykai vyksta laboratorijose. 

Mokslininkas papasakojo apie biojutiklius, kaip jie taikomi medicinoje, biotechnologijų ar chemijos pramonėje, kaip šioje srityje sekasi Lietuvai ir kaip jis pats prisidėjo prie šalies mokslininkų tarptautiškumo. 

– Kaip veikia biojutikliai ir ką jie aptinka?

– Pagal apibrėžimą, tai yra analizės įrankiai, kurių esminis atpažinimo komponentas yra biomolekulė. Tai gali būti fermentas, kuris katalizuoja specifinę cheminę reakciją, gali būti antikūnas, gali būti nukleorūgštis. 

Mūsų darbas – atpažinti tos biomolekulės reakcijos signalą ir tam yra keli būdai. Vienas jų –  elektrocheminis metodas, kada, vykstant reakcijai, prietaisu galima registruoti specifinį srovės stiprį.

– O kokios tai reakcijos?

– Jų labai daug. Fermentų žinome tūkstančius. Pavyzdžiui, mus nuo seno domina gliukozė. Gliukozės oksidazė yra fermentas, kuris oksiduoja gliukozę ir perkelia elektronus ištirpusiam deguoniui, dėl to susidaro vandenilio peroksidas. Vandenilio peroksido oksidaciją galima stebėti ant teigiamai poliarizuoto platininio elektrodo paviršiaus, registruojant taip vadinamą Faradėjinės srovės stiprį.

– Kadangi tyrinėjate ir biojutiklių pritaikymą, apie kokius biojutiklius čia kalbame? Kodėl pasirinkote būtent šiuos?

– Pradėkime nuo fundamentinių ir taikomųjų tyrimų. Bendrai mums, mokslininkams, įdomu, kaip mano minėtas biomolekules prijungti prie nanostruktūrų, elektrodų paviršių ar pan. Kaip tai padaryti efektyviai, kad nepažeistume biomolekulių struktūros, kad jos ilgiau gyventų, kad gautume geresnį biojutiklio specifiškumą. Rašome mokslinius straipsnius apie surastus naujus fermentus, naujas analites, naujus detekcijos būdus ir kt.

Tačiau taip pat turime ir taikomąjį aspektą. Mūsų skyrius yra žymus tuo, kad dar sovietinės okupacijos metu buvome pirmi Rytų Europoje, treti pasaulyje, kurie komercializavo gliukozės kiekio kraujyje analizatorių.

– O kam tie analizatoriai naudojami? Gliukozei kraujyje nustatyti laboratorijoje? Ar kalbame apie tuos, kuriais, pavyzdžiui, cukriniu diabetu sergantys asmenys matuoja gliukozės šuolius? 

– Kalbame apie laboratorijas. Tais laikais gliukozę nustatinėdavo ilgai trunkančiais metodais klinikose ir pan. Štai čia matote mūsų skyriaus išradimą. Kai mokslininkai jį sukūrė, aš buvau vaikas, o aparatas vis dar veikia! 

Jis matuoja gliukozę taip vadinamu amperometriniu principu. Elektrodai ir prietaiso elektronika sujungti taip, kad yra stebimas substrato koncentracijai proporcingas srovės stipris. Kiti analizatorių analogai dirba potenciometriniu principu – kai srovė tarp elektrodų neteka, bet registruojami jų paviršių potencialų skirtumai. Pastarasis metodas yra jautrus įvairiems užteršimams, fonams, sunku patikimai gaminti elektrodus serijiniu būdu, bet jis laikomas auksiniu standartu dar nuo 8-ojo dešimtmečio. Jei būtume turėję langą į pasaulį…

Mūsų kuriami aparatai yra tikslūs, kalibruojami. Be to, vieno matavimo kaina gaunasi keli centai. Tai yra, kol „nenumirė“ naudojamas elektrodas, vienintelės išlaidos iš esmės yra buferiniai tirpalai ir kraujo paėmimo priemonės. Mūsų prietaisų leistinos paklaidos yra mažos, ne daugiau kelių procentų. Pavyzdžiui, gliukozės juostelių gali būti daug didesnė paklaida – tai nėra gerai, jei pagal tai skiriamas insulinas, kai žmogui tam momentui galbūt nereikia. Net pas mus dažnai užeina žmonės pasitikrinti – gauna rezultatus iš laboratorijos, pas mus tikrina, ar atitinka. Buvo ne vienas atvejis su klaida… Aišku, minėtas gliukozės aparatas jau istorinis, dabar esame sukūrę naujesnių, kuriuos naudojame. Nors prireikus ir šis istorinis suveiktų (šypsosi). 

– Sugrįžkime prie kitų biojutiklių jūsų laboratorijoje. Apie kokias dar pritaikymo galimybes kalbame, be gliukozės matavimų kraujyje?

– Ką dar matuojame – šlapalą (karbamidą). Tai yra toks junginys, kuris yra pagrindinis galutinis azoto apykaitos produktas ir kaupiasi organizme, o jei sutrinka inkstų funkcija – pacientui reikalinga dializė. Nėra tokio mobilaus aparato, kuris tiesiogiai matuotų šlapalo koncentraciją kraujyje. Yra dializės aparatų priedai, kurie matuoja šlapalą dializės skystyje, naudojant spektrofotometrinę celę, bet ne tiesiogiai kraujyje. Mes turime ir dviejų parametrų prietaisą, kuris papildomai ir kreatininą matuoja.  

Yra procedūra, kuri vadinasi peritoninė dializė, ji atliekama namų sąlygomis. Tačiau ji nėra tinkama visiems, nes paciento širdis turi būti stipri, pacientas negali turėti komplikacijų ar papildomų sunkinančių aplinkybių. Kadangi žmonių kiekis auga, o gydytojų – nebūtinai, nuotolinė medicina darysis vis aktualesnė. Prie lovos esantis prietaisas, kuris gali parodyti, kaip gerai kraujas išsivalė po nakties, turės didelę vertę.

Kitas aparatas, kurį kuriame, turėtų atsidurti ligoninėse, prie pacientų lovų intensyvios terapijos skyriuje. Tai – aminorūgščių ir šlapalo kiekio kraujyje nustatymo aparatas. Jo idėja gimė pabendravus su medikais iš Santaros klinikų. Kalbame apie pacientus, kurie guli be sąmonės, galbūt ištisas dienas. Jie negali valgyti, vadinasi, jiems reikia baltymų, kurie lašinami su lašelinėmis. Klausimas, kiek jų reikia? 

Gydytojai mums pasakė, kad problemai spręsti jiems reikia aparato, kuris galėtų pamatuoti bendrą L-amino rūgščių kiekį kraujyje. Atradome reikalingą fermentą, sukūrėme membraninį elektrodą, kuris reaguoja į visas pagrindines amino rūgštis. Kuriame atitinkamą prietaisą, kuriuo galime gauti bendrą amino rūgščių kiekį kraujyje, o tada medikai tiksliai žinos, kokią lašelinę pacientui paruošti, ko jam trūksta. Nereikės spėlioti. 

– Gaunate realią problemą iš gydytojų, pavyzdžiui, Santaros klinikose, ir tada, šioje laboratorijoje, ieškote būdų, kaip padėti gydytojams ir, žinoma, pacientams?

– Taip, dažnai taip ir būna. 

– Jūsų laboratorijoje buvo kuriami ir biojutikliai, galintys padėti suvaldyti pandemiją. Gal galite plačiau apie tai papasakoti? 

– Kai prasidėjo pandemija, ji buvo siurprizas daug kam, ir mums, biojutiklių pasaulyje. Ta prasme, prekyboje nebuvo jokio virusinio analizatoriaus, tam nebuvo rinkos poreikio. Buvo tik AT-PGR ir juosteliniai testai, bet to neužteko. Tai visi biojutiklių mokslininkai pasaulyje gavo žemą startą. Mes irgi išvystėme savo COVID-19 infekcijos jutiklį, veikiantį su realiais seilių mėginiais. Jo veikimo principas – ant vienkartinių aukso elektrodų paviršių detektuoti specifinę viruso RNR seką. Nors auksas skamba brangiai, iš tikrųjų jo reikia tik labai plonam sluoksniui, todėl nėra taip brangu. 

Ant SARS-CoV-2 viruso jutiklio - nanostruktūrizuoto elektrodo - inkaruojama viengrandė nukleorūgštis, atitinkanti viruso spyglio baltymo seką. Idėja tokia – įdedame mėginį į mėgintuvėlį, kuriame yra buferinis skystis, ardantis tą virusą, ir tada įnešame į terpę ant elektrodo, o elektroninė sistema iškart mato, ar „kimba“ ieškoma seka prie funkcionalizuoto paviršiaus, ar ne.  

Dirbome prie to, bet rinka jau persisotino koronaviruso testais. Patobulinome savo sistemą, t. y., pakeitėme metodo paskirtį. Yra tokie fermentai nukleazės. Yra problema, jei biotechnologiniai produktai tampa jomis užteršti – pavyzdžiui, jei nuo užterštų paviršių jų patenka į produktų mėgintuvėlius, klientas gauna „suskilusį“ oligonukleotidą. Tad sukūrėme nukleazių aktyvumo jutiklį, kuris gali padėti išvengti to užterštumo biotechnologijų srityje dirbančioms įmonėms.

– Ar įmonių atstovai dažnai kreipiasi į jus su problemomis, kurias prašo padėti išspręsti?

– Pavyzdžiui, į mus kreipėsi AB „Achema“ atstovai, kuriems reikia analizuoti trąšas. Jie gamina karbamidą kaip azotinių trąšų komponentą. Įmonei labai svarbi jo koncentracija trąšose, nes klientai tikisi gauti ne mažesnį karbamido kiekį, nei parašyta produkto sudėtyje. Apsidraudžiant nuo gamybinio proceso klaidų, gamintojas įdeda karbamido truputį daugiau, kas kainuoja pinigus. Todėl baigiame kurti trąšų analizatorių, kuris matuoja ne tik karbamidą, bet ir visas azoto formas skystose trąšose, ir tikimės, kad tikslus matavimas šiuo prietaisu įmonei leistų dėti mažiau perteklinės medžiagos į produktą.

Taigi dirbame ir su medicina, ir su biotechnologijų, ir su chemijos pramone. 

– Sugrįžtant šiek tiek į mediciną, tai yra į ligų diagnostiką ir stebėjimą. Kokius dar biojutiklius verta paminėti?

– Biojutiklių siūlomas privalumas yra greita diagnostika vietoje. Viename iš James Bond serijų „Casino Royale“ buvo scena, kurioje agentas Bondas žaidė pokerį ir jį apnuodijo. Jis sugebėjo nusigauti į savo automobilį ir įsikišo į veną adatinį daviklį, kurio pagalba persiuntė duomenis į savo agentūrą, kur specialistai analizavo, kokius nuodus agentas išgėrė. Ten buvo biojutiklis! Tokį realybėje sukurti įmanoma, bet jis tik siaurai rinkai reikalingas ir būtų labai brangus. Bet fikcinei žvalgybos agentūrai puikiai tiko. 

Turint minty Rusijos karą Ukrainoje, mums aktualu ir karo pramonė. Pavyzdžiui, kuriame biojutiklį, kuriuo galima stebėti kraujo uždegimą, ar sužeistojo organizmas neužsikrečia ir ar nereikia duoti vaistų. Jį galima “suporuoti” su, pavyzdžiui, gliukozės ar aminorūgščių biojutikliu į vieną prietaisą, naudojamą ekstremaliose sąlygose. Esame labai motyvuoti, skyriuje turime visas reikalingas kompetencijas – biochemikus, inžinierius, elektrikus, programuotojus ir kt.

– Su kokiais iššūkiais savo srityje susiduriate jūs, kaip mokslininkas? 

– Kaip pavyzdį galima paminėti kol kas geriausio reitingo mūsų laboratorijos straipsnio (cituojamumo indeksas – 33) istoriją. Dirbame ir tokioje srityje, kuri vadinasi biokuro elementai. Biokuro elementas yra panašus į biojutiklius, kuris implantuojamas į organizmą, ir iš kraujyje esančio gliukozės ir deguonies gali generuoti elektros srovę mikro prietaisams. Pageidautina – kuo didesnę. Biojutikliams svarbiau specifiškumas, biokuro elementams – išgaunami galios tankiai. Vienas iš elektrodų (aukštesniojo potencialo) yra deguoninis.

Problema, kad deguonies kraujyje nėra daug, ir iš kiekvienos deguonies molekulės reikia kuo efektyviau „ištraukti“ esamą elektrocheminę energiją. Atradome fermentą, kurį „apvertėme“ ant paviršiaus taip, kad jis galėjo deguonį redukuoti efektyviai tik vienu iš dviejų turimų aktyviųjų centrų. Parašėme straipsnį, išsiuntėme jį publikuoti į aukšto reitingo žurnalą, bet jį atmetė. Aišku, nepasimetėme ir nusprendėme siųsti į dar geresnį žurnalą. Iš jo atėjo recenzija, kurioje be kitų pastabų mūsų paprašė tą fermentą „atversti“ atgal ir atlikti matavimus, davė tam tris savaites. Ir mes tai padarėme! Šie tyrimai buvo pigūs, padaryti, iš esmės, trimis elektrodais.

Istorijos moralas – moksliniams projektams kartais reikia ne tiek lėšų, kiek veiksmų laisvės, nes nežinai, kur kokį rezultatą gausi, o dėmesio vertas tikslas gali pasikeisti labai greitai. 

– Tikriausiai tai ypač aktualu fundamentiniuose tyrimuose, kurie plečia mūsų suvokimą?

– Taip. Visoje Europoje moksliniuose projektuose suteikiama laisvė, bet Lietuvoje – ne visai. Pas mus viską reikia planuoti iš esmės. Užsienyje yra tokia praktika – aprašai idėją, ekspertai ją įvertina, gauni finansavimą – viskas, vykdyk tyrimus kaip tau atrodo geriausiai, sėkmės. Pas mus tą laisvę varžo, pavyzdžiui, struktūrinių fondų taisyklės. Ten į tyrimus žiūrima kaip į namo statybas: reikia tiek plytų, tiek čerpių, nori kažką keisti - parašyk, kodėl blogai numatei. Todėl net fundamentinius tyrimus, kurie gali būti nenuspėjami, tenka planuoti. 

– Lietuvoje moksle labai stiprios sritys yra biotechnologijos ir lazeriai. Kadangi dirbate biotechnologijų srityje, kaip manote, ką reikėtų išskirti? 

– Kiek važinėjau užsienyje, ir kiek turėjau patirčių, lietuviai, kaip tauta, vertinami dėl išsilavinimo, darbštumo, pareigingumo – šito iš mūsų neatimsi. Taip pat turime veiklią startuolių ekosistemą – mokslininkai irgi mokomi, kaip steigti startuolius. Tai verčia mus iš rogių, nes imamės daryti tai, ko nemokame (juokiasi). Bet valstybė skatina konsultuotis su verslininkais, mokymų – krūvos, viskas nemokama, galima ir teisinę pagalbą gauti. Mes irgi esame įkūrę startuolį. Gali būti keli nepavykę startuoliai, bet vienas tikrai pavyks, ir jis visą sektorių išves į priekį. Labai svarbu, kad lietuviai to imasi. 

Kita vertus, man kartais keista, kodėl politikai dažniau neateina į laboratorijas, kad ir nusifotografuoti rinkimų skrajutėms. Gal mokslas nėra taip populiaru, kaip pensijų kėlimo klausimai, bet tikrai galėtume parodyti, kuo galime didžiuotis. Užtat džiugu, kad užeina smalsūs žmonės, kurie nori sužinoti daugiau. Pavyzdžiui, buvo apsilankęs Gabrielius Liaudanskas-Svaras kartu su jo įkurta „Contribee“ bendruomene (linkėjimai). Užsuka ir moksleiviai, jiems leidžiame patiems išbandyti prietaisus. Visi lieka nustebę, kiek čia įvairiausių dalykų veikiame. Ir man smagu, kad įvertina, ir visuomenei įdomu pamatyti. 

– Jūsų indėlis biotechnologijose taip pat labai svarbus. Patekote į prestižinį žurnalą „ACS Sensors“. Kaip tai pavyko padaryti?

– Taip, ten labai sunku patekti. Tai pavyko padaryti kartu su kolegomis iš Malmės universiteto (Švedija), ir ten dirbančiu lietuviu profesoriumi Tautgirdu Ruzgu, kuris buvo mano mentorius doktorantūros metu.

Jiems perdavėme kolegų sukurtą ir mūsų išbandytą ypač stabilų ant paviršiaus fermentą - membraninę gliukozės dehidrogenazę, padėjome jį prijungti prie nanostruktūrizuoto aukso elektrodo. Užsienio kolegos tuomet sukūrė bevielį gliukozės jutiklį, veikiantį, pavyzdžiui, ant odos, kuris gali duomenis siųsti RFID principu per anteną į nuotolinį registratorių. Pavyko išpublikuoti rezultatus „ACS Sensors“, aukščiausio lygio analizinės chemijos srities žurnale pasaulyje, ir tapome trečia lietuvių autorių grupe, kuriai tai pavyko padaryti. Vėliau tais pačiais metais šiame žurnale pavyko išpublikuoti dar vieną išradimą, aprašantį anksčiau minėtą L-amino rūgščių biojutiklį, kurio autoriai pirmą kartą istorijoje buvo vien lietuviai – mūsų Bioanalizės skyriaus darbuotojai. Į tokius žurnalus labai sunku patekti, bet jei vieniems pavyksta – kitiems praminamas takas. Ko gero, nuo šiol lietuviams bus tikrai lengviau patekti į tą žurnalą. 

– Ačiū jums už pokalbį!

– Ačiū ir jums.