Lobio vertės kompaktinis diskas, iš antrų rankų nupirktas pirmasis serveris bei pačių rašyta programinė įranga. Kaip Vilniaus universitete buvo sukurta visame pasaulyje unikali enciklopedija - dabar naudojasi ne tik viso pasaulio mokslininkai, bet ir policija, muitinės ir net kalnakasybos pramonė

Kompaktinis diskas su 50 tūkstančių molekulių struktūrų duomenimis – štai tokį lobį 2007-aisiais paštu iš kolegų užsienyje gavo Vilniaus universiteto mokslininkas prof. Saulius Gražulis. Iš antrų rankų nupirktas pirmasis serveris bei pačių rašyta programinė įranga davė pradžią Atvirajai kristalografijos duomenų bazei (angl. Crystallography Open Database), kurios viso pasaulio mokslininkams labai trūko. Po daugiau nei dešimties metų ši duomenų bazė naudojama ne tik moksliniuose tyrimuose, bet ir policininkų, muitininkų veikloje, bei žada kalnakasybos pramonės revoliuciją.

„Pojūtis buvo lyg gavus brangakmenių dėžutę“, – prisimena prof. S. Gražulis. Pasak mokslininko, žinios apie tai, kaip erdvėje išsidėsto skirtingų molekulių atomai, leidžia suprasti ir nuspėti daugybę gamtos dėsnių. Nuo šios struktūros priklauso medžiagos mechaninės, biologinės, katalitinės ir cheminės savybės. Turint duomenų apie medžiagos struktūrą, galima nuspėti puslaidininkių savybes, žemėje glūdinčios rūdos išsidėstymą, pritaikyti žinias medžiagotyroje bei kuriant naujas pažangias medžiagas.

Medžiagų kristalinė struktūra – raktas į gamtos paslaptis

„Ar žinote, kuo skiriasi kvarcas ir stiklas?“ – klausia mokslininkas. Pasirodo, vienintelis skirtumas tarp šių medžiagų – tai jų kristalinė struktūra. Abi medžiagos sudarytos iš silicio (Si) ir deguonies (O) atomų, tačiau kvarco mineralo atomai sudaro tvarkingą pasikartojančią kristalinę gardelę. Tuo tarpu stiklą sudarantys silicio ir deguonies atomai erdvėje išsidėstę netvarkingai ir kristalinės struktūros neturi. Beje, būtent todėl stiklo negalime vadinti mineralu. Tai – amorfinis kietasis kūnas, o jo savybės gerokai skiriasi nuo kvarco ir kitų susijusių medžiagų.

Tačiau Lietuvoje kuriama „mažų molekulių enciklopedija“ naudinga ne tik stiklui nuo kvarco atskirti. Į Vilniaus universiteto Gyvybės mokslų centre esantį pagrindinį duomenų bazės serverį kasdien atkeliauja daugybė užklausų iš viso pasaulio. Per daugiau nei 10 metų duomenų bazė išaugo nuo 50 tūkstančių iki daugiau nei 400 tūkstančių įrašų. Tai – mineralų, metalų organinių junginių, neorganinių bei mažų organinių molekulių struktūros.

Šiuos duomenis mokslininkai naudoja medžiagų tyrimams. Tačiau tai dar ne viskas. Jie praverčia ir kitose srityse. Pavyzdžiui, policijos bei muitinės pareigūnai, pasitelkdami duombazėje sukauptą informaciją apie daugybę natūralių ir sintetinių medžiagų, gali identifikuoti kenksmingas ir nelegalias medžiagas. Duombazę darbui sėkmingai naudoja ne tik Lietuvos, bet viso pasaulio pareigūnai.

Vienas iš plačiausiai naudojamų medžiagų struktūros nustatymo būdų – rentgeno spindulių difrakcija. Tiriamoji medžiaga kristalizuojama, t.y., iš tirpalo užauginamas kristalas, ir šis paveikiamas rentgeno spinduliais. Iš rentgeno spindulių difrakcijos kristale galima spręsti apie šios medžiagos kristalinės gardelės struktūrą, t.y., erdvinį atomų išsidėstymą.

Ši technologija išrasta dar XX-ojo amžiaus pradžioje. Nuo tada ji padėjo atskleisti daugybės organinių ir neorganinių molekulių savybes. Būtent šiuo metodu 1952 metais buvo padaryta 51-oji fotografija, atskleidusi gyvybės pagrindą sudarančios DNR struktūrą.

Mažų molekulių enciklopedija verčia kalnus ir kalnakasybos pramonėje

Jau tris metus Atvirosios kristalografijos duomenų bazės vystytojai Lietuvoje kartu su partneriais užsienyje vykdo ir Europos Sąjungos mokslinių tyrimų ir inovacijų programos „Horizontas 2020“ finansuojamą projektą SOLSA. Šio projekto tikslas – sukurti laboratoriją ant ratų, kuria bet kur pasaulyje paėmus uolienų mėginį, būtų galima realiu laiku išiaiškinti, medžiagų sudėtį. Taip kalnakasybos kompanijos galėtų greičiau ir efektyviau nustatyti, naudingųjų iškasenų sankaupas.

Ieškant naudingųjų iškasenų klodų, tenka iš žemės išgręžtą mėginį – kerną – supakuoti ir siųsti į laboratoriją. Ten atliekami fiziniai, cheminiai bei rentgeno difrakcijos tyrimai, ir identifikuojamos kasimo vietoje esančios medžiagos. Tai dažnai trunka ne vieną mėnesį ir kainuoja labai brangiai, o be tyrimo rezultatų darbai vykti negali.

„Šiais laikais, kai galime viską automatizuoti, turime intelektualius kompiuterius, toks procesas tiesiog nepriimtinas,“ – sako projekte su kolegomis dalyvaujantis prof. S. Gražulis.

Mobili laboratorija padėtų visus reikiamus tyrimus atlikti tiesiog kasimo vietoje – taip pat ir difraktometru nustatyti mėginyje esančių kristalų struktūrą. Stebėjimo duomenis palyginus su duomenų bazėje esančiais įrašais, galima iš karto nustatyti tikslią mėginio medžiagų sudėtį. Vienas iš pagrindinių projekto iniciatorių tikslų – skurdesnių nikelio rūdos klodų paieška ir išnaudojimas. Sparčiai senkant turtingiems metalų rūdų šaltiniams, tai tampa vis aktualiau.

Šiuo mokslininkų kuriamu įrenginiu kalnakasybos pramonė taptų ne tik ekonomiškesnė, bet ir švaresnė bei tausojanti gamtą. Vos iš kelių vietų paėmus mėginius, būtų galima iškart spręsti, ar verta kasti toliau. Žinoma, viso to įgyvendinti nepavyktų be laisvai prieinamos, didžiulį žinių bagažą sukaupusios, duomenų bazės.

Ne tik įrankis moksliniams tyrimams, bet ir būdas atverti mokslą

Pasak paties prof. S. Gražulio, pagrindinis Atvirosios kristalografijos duomenų bazės koziris, – jos prieinamumas. Mokslininkai ir kiti naudotojai iš viso pasaulio gali bet kada kreiptis į pagrindinį serverį Vilniuje ir parsisiųsti dalį arba netgi visus duomenų bazės įrašus. „Užimame tikrai nemažą dalį Vilniaus universiteto interneto „eterio“,“ – juokiasi profesorius.

„Mokslo duomenų prieinamumas yra pamatinė visų mūsų teisė, ir be šito tiesiog negalime judėti pirmyn.“

Duomenų bazė nuolat pildoma mokslininkų pateikiamais naujai atrastų struktūrų įrašais. Nemažą dalį darbo atlieka ir „robotai“ – prof. S. Gražulio ir kolegų rašyta programinė įranga, skenuojanti moksliniuose žurnaluose publikuojamus straipsnius. Jei kompiuterinė programa aptinka straipsniuose apibūdinamas molekulių struktūras, ši informacija konvertuojama į standartinį Atvirosios kristalografijos duomenų bazės formatą, ir įrašoma. Taip viešai prieinami duomenys apie molekulių struktūrą automatiškai atsiduria centrinėje duomenų bazėje. Iš čia ją pasiekti ir netgi palyginti su kitur publikuotomis tos pačios molekulės struktūromis gali kiekvienas.

Pačiam profesoriui ši enciklopedija – daugiau nei mokslinis įrankis. Kartu tai ir odė atvirajam mokslui, būdas išlaisvinti, visuomenei atverti faktus apie gamtą. „Mokslo duomenys turi būti prieinami visiems,“ – sako profesorius. „Be jokių apribojimų – be draudimo kopijuoti, be draudimo panaudoti. Tai yra pamatinė visų mūsų teisė, ir be šito tiesiog negalime judėti pirmyn.“

Medžiagų struktūros – tai fundamentalūs faktai apie gamtą, kurių autorinėmis teisėmis riboti negali niekas. Deja, dalis tokių duomenų nėra viešai prieinami, o saugomi komercinėse duomenų bazėse. Norint šiomis duomenų bazėmis pasinaudoti, reikia įsigyti brangias, laikinai galiojančias licencijas. Iki atvirai prieinamos duomenų bazės atsiradimo, su šia problema susidurdavo, ir kartais vis dar susiduria daugybė mokslininkų, o tai sulėtina ar net stabdo svarbius mokslinius tyrimus.

Organinių molekulių, pavyzdžiui, baltymų struktūrų atviros duombazės atsirado jau anksčiau. Tačiau alternatyvos mažos neorganinėms molekulėms, pasak mokslininko, labai trūko. Tai ir paskatino kurti nuo kompaktinio disko iki pasaulyje pripažįstamos enciklopedijos išaugusią duombazę.

Sparčiai auganti Atviroji kristalografijos duomenų bazė po truputį įgyja pranašumą net prieš didesnes komercines duomenų bazes. Daugėja ne tik įrašų, bet ir gerėja jų kokybė. Naujiems įrašams patikrinti naudojamos atviro kodo programos, įskaitant prof. S. Gražulio bei kolegų specialiai šiai duomenų bazei sukurtas. Tiesa, jei kompiuterinė programa susiduria su nelengva užduotimi, įrašas papildomam patikrinimui perduodamas mokslininkams.

Lietuvių kuriama duomenų bazė jau pradedama komplektuoti net su medžiagų struktūros nustatymo prietaisais – difraktometrais. Tuo pasirūpina patys šių prietaisų gamintojai ir pardavėjai. Nors anksčiau rinkoje dominavo komercinės duomenų bazės, jomis naudotis nebeapsimoka, o Atvirojoje kristalografijos duomenų bazėje sukauptų duomenų daugėja, ir ja galima identifikuoti vis daugiau medžiagų.

„Viskas, kas vyksta gamtoje, turi būti suderinama su šiuo atomų išsidėstymu erdvėje,“ – sako prof. S. Gražulis, dar kartą pabrėždamas žinių apie molekulių struktūrą svarbą. „Jeigu mūsų prielaidos apie medžiagos savybes prieštarauja tam, ką galime nuspėti iš jos struktūros, kažkas yra negerai: arba klaidinga struktūra, arba klaidingos mūsų žinios.“

E. M. Ramanauskaitė

Parengta pagal Eglės Marijos Ramanauskaitės ir „Mokslo sriubos TV“ interviu su prof. Sauliumi Gražuliu, 2018-01-23