"Substancje chemiczne mają ogromny wpływ na jakość naszego codziennego życia: dzięki nim mamy dostęp do lepszych produktów czy bardziej wydajnych procesów technologicznych" - stwierdza w rozmowie z PAP dr Agnieszka Gajewicz z Uniwersytetu Gdańskiego. Substancje te możemy spotkać m.in. w branży spożywczej, gdzie stosowane są jako dodatki do żywności, na przykład jako barwniki, dodatki zapachowe czy środki konserwujące.

Te same substancje mogą jednak niekiedy stanowić poważne zagrożenie dla zdrowia człowieka, czy mieć negatywny wpływ na środowisko. "Aby zminimalizować potencjalnie negatywne skutki stosowania substancji chemicznych, ważne jest przeprowadzenie kompleksowej oceny potencjalnego ryzyka, jakie mogą one stwarzać w całym cyklu swojego życia" - podkreśla rozmówczyni PAP.

Dotyczy to m.in. nanocząstek – cząstek materii o wymiarach odpowiadających miliardowym częściom metra, które są ponad 1000 razy mniejsze niż średnica ludzkiego włosa. Za swoje prace nad metodami oceny potencjalnego ryzyka stwarzanego przez nanocząstki dr Gajewicz została jedną z laureatek 17. edycji programu stypendialnego L’Oréal-UNESCO Dla Kobiet i Nauki.

"W ostatnich latach jesteśmy świadkami złotej ery nanotechnologii. Obecnie nie ma już chyba dziedziny, w której nanocząstki nie znalazłyby szerokiego zastosowania. Znajdujemy je m.in. w elektronice, medycynie, przemyśle tekstylnym czy spożywczym, jednak duża część potencjalnych zastosowań nanocząstek wciąż pozostaje w sferze rozważań lub jest na etapie badań" - opowiada badaczka. Nanocząstki tlenku cynku i dwutlenku tytanu wykorzystuje się np. w produktach kosmetycznych, jak również do produkcji powierzchni szklanych, samoczyszczących się pod wpływem promieniowania słonecznego.

"Nanocząstki mają unikalne właściwości fizykochemiczne, niespotykane w przypadku związków makroskopowych o tym samym składzie chemicznym. Mogą mieć np. wyższą reaktywność, stabilność termiczną, wytrzymałość czy elastyczność" - opowiada dr Gajewicz.

Różnice te dobrze widać na przykładzie cząstek nanozłota. "Cząstki złota o wielkości 10 nanometrów absorbują światło zielone, przez co zamiast koloru żółtego - mają czerwoną barwę. Poniżej wielkości 5 nanometrów mogą też być doskonałymi katalizatorami oraz wykazują właściwości magnetyczne, co jest niespotykane w przypadku tradycyjnego złota" - dodaje. Co szczególnie ważne, wielkość cząstek może decydować również o różnicach w aktywności biologicznej oraz specyficznych losach nanocząstek w organizmie lub w środowisku.

Jest to istotne, ponieważ pojawiają się wątpliwości dotyczące bezpieczeństwa stosowania nanocząstek. "Istnieją doniesienia mówiące o tym, że - w porównaniu z tradycyjnymi związkami makroskopowymi - nanocząstki posiadają dużą, znacznie bardziej rozwiniętą powierzchnię właściwą i dużo większą liczbę powierzchniowych grup aktywnych. To może się przekładać na znacznie większą aktywność biologiczną" - stwierdza rozmówczyni PAP.

Co to oznacza? "Najnowsze wyniki badań dowodzą, że w bezpośrednim kontakcie z powierzchnią komórki nanocząstki mogą indukować powstawanie reaktywnych form tlenu, które z kolei mogą wywoływać tzw. stres oksydacyjny" - mówi badaczka z Gdańska. "Wiemy także, że nanocząstki - ze względu na niewielkie rozmiary - mogą przenikać przez większość barier biologicznych, w tym barierę krew-mózg. Mogą więc swobodnie krążyć po organizmie i wchodzić w interakcje z układami biologicznymi, jednocześnie wywołując potencjalnie efekty toksyczne. Z badań wynika również, że nanocząstki mogą się deponować w jądrze komórkowym, w mitochondriach" - dodaje.

"Musimy więc pilnie odpowiedzieć sobie na pytanie, czy stosowanie nanocząstek nie będzie stanowiło dla nas w przyszłości problemu takiego, jak azbest czy dioksyny" - podkreśla dr Gajewicz.

Co jednak przeszkadza w ocenie ryzyka stwarzanego przez związki? Wysokie koszty badań eksperymentalnych, czasochłonne i skomplikowane procedury analityczne, jak również wątpliwości etyczne - ocena ryzyka chemicznego substancji wiąże się bowiem z prowadzaniem badań na zwierzętach. "Ograniczyć te przeszkody możemy stosując metody komputerowe, tzw. metody in silico" - stwierdza dr Gajewicz.

"U podstaw metod in silico leży założenie, że różnice pomiędzy aktywnością biologiczną poszczególnych związków chemicznych wynikają z różnic w ich budowie chemicznej" - tłumaczy dr Gajewicz. Oznacza to, że na podstawie danych eksperymentalnych dostępnych dla strukturalnie podobnych związków z danej grupy, istnieje możliwość przewidzenia modelowanej wartości (np. toksyczności) dla związków, dla których takich danych brakuje. Jest to możliwe w oparciu o zbiór tzw. deskryptorów struktury: zmiennych kodujących informacje na temat budowy chemicznej obliczanych metodami chemii komputerowej oraz odpowiedni model matematyczny.

Jeśli jednak ilość danych eksperymentalnych potrzebnych do zbudowania wiarygodnego modelu jest ograniczona, wówczas do uzupełnienia brakujących danych wykorzystywane są tzw. metody szacowania przekrojowego (ang. read-across). Nad rozwinięciem tej grupy metod pracuje właśnie dr Gajewicz. Stypendystka L’Oréal-UNESCO jest bowiem specjalistką z zakresu chemoinformatyki - dziedziny nauki z pogranicza matematyki, informatyki, chemii, fizyki teoretycznej i chemometrii.

Prowadzone przez nią badania nie muszą zresztą ograniczać się jedynie do wsparcia oceny ryzyka istniejących już substancji. Metody chemoinformatyczne mogą być również z powodzeniem wykorzystane do projektowania nowych związków chemicznych. "Zgodnie ze swoim pierwotnym przeznaczeniem, metody in silico wspierają proces komputerowej identyfikacji i optymalizacji struktur nowych związków wiodących oraz selekcji najbardziej aktywnych będących potencjalnymi kandydatami na leki" - opowiada badaczka. W przypadku nowo projektowanych związków chemicznych, dzięki zastosowaniu metod komputerowych, jeszcze na długo przed właściwą syntezą możliwe jest poznanie ich aktywności i właściwości.

"Możliwe jest to dzięki komputerowej ocenie potencjalnego ryzyka stwarzanego przez kombinatorycznie wygenerowane, wirtualne związki o konkretnych właściwościach fizykochemicznych, pożądanych z przemysłowego punktu widzenia. Ostatecznie zsyntezowane i przebadane zostaną tylko najbardziej obiecujące z nich" - stwierdza.

Badaczka podkreśla, że za pomocą metod chemoinformatycznych można również zmniejszyć liczbę badań przeprowadzanych na zwierzętach. "Z raportu Wspólnotowego Centrum Badawczego wynika, że z powodu zmian prawnych w UE zostanie dodatkowo przeprowadzonych ok. 3,9 mln badań eksperymentalnych wykorzystujących zwierzęta kręgowe. Jednocześnie, według autorów tego samego raportu, przy powszechnym stosowaniu metod alternatywnych – czyli właśnie metod in silico, liczba zwierząt wykorzystywanych do testów może zmniejszyć się nawet o połowę" - stwierdza dr Gajewicz.

PAP - Nauka w Polsce

autor: Katarzyna Florencka

kflo/ zan/ ekr/