Į mokslininkus dažnai kreipiasi medikai ar verslininkai, prašydami išspręsti problemas, kurių jie patys negali įveikti. Tokių prašymų susilaukia ir Vilniaus universiteto (VU) Gyvybės mokslų centro Biochemijos instituto Bioanalizės skyrius, kuriam vadovauja dr. Marius Dagys. Pasak skyriaus vadovo, jau greitai intensyviosios terapijos palatose pasirodys jo komandos kurti biojutikliai, kurie padės ligoninėje gulintiems pacientams palaikyti gyvybines funkcijas. Ir tai – tik vienas pavyzdys.

VU Gyvybės mokslų centro 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.

Membraniniai ir vienkartinio tipo biojutiklių elektrodai, autonominė elektrocheminės celės sistema. Asmeninio archyvo nuotr.

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 vadinamąjį faradėjinės srovės stiprį.

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

Pradėkime nuo fundamentinių ir taikomųjų tyrimų. Apskritai 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 nustatydavo ilgai trunkančiais metodais klinikose ir pan. Štai čia matote mūsų skyriaus išradimą. Kai mokslininkai jį sukūrė, aš buvau vaikas, o aparatas vis dar veikia.

Istorinis gliukozės kraujyje analizatorius „Eksan-G“. Asmeninio archyvo nuotr.

Jis matuoja gliukozę 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 išeina 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 kaip keli procentai. Pavyzdžiui, gliukozės juostelių gali būti daug didesnė paklaida – tai nėra gerai, jei pagal tai skiriamas insulinas, kai žmogui tuo momentu galbūt nereikia. Net pas mus dažnai užeina žmonės pasitikrinti – gauna rezultatus iš laboratorijos, pas mus tikrina, ar atitinka. Buvo ne vienas atvejis su klaida. Žinoma, 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, naudodami spektrofotometrinę celę, bet ne tiesiogiai kraujyje. Mes turime ir dviejų parametrų prietaisą, kuris papildomai ir kreatininą matuoja.

Yra procedūra, kuri vadinama peritonine dialize, 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 intensyviosios 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 lašelinėmis. Klausimas: kiek jų reikia?

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

Dviejų parametrų (karbamido ir nitrato) analizatorius. Asmeninio archyvo nuotr.

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. Prekyboje nebuvo jokio virusinio analizatoriaus, tam nebuvo rinkos poreikio. Buvo tik AT-PGR ir juosteliniai testai, bet to neužteko. Tad 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 įkeliame į terpę ant elektrodo, o elektroninė sistema iškart mato, ar „kimba“ ieškoma seka prie funkcionalizuoto paviršiaus, ar ne.

Dirbome su tuo, bet rinka jau persisotino koronaviruso testais. Patobulinome savo sistemą, t. y. pakeitėme metodo paskirtį. Yra tokie fermentai nukleazės. 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 nurodyta produkto sudėties apraše. Apsidrausdamas nuo gamybos proceso klaidų, gamintojas įdeda karbamido truputį daugiau, o tai kainuoja. 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 medicinos, ir su biotechnologijų, ir su chemijos pramone.

Sugrįžtant šiek tiek prie medicinos, tai yra ligų diagnostikos ir stebėjimo – kokius dar biojutiklius verta paminėti?

Biojutiklių siūlomas privalumas yra greita diagnostika vietoje. Viename iš Džeimso Bondo filmų „Casino Royale“ yra scena, kurioje agentas Bondas žaidžia pokerį ir jį apnuodija. Jis sugeba nusigauti į savo automobilį ir įsikiša į veną adatinį daviklį, kuriuo persiunčia duomenis į savo agentūrą, o ten specialistai analizuoja, kokius nuodus agentas išgėrė. Ten buvo biojutiklis! Tokį realybėje sukurti įmanoma, bet jis tik siaurai rinkai reikalingas ir būtų labai brangus. Bet filme žvalgybos agentūrai puikiai tiko.

Turint mintyje 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 ir bus vienas prietaisas, naudojamas ekstremaliomis sąlygomis. 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 geriausią reitingą turinčio mūsų laboratorijos straipsnio (cituojamumo indeksas – 33) istoriją. Dirbame ir tokioje srityje, kuri vadinama biokuro elementais. Biokuro elementas yra panašus į biojutiklius, jis implantuojamas į organizmą ir iš kraujyje esančių gliukozės ir deguonies gali generuoti elektros srovę mikroprietaisams. 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 taip, 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 ką nors 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 savo 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.

Dr. Marius Dagys. Asmeninio archyvo nuotr.

Jūsų indėlis į biotechnologijas 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 belaidį gliukozės jutiklį, veikiantį, pavyzdžiui, ant odos, kuris gali duomenis siųsti RFID principu per anteną į nuotolinį registratorių. Pavyko publikuoti 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 publikuoti straipsnį apie dar vieną išradimą, aprašantį anksčiau minėtą L-aminorūgščių 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.