Powierzchnię półprzewodnika pokrywa sieć tysięcy zagłębień o rozmiarach mikrometrów. W każdym tkwi inna, misternie ułożona sekwencja aminokwasów, wabiąca przeciwciała krążące we krwi. Niewielkie ilości białek układu immunologicznego przepływają nad lasem polipeptydów, przyłączają się do tych pasujących. Zawartość dołków zaczyna się zmieniać. Następuje błyskawiczna analiza widm ramanowskich i równie błyskawiczna diagnoza lekarza, który na podstawie odpowiedzi układu immunologicznego określa przebyte i przyszłe choroby pacjenta.

Opisana tu metoda diagnostyczna jeszcze nie istnieje, podobnie jak polipeptydowa mikromacierz, która byłaby głównym elementem urządzenia pomiarowego. Ale za pięć lat z dużym prawdopodobieństwem i jedno, i drugie stanie się rzeczywistością. Unikatowy sensor przeciwciał, wykorzystujący wzmocnioną powierzchniowo spektroskopię ramanowską (Surface Enhanced Raman Spectroscopy, SERS), ma powstać w ramach – finansowanego z funduszy strukturalnych UE – projektu Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie – Rozwój i komercjalizacja nowej generacji urządzeń diagnostyki molekularnej opartych na nowych polskich przyrządach półprzewodnikowych. Jeśli wszystko potoczy się zgodnie z planem, będziemy mieli do czynienia z prawdziwą rewolucją, nie tylko w diagnostyce medycznej, analizie biomolekularnej, pomiarach zanieczyszczeń środowiska czy wykrywaniu skażeń bioterrorystycznych, ale także w sposobie realizacji polskich przedsięwzięć naukowych.

Liczy się pomysł

Większość metod diagnostycznych stosowanych obecnie w medycynie korzysta z mikromacierzy zbudowanych na bazie kwasów nukleinowych lub białek. Metody te mają charakter fluorescencyjny i wymagają wprowadzania do próbek barwników, mogących wpływać na oddziaływanie białek z przeciwciałami. Z uwagi na sposób pomiaru, analizowany materiał biologiczny musi mieć także stosunkowo dużą objętość. W tym kontekście zaproponowany przez Instytut Chemii Fizycznej (IChF) pomysł na użycie spektroskopii SERS do identyfikacji białek ma wiele zalet. Próbka może być bardzo mała, bo pierwotny sygnał, pochodzący od cząsteczek przeciwciał zaadsorbowanych na powierzchni, jest tu wzmacniany nawet od miliona do miliarda razy. Sam proces detekcji, polegający na identyfikacji widm ramanowskich, jest pewny i szybki. O potencjale pomysłu świadczy to, że zdobył uznanie specjalistów z biologii molekularnej i medycyny, a na jego realizację przyznano duży grant.

Z prostych założeń wynikają jednak skomplikowane zależności. SERS wymaga odpowiednio przygotowanej, gwarantującej wzmocnienie powierzchni, na której należałoby utworzyć macierz 100 na 100 dołków o mikrometrowych średnicach. Drukarka plujkowa nanosiłaby w każdy dołek kilkanaście−kilkadziesiąt aminokwasów w precyzyjnie ustalonej kolejności, aby utworzone polipeptydy reagowały tylko na wybrane, charakterystyczne przeciwciała w próbce. Detekcja rozpoczynałaby się od przemycia sensora roztworem z przeciwciał, które przyłączałyby się wyłącznie do określonych polipeptydów. Diagnozę można byłoby postawić po analizie widma ramanowskiego z poszczególnych dołków w sensorze oraz zbadaniu zależności statystycznych między odczytami otrzymanymi po przepłukaniu sensora różnymi przeciwciałami. Czułość metody gwarantuje jej zastosowanie również w biologii molekularnej, gdzie zazwyczaj operuje się mikrogramami substancji wyekstrahowanych z komórek. Dlatego gotowy analizator powinien być zintegrowany z urządzeniem mikroprzepływowym, potrafiącym operować niewielkimi ilościami płynów.

Nowe spojrzenie

Tak duża liczba zagadnień powoduje, że do realizacji grantu niezbędna jest kooperacja ludzi z różnych dziedzin nauki. Fizyk we współpracy z inżynierem materiałowym potrafi przygotować powierzchnię, ale to chemik umie wypełnić jej zagłębienia sekwencjami aminokwasów, a medyk wie, jak je dobrać, aby odpowiadały poszukiwanym przeciwciałom. Interdyscyplinarność staje się koniecznością. Przy budowie urządzeń do diagnostyki medycznej zostaną użyte m.in. powierzchnie tlenku cynku, opracowane w Instytucie Fizyki PAN lub powierzchnie azotku galu, wytwarzane przez Instytut Wysokich Ciśnień PAN i wykorzystywane wcześniej do produkcji półprzewodnikowych diod emitujących niebieskie światło laserowe. W zakresie nauk medycznych Instytut Chemii Fizycznej, na którym spoczywa główny ciężar wykonania sensora, nawiązał współpracę z prof. Jakubem Gołąbem z Zakładu Immunologii Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego. Zagadnienia związane z wirusologią i biologią molekularną są z kolei rozwiązywane z pomocą grupy prof. Grzegorza Węgrzyna z Katedry Biologii Molekularnej Uniwersytetu Gdańskiego.

W celu koordynacji i realizacji wspólnych programów badawczych, wdrożeniowych i rozwojowych, koniecznych do sfinalizowania kilkudziesięciu zadań szczegółowych, objętych grantem dotyczącym kwantowych nanostruktur, Instytut Fizyki PAN utworzył NANOBIOM, konsorcjum działające w formie sieci jednostek naukowych. W jego skład wchodzi siedem instytucji naukowych, w tym trzech głównych członków: Instytut Fizyki PAN, Instytut Chemii Fizycznej PAN i Instytut Wysokich Ciśnień PAN. Jednak zmiany w sposobie realizacji projektu wymuszają przemodelowanie organizacji pracy również wewnątrz poszczególnych podmiotów. – Porwaliśmy się na duże zadanie, ale jeśli chcemy stworzyć coś naprawdę istotnego, potrzebne są duże zespoły ludzkie, angażujące wiele instytucji naukowych, a w ramach danej instytucji obejmujące wiele grup badawczych – wyjaśnia prof. Robert Hołyst z Instytutu Chemii Fizycznej, podkreślając jednocześnie, że działania w kilkuosobowych grupkach, tak typowe dla polskich przedsięwzięć naukowych ostatnich dwudziestu lat, przestają wystarczać. W samym IChF w projekcie budowy nanostruktur kwantowych uczestniczy prawie 50 osób o różnych specjalnościach, co oznacza, że w realizację grantu zaangażowało się aż 30 proc. kadry naukowej.

Szeroki zakres działań wymaga odpowiednich środków finansowych. Całkowita wartość przewidzianego na 5 lat grantu dotyczącego nanostruktur kwantowych to ponad 73 mln złotych. Instytut Chemii Fizycznej – główny wykonawca sensora – otrzyma 20 mln, Instytut Fizyki PAN jako koordynator projektu – 26 mln, a Instytut Wysokich Ciśnień PAN, główny wykonawca – 19 mln. Pozostała kwota zostanie rozdysponowana między Instytut Biologii Doświadczalnej PAN, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej, Instytut Technologii Elektronowej i Interdyscyplinarne Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego Uniwersytetu Warszawskiego. 85 proc. pieniędzy pochodzi z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego, działającego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007−2013 (resztę finansuje budżet państwa). W ramach funduszy strukturalnych projekt potraktowano jako kluczowy, mający istotny wpływ na podniesienie poziomu technologicznego gospodarki.

Sztuka gospodarowania

Wartość grantu o dwa rzędy wielkości przewyższa fundusze typowe dla większości polskich projektów badawczych ostatnich lat. Tak dużymi pieniędzmi trzeba umieć operować. Grant nie zostałby przyznany, gdyby biorące w nim udział instytucje naukowe nie potrafiły uwiarygodnić swoich kwalifikacji naukowych i organizacyjnych przed Ministerstwem Nauki i Szkolnictwa Wyższego. W przypadku IF, IChF i IWC jedną z gwarancji właściwego wykorzystania funduszy było duże doświadczenie w realizacji projektów, w tym międzynarodowych i pochodzących z funduszy strukturalnych, oraz zakończony sukcesem wcześniejszy, wielomilionowy grant. – Mylą się ci, którzy uważają, że polska nauka może się rozwinąć robiąc – jak dotychczas – małe projekty za skromne pieniądze. Ale też nie można od razu przeskoczyć od kwot rzędu kilkuset tysięcy do kilkudziesięciu milionów złotych. Takimi pieniędzmi trzeba umieć operować – wyjaśnia prof. Hołyst.

Końcowym efektem grantu mają być dwa lub trzy działające sensory, zbudowane na powierzchni azotku galu lub tlenku cynku i zintegrowane z urządzeniem mikrofluidycznym. Realistyczne jest założenie, że będą one w stanie wykrywać tylko kilka typów chorób. Mimo ograniczeń charakterystycznych dla prototypów, opracowanie sensora będzie istotnym osiągnięciem, a nowa technika analityczna umożliwi powszechne i szybkie badanie niewielkich próbek białek. Tu ujawnia się kolejny, nowatorski aspekt projektu. Oprócz liczby publikacji, cytowań i prac doktorskich, na końcu procesu badawczego znajduje się gotowe urządzenie, które może znaleźć konkretne, chronione patentami zastosowania. Dbałość o ochronę własności intelektualnej staje się istotnym argumentem, ułatwiającym nawiązanie współpracy z przemysłem.

Realizacja grantu związanego z nanostrukturami kwantowymi jest przykładem rewolucyjnych zmian, jakie już dziś dokonują się w polskiej nauce. Dla instytucji zaangażowanych w projekt grant stanie się przepustką do kolejnych, jeszcze ambitniejszych projektów. – Trzeba mieć wielkie marzenia naukowe i konsekwentnie do nich dążyć, razem – mówi prof. Hołyst. – Na tym polega prawdziwa nauka.