Artykuł jest częścią cyklu rozmów Coopernicus z polskimi naukowcami z zagranicznym dorobkiem naukowym.
Doktor Katarzyna Świderek uzyskała tytuł magistra i doktora w dziedzinie chemii fizycznej na Politechnice Łódzkiej. Pracowała w laboratoriach w Polsce, Niemczech, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii, a jej badania koncentrują się na teoretycznych aspektach reaktywności w procesach komórkowych.
Jak rozpoczęła się Pani przygoda z nauką?
Moja przygoda z nauką rozpoczęła się relatywnie późno. Nigdy nie należałam do osób, które od początku swojej ścieżki edukacyjnej wiedziały czym chcą się zająć w przyszłości, i prawdę mówiąc zawsze zazdrościłam moim kolegom, którzy mieli jasno wytyczone cele zawodowe. Po ukończeniu XXXII LO w Łodzi, gdzie trafiłam na fantastycznych profesorów, których entuzjazm i zaangażowanie pokazały mi, że matematyka czy fizyka mogą być naprawdę fascynujące postanowiłam spróbować własnych sił na wydziale chemicznym Politechniki Łódzkiej, szczególnie, że w tym czasie wydział planował otworzyć specjalizację chemii sądowej, i to przyciągnęło moją uwagę. Niestety bardzo szybko, okazało się, że do tego nie dojdzie. W tym czasie już całkiem nieźle radziłam sobie z tematyką studiów, więc postanowiłam kontynuować swoją edukację, w sumie nie mając jasnego planu co dalej. Do przełomu doszło w momencie, kiedy na czwartym roku wybrałam specjalizację z chemii fizycznej i obliczeniowej, w sumie zainspirowana wykładami legendarnej na wydziale prof. Ewy Hawlickiej, i to był strzał w dziesiątkę. Okazało, się bowiem, że chemia obliczeniowa ma bardzo dużo wspólnego z prowadzeniem śledztwa. W chemii obliczeniowej stosując narzędzia teoretyczne próbujemy dowiedzieć się w jaki sposób, na poziomie molekularnym, zachodzą zjawiska fizyczne i chemiczne, które są niewidoczne dla badaczy w laboratorium, a wiemy, że mają miejsce, bo obserwujemy zachodzące zmiany w czasie. Modele komputerowe są świetnym narzędziem do tworzenia możliwych scenariuszy i ich egzekucji, i jak pokazuje wiele przykładów są niezastąpione w badaniach wielu zjawisk. Szybko okazało się, że to właśnie chemia obliczeniowa stała się dziedziną, która ostatecznie połączona z badaniem procesów biologicznych, biochemią, oraz zahaczającą o nauki farmaceutyczne, stała się moją pasją.
Jakie czynniki skłoniły Panią do podjęcia decyzji o wyjeździe za granicę? Jakie były największe wyzwania związane z tą decyzją?
W moim przypadku, wyjazd za granicę był naturalną konsekwencją ukończenia studiów doktoranckich i wynikał głównie z chęci kontynuacji ścieżki rozwoju i zdobywania nowych umiejętności na stażu podoktorskim, który z perspektywy czasu w mojej ocenie jest kluczowy dla wszystkich, którzy chcą kontynuować pracę badawczą. Na pewno dobrym katalizatorem okazał się również brak jakiejkolwiek możliwości kontynuacji pracy na macierzystej uczelni. Największe wyzwania jakie stały przede mną na początku związane z wyjazdem i kontynuacją pracy za granicą, to przede wszystkim logistyka. Na pierwszy staż podoktorski do Hiszpanii wyjechałam z 2-letnią córką, a na drugi do Anglii już z dwoma córkami. W obu przypadkach wymagało to organizacji nie tylko mojego, ale również rodzinnego rozkładu tygodnia, zorganizowanie szkół, czy po prostu adaptacji do życia w nowym miejscu. W przypadku Hiszpanii dodatkowym wyzwaniem stała się bariera językowa. Wyjeżdżając do Hiszpanii nie zdawałam sobie sprawy jak mało osób w tym kraju włada językiem angielskim, mimo, że jest to jeden z popularnych kierunków turystycznych. Ja sama w czasie wyjazdu w ogóle nie znałam hiszpańskiego. Na szczęście na uczelniach wyższych można było spotkać więcej osób posługującym się językiem angielskim, które były chętne do pomocy. Z czasem i ja nauczyłam się hiszpańskiego. Nadal jednak jednym z największych wyzwań jak na moje standardy jest skomplikowana hiszpańska biurokracja.
Jednym z ogromnych wyzwań, które stoi przed młodymi naukowcami jest problem z możliwością stabilizacji na uczelniach hiszpańskich. W moim przypadku, mimo że prowadzę badania już od 13 lat na hiszpańskich uczelniach, jestem zatrudniona nadal na etacie Posdoc’a, a kontrakty, które umożliwiły mi dotrwać do tego czasu, musiałam wygrywać sama w otwartych konkursach na poziomie krajowym. Dopiero otrzymanie kontraktu Ramon y Cajal ze względu na jego prestiż umożliwiło mi możliwość ubiegania się o stałą pozycję profesora nadzwyczajnego. Problem z etatami na uczelniach publicznych dotyka wielu zdolnych młodych hiszpańskich badaczy, którzy bardzo często decydują się na wyjazd i szukanie pracy na innych uczelniach zagranicznych.
Jakie korzyści przynosi Pani praca w międzynarodowym środowisku naukowym w porównaniu z pracą w Polsce?
Zmiana grupy badawczej czy na terenie Polski czy za granicą, wg mnie zawsze przynosi korzyści, pozwala na poszerzenie horyzontów, umożliwia spojrzeć na pewne zagadnienia z innej strony, ale również wzbogaca nas o doświadczenia, nie tylko te naukowe, nie wspominając o tym, że wystawia nas na nowe naukowe wyzwania, i rozszerza zakres naszych umiejętności. Podczas pobytów w innych laboratoriach, badacze doskonalą swoją wiedzę oraz techniczne aspekty swojej pracy. Tego doświadczyłam już w czasie studiów doktoranckich, kiedy oprócz pracy w mojej docelowej grupie badawczej kierowanej przez prof. Piotra Paneth, miałam okazję kilka miesięcy spędzić w eksperymentalnym laboratorium krystalograficznym Prof. Grzegorza Bujacza na innym wydziale mojej uczelni, czy podczas 3-miesięcznego stażu w Helmholtz Centre for Environmental Research-UFZ w Leipzig. W obydwóch przypadkach, doświadczenie wszystkich osób, które nadzorowały moje badania odegrało ważną rolę w ostatecznym kształcie mojego doktoratu. W czasie pobytów na zagranicznych uczelniach nauczyłam się bardzo wiele, nie tylko na temat nowych technik obliczeniowych, ale również o sposobach organizacji pracy i co chyba najcenniejsze miałam możliwość uczestniczenia w wielu fascynujących dyskusjach naukowych. Przebywanie w innych laboratoriach pozwoliło mi na obserwację mechanizmów, według których te grupy funkcjonują, co ma znaczące przełożenie na sposób zarządzania moją pracą jak i pracą studentów, którymi się obecnie opiekuje.
Czy utrzymuje Pani kontakt z polskimi środowiskami naukowymi?
Oczywiście! Naturalnie utrzymuje kontakt z promotorem mojego doktoratu – Prof. Piotrem Paneth. Do 2019 pracowaliśmy wspólnie w projekcie badawczym, który został zakończony obroną doktoratu, przez studentkę, która część swojej pracy wykonała na naszej uczelni w Hiszpanii. W 2019 doktorant z grupy prof. Macieja Szaleńca z Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera z Polskiej Akademii Nauk w Krakowie spędził z nami trzy miesiące, a wyniki jego badań, opracowane w naszym laboratorium, weszły w skład artykułu naukowego opublikowanego w 2021 w renomowanym amerykańskim czasopiśmie ACS Catalysis. Z wieloma badaczami z Polski spotykam się prywatnie czy podczas międzynarodowych konferencji naukowych, a niektórzy z nich również odwiedzają nas podczas corocznie organizowanej przez naszą grupę mini konferencji: Trendy w katalizie enzymatycznej (Trends in Enzyme Catalysis, TrEnCa, https://www.biocomp.uji.es/trenca.html).
Nad czym Pani obecnie pracuje i jaki jest główny przedmiot Pani badań naukowych?
Główną tematyką badań prowadzonych w naszej grupie jest kataliza enzymatyczna. Do tych badań wykorzystujemy metodę obliczeniową QM/MM, za rozwój której w 2013 profesorowie: Arieh Warhel, Michael Levitt i Martin Karplus otrzymali nagrodę Nobla. Obecnie zajmujemy się dwoma głównymi kierunkami. Pierwszy skupia się na procesie projektowania leków, w naszym przypadku inhibitorów, które byłyby w stanie spowolnić procesy katalizowane przez wybrane enzymy chorobotwórcze. W tym przypadku w oparciu o metody racjonalnego projektowania leków staramy się zrozumieć na poziomie molekularnym proces chemiczny zachodzący w centrum aktywnym badanego enzymu białkowego, by w kolejnym kroku wykorzystać tę wiedzę do zaproponowania geometrycznie i elektrostatycznie kompatybilnych z kształtem centrum aktywnego małych cząsteczek organicznych. Pełna procedura projektowania leków jest bardzo skomplikowanym i wieloetapowym procesem, a nasze podejście jest jej pierwszym etapem, który służy do zaproponowanie potencjalnych kandydatów. Zaproponowane na tym etapie związki, mogą następnie być zsyntetyzowane w laboratoriach organicznych i przekazane do dalszych badań, które mogą na przykład wykluczyć ich toksyczność, której nie da się przewidzieć na poziomie modelowania komputerowego. Druga tematyka obejmuje bardzo ogólne zagadnienie i próbę odpowiedzi na pytanie, które jest tematem dyskusji naukowców już od wielu dekad, a mianowicie jaka lub jakie właściwości fizyko-chemiczne odpowiadają za tak niesamowitą katalityczną moc enzymów. W naturze można znaleźć wiele reakcji chemicznych, które w obecności enzymu zachodzą w czasie mierzonym w sekundach, a bez niego nie zajdą w czasie krótszym niż milion lat. Identyfikacja źródła mocy enzymatycznej, a przede wszystkim, możliwość wpływania na jej zachowanie, może pozwolić naukowcom na projektowanie nowych enzymów, przede wszystkich przeznaczonych do katalizowania reakcji, które nie występują w naturze.
Jakie są najnowsze osiągnięcia w Pani dziedzinie badań, które szczególnie budzą Pani zainteresowanie?
Z mojego punktu widzenia na szczególną uwagę zasługują dwie techniki eksperymentalne. Pierwsza, która pozwala na syntezę białek o pożądanych cechach w drodze iteracyjnych rund dywersyfikacji genetycznej, czyli tzw. Directed Evolution. Za rozwój tej techniki profesor Frances Arnold w 2018 otrzymała nagrodę Nobla. Do drugiej należą nietrywialne metody, które umożliwiają wprowadzenie niekanonicznych aminokwasów do sekwencji białka. Wprowadzenie do sekwencji, która do tej pory była oparta o dowolną kombinację zaledwie 22 reszt aminokwasowych normalnie wchodzących w skład naturalnych białek, alternatywnych chemicznie grup funkcyjnych otwiera zupełnie nowe możliwości w procesach projektowania białek. W badaniach teoretycznych, przełomowym osiągnięciem wg mnie była implementacja i praktyczne zastosowanie sztucznej inteligencji (AlphaFold) do przewidywania nieznanych dotąd struktur białek.
Jakie jest Pani najważniejsze dokonanie naukowe lub odkrycie? Dlaczego jest ważne?
Mam nadzieję, że najważniejsze odkrycie jest jeszcze przed nami. Ta myśl jest siłą napędzającą moją pracę i mobilizującą do prowadzenia kolejnych badań. Na pewno za ważne dokonanie naukowe uważam nasz wkład w zrozumienie pochodzenia mocy katalitycznej enzymów. W czasie, kiedy zaczynaliśmy badania nad tym tematem, wśród naukowców istniało wiele teorii, którymi próbowano wytłumaczyć w jaki sposób enzymy przyspieszają reakcje chemiczne. Wśród nich znalazły się tzw. teoria efektu kompresji (compression effect) lub hipoteza czasoprzestrzenna (Spatiotemporal hypothesis), obie sugerujące, że czynnikiem potęgującym szybkość reakcji chemicznej jest fakt, że centrum aktywne, w którym wiążą się substraty zapewnia utrzymanie bliskiego kontaktu między dwoma grupami funkcyjnymi uczestniczącymi w przemianie chemicznej. Inna teoria o tzw. efekcie dynamicznym (dynamic effect) sugerowała, że bardzo szybkie ruchy struktury białka zachodzące w tej samej skali czasowej co reakcja chemiczna mają ułatwiać jej przebieg i w rezultacie obniżać barierę energetyczną. Co ciekawe, żadna z przedstawionych propozycji nie tłumaczyła zachowana badanych przez nas niespokrewnionych enzymów. Jedyna teoria, której poprawność udało się potwierdzić to reorganizacja elektrostatyczna, czyli wpływ specyficznego pola elektrycznego wywieranego przez makrocząsteczkę białka na centrum aktywne sprzyjający katalizowanej reakcji. W naszych badaniach znaleźliśmy liniową korelację między potencjałem elektrostatycznym generowanym przez białko w centrum aktywnym i barierą energetyczną reakcji chemicznej. Wiedza, że potencjał elektrostatyczny może być wykorzystany jako wielkość, która powinna być monitorowana w czasie projektowania nieznanych do tej pory enzymów o nowych funkcjach, jest bardzo ekscytująca, i jest tym nad czym obecnie pracujemy.
Na rozwiązanie jakich problemów naukowych w Pani dyscyplinie najbardziej Pani oczekuje i dlaczego?
Myślę, że mimo ogromnego postępu technologicznego w ostatnich latach, chemia obliczeniowa nadal wymaga wydajniejszych komputerów do prowadzenia symulacji tak dużych wielotomowych makrocząsteczek jakimi są białka. Aby móc zastosować precyzyjne poziomy teorii i być w stanie przewidywać zachowanie tych układów w odpowiedniej skali czasowej, potrzebujemy większych mocy obliczeniowych. W środowisku bardzo liczymy na możliwość zastosowania komputerów kwantowych. Niestety, nadal dostęp do takich maszyn jest ograniczony, a zastosowanie algorytmów zbyt złożone.
Jakie są największe wyzwania z jakimi mierzy się Pani w swojej pracy naukowej?
Na pewno ogromnym wyzwaniem jest czas, a raczej jego brak. W pracy na uniwersytecie sporą część czasu pochłania przygotowywanie i prowadzenie zajęć dydaktycznych. Ja dodatkowo, prowadzę treningi inicjacyjne dla nowych członków grupy, bo niestety studia licencjackie na wydziale chemii, na uczelni, na której pracuje, w bardzo małym stopniu przygotowują studentów do pracy w dość specyficznym obszarze chemii jakim jest chemia obliczeniowa. Poza tym, jak w przypadku każdego badacza, standardowym wyzwaniem jest zdobywanie funduszy na prowadzenie badań, ale może i ważniejszym od funduszy jest przyciągnięcie zdolnych i ambitnych studentów.
Jakie są najważniejsze pytania badawcze, którymi planuje Pani się zająć w najbliższej przyszłości? Jakie kierunki rozwoju widzi Pani w swojej dziedzinie?
Obecnie, jednym z głównych problemów, którymi zajęliśmy się w naszej grupie to poszukiwanie enzymów, które można byłoby zastosować po wcześniejszym przeprojektowaniu do degradacji tworzyw sztucznych. Jest to istotny problem biorąc pod uwagę, że każdego roku według danych ONZ, 19–23 milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych przedostaje się do ekosystemów wodnych, zanieczyszczając jeziora, rzeki i morza. Niestety, rozkład tych materiałów może trwać od 20 do 500 lat, w zależności od składu i struktury, dlatego bardzo ważnym jest znalezienie skutecznych metod ich degradacji. Wybór tego kierunku badań jest naturalną konsekwencją aktualnego problemu, który dotyka całą naszą planetę.
Czy istnieją konsekwencje praktyczne lub potencjalne zastosowania wyników Pani badań naukowych? Jak Pani widzi ich wpływ na społeczeństwo lub gospodarkę?
Jednym z naszych celów, jak już wspomniałam wcześniej jest możliwość wykorzystania narzędzi teoretycznych do projektowania enzymów o nowych pożądanych funkcjach. Gdyby udało się stworzyć teoretyczne procedury to umożliwiające, bylibyśmy w stanie zrewolucjonizować między innymi produkcję przemysłową. Wiele linii produkcyjnych do przeprowadzenia konkretnych procesów chemicznych wymaga bardzo trudnych warunków (wysokie temperatura czy ciśnienie) czy zastosowania toksycznych katalizatorów. Enzymy mają tę ogromna zaletę, że operują w łagodnych warunkach. A więc wykorzystanie enzymów w takich procesach zaoszczędziłoby wiele energii. Poza tym enzymy są zdecydowanie bardziej przyjazne dla otoczenia, a ich wykorzystanie na przykład do transformacji lub degradacji związków zanieczyszczających środowisko może przyczynić się do poprawy warunków życia zarówno ludzi jak i przybliżyć nas do regeneracji naturalnych ekosystemów.
Jakich rad udzieliłaby Pani młodym naukowcom u progu swoich karier naukowych?
Każdy młody naukowiec powinien przede wszystkim zadać sobie podstawowe pytanie czy nauka to jego pasja, ponieważ kariera naukowa to wymagające zajęcie, które zazwyczaj nie ogranicza się do 40 godzinnego tygodnia pracy. Bycie badaczem, w jakiejkolwiek dziedzinie, jest nierozerwalnie związane z serią sukcesów, ale niestety również i porażek. I to na te drugie musimy się przygotować. Niestety, zazwyczaj odnosimy wrażenie, że tylko sukcesy się liczą, bo tylko nimi chwalą się naukowcy. Z mojego doświadczenia, niepowodzenia, choć frustrujące i ciężkie niekiedy do zaakceptowania, wnoszą czasami więcej do naszych badań niż wszystkie wcześniejsze osiągnięcia. Najlepszą radą, którą mogłabym udzielić młodszym koleżankom i kolegom, to korzystanie z wiedzy i doświadczenia starszych kolegów. To może ułatwić rozwiązanie problemów badawczych, na które Ci starsi już kiedyś natrafili. Bądźcie kreatywni i odważni, i szukajcie nowych ścieżek, którymi inni do tej pory nie podążali. Korzystajcie z możliwości jakie stwarzają konferencje naukowe. Dzięki nim możecie śledzić najnowsze dokonania w danej dziedzinie nauki, inicjować oryginalne pomysły na kolejne badania oraz nawiązywać kontakty, które w przyszłości mogą zaowocować ciekawymi wspólnymi projektami.
Fot. Unsplash
