Vis dažniau įsitikinama, kad matematiniai modeliai padeda geriau pažinti pasaulį. Iššifruoti sudėtingus gyvosios gamtos procesus, kartu taupant laiką ir lėšas. Kita vertus, taip įmanoma sukurti naujus objektus ar procesus, pasižyminčius unikaliomis savybėmis. Gimsta efektyvūs diagnostikos bei gydymo metodai, aplinkos stebėsenos sistemos. Lietuvos mokslininkai sėkmingai naudoja modeliavimą, kurdami naujos kartos, itin jautrius biojutiklius medicinai.
„Matematinis modeliavimas siaurąja prasme suprantamas kaip matematinių lygčių naudojimas, aprašant reiškinį ar sistemą. Šiandien jokia matematinio modeliavimo sistema nesprendžiama analitiškai, kaip seniau. Tam naudojamas kompiuteris“, – LRT Televizijos laidai „Mokslo ekspresas“ sakoinformatikas dr. Romas Baronas.
1845 metais buvo matematiškai numatytas Neptūno planetos egzistavimas, kurį astronomai vėliau aptiko teleskopais. Tačiau šiuo metu pasaulyje itin plinta matematinis biojutiklių ir kitokių elektrocheminių analitinių sistemų modeliavimas. Tiksli ir greita diagnostika ne tik pagerina diabetu ar kitomis ligomis sergančių žmonių gyvenimo kokybę, bet ir gali išgelbėti jų gyvybes. Štai kodėl modeliavimu siekiama paspartinti tokių sistemų kūrimą.
„Biochemikai, konstruodami biojutiklius, taikomus gliukozės cukraus kiekiui kraujyje nustatyti, dažniausiai atlieka daug fizinių eksperimentų, siekdami patikrinti konstrukcinius sprendimus. Tie eksperimentai trunka gan ilgai. Kita vertus, naudojamos gan brangios medžiagos. Todėl norima tyrimus paspartinti ir atpiginti. Dalį eksperimentų galima pakeisti kompiuteriniais eksperimentais“, – teigia R. Baronas.
Matematiniai modeliai biojutiklių savybėms pagerinti pradėti naudoti XX amžiaus aštuntame dešimtmetyje. Šiuo metu kompiuterinis modeliavimas taikomas biojutikliais grįstų analitinių sistemų tyrimui, eksperimentų planavimui. Kompiuteriniu modeliavimu parenkamos jutiklio parametrų vertės, pagerinant atpažinimo tikslumą ir gebą.
„Įdomu tai, kad prof. Juozas Kulys yra matematinio modeliavimo, siekiant pagerinti biojutiklių savybes, vienas iš pradininkų pasaulyje“, – teigia R. Baronas.
Pirmieji biojutikliai – kanarėlės
Šiuo metu VU Biochemijos instituto, Matematikos ir informatikos instituto, Matematikos ir informatikos fakulteto ir VGTU mokslininkai vykdo projektą „Kompiuterinių metodų, algoritmų ir įrankių efektyviam sudėtingos geometrijos biojutiklių modeliavimui ir optimizavimui sukūrimas“.
Tokį universalų kompiuterinį modelį būtų galima naudoti, modeliuojant sudėtingos geometrijos biojutiklius, kuriuose vyksta daugiapakopės fermentinės reakcijos. Tai padaryti sunku, nes jutiklių struktūra tampa vis sudėtingesnė.
„Kai sluoksnių nedaug ir jie homogeniški, galima modeliuoti labai paprastai. Bet jeigu nagrinėjame struktūras, kurios negali būti modeliuojamos plokščiai. Antai nanovamzdelių elektrodai, porėtos membranos, kur tenka naudoti dvimatę erdvę, kartais ir trimatę. Tuomet skaičiavimai tampa sudėtingi“, – sako R. Baronas.
Neretai jutiklį sudarantis fermentas reaguoja su keliomis medžiagomis. Tada pagrindinės matuojamosios medžiagos signale atsiranda triukšmas, kurį reikia pašalinti. Medžiagų mišiniams atpažinti mokslininkai taiko dirbtinius neuronų tinklus arba optimizavimo metodus.
„Būtina suteikti jutikliui tam tikrą dirbtinį intelektą. Taikant kompiuterinius eksperimentus, apmokyti tą intelektualų biojutiklį, kad po to pagal sukauptas žinias būtų galima apskaičiuoti matuojamų medžiagų koncentraciją“, – tikina R. Baronas.
Kompiuterinis modeliavimas – tarpdisciplininis dalykas, jungiantis matematikos, informatikos, informacinių technologijų ir dalykinės srities žinias. Jungiamoji grandis – informatika.
„Aš, kaip informatikos atstovas, buvau ta grandis, kuri sujungė matematikus, biochemikus“, – teigia R. Baronas.
Biojutikliai – bioelektroniniai prietaisai cheminiams junginiams aptikti. Jų pagrindas – keitiklis ir biologiškai aktyvi medžiaga, dažniausiai fermentas. Jie plačiai taikomi medicinoje, maisto ir farmacijos pramonėje, bioterorizmo prevencijai.
Anot R. Barono, pirmieji jutikliai yra žinomi gan seniai. Juos naudojo Amerikos angliakasiai, į kasyklas nešdavęsi kanarėles. Kai kanarėlė nugaišdavo, tai būdavo signalas, kad šachtoje susikaupė per daug metano.
Lietuvos mokslininkai jau prieš keliolika metų buvo sukūrę gliukozės kiekio kraujyje nustatymo aparatą. Jis buvo naudojamas visoje Sovietų Sąjungoje. Nors tokių diagnostikos sistemų rinka pasaulyje dabar skaičiuojama milijardais dolerių, nes auga sergančiųjų diabetu skaičius, asmeniniam naudojimui skirtos sistemos veikia nelabai tiksliai.
„Kolegos tiesiog vaistinėje nupirko sertifikuotų analizatorių, kurie skirti matuoti cukraus kiekį kraujyje ir palygino su laboratorinio prietaiso matavimais. Jų parodymai buvo tokie netikslūs, jog tai galėjo daryti tiesioginę įtaką žmogaus savijautai“, – sako R. Baronas.
Taip yra todėl, kad pagrindinis jutiklio komponentas – fermentas yra baltymo molekulė, kuri sparčiai sensta kambario temperatūroje.
„Jo papildomai neapsaugojus, per dieną jutiklio aktyvumas sumažėja du kartus. Tai vienas iš rūpesčių – padaryti kuo stabilesnį. Pagaminti juos tokius, kad kuo lėčiau sentų“, – teigia R. Baronas.
„Vienas paprasčiausių būdų – parinkti tokią matricą, ant kurios fermentai adsorbuojasi dėl įvairių elektrostatinių krūvių. Fermentas įgauna tretinę struktūrą ir tampa stabilesnis. Kadangi fermento aplinkoje yra įvairios funkcinės grupės, galima panaudojus cheminius reagentus jį tarsi tinklu pririšti prie pagrindo“, – sako biochemikė dr. Julija Razumienė.
Lietuvos mokslininkai pirmauja
Kurdami jutiklius, mokslininkai naudoja įvairias membranas, vadinamuosius mikroreaktorius ir jų grupes, anglies nanovamzdelius.
„Iš jų gaminame elektrodinius paviršius, ant jų imobilizuojame fermentus ir tiriame, kaip tie paviršiai įtakoja biojutiklio stabilumą, jautrumą ir t.t.“, – teigia J. Razumienė.
Naujas iššūkis Lietuvos biochemikams – sukurti patikimą jutiklį karbamido kiekiui matuoti. Tai medžiagų apykaitos produktas, kuris kaupiasi žmogaus kraujyje. Jeigu inkstai neišvalo kraujo, pacientai jungiami prie dirbtinio inksto – dializės aparato. Tiksli karbamido koncentracija svarbi pacientams, kuriems dėl inkstų nepakankamumo tenka nuolat atlikti dializę. Reguliuojant dializės dažnį bei trukmę, galima iš esmės pagerinti gydymą.
„Šiandien galime paimti kraujo tyrimą ir laboratorijoje per keletą valandų ištirti, ar kraujas pakankamai išvalytas. Bet per tą pora valandų ir taip dializės procesas bus pasibaigęs. Jeigu turėtume prietaisą, kuris tą atliktų greitai, tik tuomet būtų galima nutraukti tą procesą“, – aiškina J. Razumienė.
Įprastai pacientams tik kartą per mėnesį nustatoma karbamido koncentracija kraujyje, o dializuojami jie tris-keturis kartus per savaitę po kelias valandas. Kadangi šios medžiagos koncentracija priklauso nuo paciento mitybos, fizinės būsenos, svarbu stebėti koncentracijos pokyčius realiu laiku.
„Nusprendėme matuoti karbamidą ne kraujyje, bet ištekančiame skystyje. Todėl mums labai reikalingi matematikai, kad jie paskaičiuotų, ar galime vertinti kraujo išsivalymą pagal karbamido likutį dializate. Anksčiau biojutikliuose buvo naudojami brangieji metalai: platina, auksas. Mes išsikėlėme tikslą panaudoti anglines medžiagas“, – tvirtina J. Razumienė.
Be abejo, jos daug pigesnės. Taip pat siekiama nenaudoti jokių papildomų reagentų, kurie taip pat buvo įprasti ankstesniuose jutikliuose.
„Mes norime sukurti trečios kartos biojutiklį, kur tiesioginis kontaktas vyksta elektrodo paviršiaus, be jokių tarpinių medžiagų su aktyviu fermento centru. Taip mes atsikratome papildomų analizei reikalingų reagentų. Supaprastėja analizė, sumažėja kaina“, – teigia J. Razumienė.
Kompiuterinis modeliavimas naudojamos hipotezėms, sukurtoms remiantis nedideliu eksperimentų skaičiumi, tikrinti ir joms apibendrinti, apdorojant turimą informaciją apie jutiklio tinkamumą ir galimas jo modifikacijas.
Sistemos kūrėjai jau gavo leidimą atlikti biomedicininius tyrimus su pacientais. Šią vasarą jie ketina atlikti papildomus tyrimus, o 2016 metų viduryje – pagaminti biojutiklio prototipą.
Ieško paprastų ir nebrangių būdų
Kaip jau minėta, jutikliuose dažniausiai naudojamos biologinės medžiagos yra įvairūs fermentai. Tačiau pastaruoju metu mokslininkai šias molekules mėgina keisti gyvais organizmais – bakterijomis.
„Viena tokių medžiagų gali būti bakterijos. Jos reaguodamos į kai kurias chemines medžiagas, taip pat vėžines ląsteles, pradeda švytėti ir taip aptinkama ieškoma vieta. Bandoma modeliuoti procesus, kad būtų galima panaudoti tuos rezultatus, kuriant jutiklius, diagnozuojančius vėžines ląsteles“, – teigia R. Baronas.
Viena dažniausiai aptinkamų ir įvairiuose tyrimuose naudojamų yra Escherichia coli bakterija. Kai kurios jų rūšys gyvena žmogaus žarnyne. Daug atmainų gali ne tik tapti apsinuodijimo maistu priežastimi, bet ir sukelti grėsmę gyvybei. Viena svarbiausių medicininės diagnostikos problemų – greitas bakterijų atmainos atpažinimas. Matematinis modeliavimas naudojamas, siekiant suprasti bakterijų judėjimo prigimtį; išsiaiškinti jų tarpusavio sąveiką ir sąveiką su aplinka. Taip pat ieškoma būdų, kaip panaudoti bakterijas prietaisuose kitoms medžiagoms aptikti.
„Kad stebėjimas būtų paprastesnis, biochemikai bakterijas praturtina Lux genais. Jos pradeda švytėti ir tada galima stebėti, kaip jos juda. Tačiau iki šiol nėra pripažinto matematinio modelio, kuris aprašytų bakterijų judėjimą skystyje“, – teigia R. Baronas.
Tam tikromis sąlygomis E. coli suformuoja sankaupas, kurios juda, skaidosi, jungiasi. Struktūros formavimosi dėsningumus tiria dr. Remigijus Šimkus. Kita vertus, E. coli naudojamos antibiotikams, vėžinėms ląstelėms aptikti, terpės rūgštingumui nustatyti. Įgyvendinant Visuotinės dotacijos projektą, sukurti bakterijų populiacijos matematiniai ir kompiuteriniai modeliai, kuriuos taikant paaiškintas ir pagrįstas E. coli saviorganizavimosi mechanizmas.
„Pradžioje buvo modeliuojami plokšti jutikliai, tiriama jų elgsena vienmatėje erdvėje. Tačiau modeliuojant trimatėje erdvėje, atsižvelgiant į tris matavimus, modeliai tampa žymiai tikslesni. Tai vienas iš ateities klausimų. Tik dabar prasideda realus taikymas tokių modelių“, – tvirtina R. Baronas.
Sukurti optimizavimu ir skaitiniu intelektu grįsti biojutiklio atsako analizės metodai, užtikrinantys kokybišką sudedamųjų medžiagų koncentracijų atpažinimą mišiniuose. Biojutiklio parametrams optimizuoti taikomi modeliu grįsti daugiakriterinio optimizavimo metodai. Visa tai leidžia tikėtis spartesnės pažangos, kuriant itin jautrius ir specifiškus jutiklius medicinai.
„Iki šiol mes bandėme visą analizę sukoncentruoti į vieną galingą prietaisą, kuris nustatytų tūkstančius parametrų. Dabar to nebereikia. Mes linkstame prie to, kad turėtume jutiklius ir galėtume tai atlikti namuose, o po to nusiųsti informaciją telefonu savo gydytojui. Siekiame decentralizuoti analitinį prietaisą. Sukurti paprastus, nebrangius biojutiklius, kurie galėtų būti taikomi sveikatos apsaugai, aplinkos analizei“, – „Mokslo ekspresui“ sako J. Razumienė.
Rolandas Maskoliūnas, LRT Televizijos laida „Mokslo ekspresas“
