Uczelnia otwarta na innowacje

Związek nauki z biznesem jest korzystny zarówno dla uczelni czy instytutów badawczych, jak i dla nowoczesnych przedsiębiorstw, które odważnie stają do konkurowania o najbardziej innowacyjne inwestycje badawcze. Nie będzie przesadą stwierdzenie, że taka współpraca może pomóc w rozwiązaniu niektórych największych problemów społecznych, a dzięki temu nierzadko ma szansę podnieść poziom życia milionów ludzi na całym świecie. Poniżej przedstawiamy przełomowe odkrycia naukowe z różnych dziedzin nauki, będące udziałem sześciu zespołów badawczych z Uniwersytetu Gdańskiego. Nad każdym z tych odkryć opiekę roztoczyło uniwersyteckie Centrum Transferu Technologii, które nadzoruje transfer wiedzy ze środowiska akademickiego do otoczenia biznesowego i społecznego.

Inwestycje w nowoczesne laboratoria i kosztowną aparaturę badawczą nie są gwarancją sukcesu. Do jego osiągnięcia niezbędne są jeszcze kompetencje naukowe, specjalistyczna wiedza dotycząca komercjalizacji i marketingu naukowego oraz motywacja naukowców do podejmowania współpracy badawczo-rozwojowej z przemysłem. To m.in. tym zajmują się brokerzy innowacji zatrudnieni w Centrum Transferu Technologii UG, którzy współpracują z naukowcami chcącymi wejść do świata biznesu.

Aktualnie CTT współpracuje w ramach Inkubatora Innowacyjności z 10 zespołami projektowymi. Część z nich zaprezentowana została 10 marca br. na konferencji „Uczelnie otwarte na innowacje” będącej podsumowaniem programu Inkubator Innowacyjności 4.0. Program realizowany jest przez konsorcjum, w którego skład wchodzą: Centrum Transferu Technologii GUMed – lider projektu – oraz partnerzy: Centrum Transferu Technologii UG i Centrum Innowacji Medycznych – spółka celowa GUMed. Poniżej opisujemy sześć innowacyjnych odkryć, których dokonano na naszej uczelni, a które zaprezentowane zostały na wspomnianym wydarzeniu.

BEZPIECZNE SYMETRYCZNE KLUCZE KRYPTOGRAFICZNE I KLUCZE LOSOWE

---

Fizyka i informWatyka kwantowa w powszechnym rozumieniu to dość hermetyczne dziedziny nauki. Ta ostatnia jest najnowszym odłamem mechaniki kwantowej, stosuje się w niej teorię kwantową do rozwiązywania problemów w przetwarzaniu informacji. Informatyką kwantową zajmuje się dr hab. Marcin Pawłowski, prof. UG, kierownik Zespołu Kwantowego Cyberbezpieczeństwa w Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych na Uniwersytecie Gdańskim. Profesor specjalizuje się przede wszystkim w kryptografii, gałęzi wiedzy zajmującej się zabezpieczeniem informacji przed niepowołanym dostępem. Podczas konferencji „Uczelnie otwarte na innowacje” zaprezentował projekt o nazwie „System do generacji symetrycznego klucza kryptograficznego lub liczb losowych przy niskoefektywnych detektorach fotonów”, nad którym na UG pracują też mgr Giuseppe Viola i dr Anubhav Chaturvedi.

Profesor Pawłowski, jak sam mówi, zainteresował się systemami kryptograficznymi w dość nietypowy sposób, mianowicie dzięki rozwiązywaniu problemów i zagadek, które zawsze uwielbiał. Wspomina, że kiedy kończył studia magisterskie, kryptografia kwantowa zaczęła nabierać tempa. Nagle było dużo problemów do rozwiązania i nie pojawiały się one w fizyce wysokich energii, gdzie wszystkie proste kwestie są rozwiązane od dawna, a aby rozwiązać nową, należało pracować nad nią kilka lat. Profesor miał wtedy do czynienia z problemami przypominającymi zagadki. Niczym detektyw – świetnie się przy tym bawiąc – rozwiązywał je w ciągu trzech tygodni. Zrozumiał wtedy, że chce się tym zajmować na większą skalę. W momencie, kiedy rozpoczynał swoją karierę na początku 2000 roku, wiele osób nie wierzyło, że taka praca będzie do czegokolwiek przydatna. Profesor Pawłowski przyznaje jednak, że mniej interesowała go sama przydatność, a bardziej – możliwość rozwiązywania problemów matematycznych. W pewnym momencie swojej pracy, obserwując ludzi, którzy zajmują się doświadczeniami naukowymi i chcą przeprowadzić jakiś wyjątkowo trudny eksperyment ze złożonym modelem teoretycznym, zaczął się zastanawiać, jak im pomóc rozwiązać dany problem za pomocą prostego urządzenia. Tak rozpoczęło się jego zainteresowanie kwantową kryptografią. Zaczął pracować nad urządzeniem, które docelowo może obsługiwać każdy człowiek, a które pomoże w efektywny sposób zapewnić najwyższy poziom bezpieczeństwa przeciw cyberatakom.

– Matematyczna definicja bezpieczeństwa mówi, że najważniejszym poziomem bezpieczeństwa, który można wymarzyć, jest kryptografia niezależna od urządzeń – tłumaczy prof. Pawłowski. – W tej kryptografii chodzi o to, że bezpieczeństwo klucza ustalane jest wyłącznie na podstawie danych wejściowych i wyjściowych. Jeśli więc ktoś je zhakuje, uszkodzi to, póki te dane będą na to wskazywać, to klucz i tak będzie bezpieczny. Jednak te urządzenia są często drogie i tak skomplikowane, że w najlepszych eksperymentach klucz kryptograficzny jest wysyłany na kilkaset metrów. Wysłanie jednego bita klucza zajmuje ponad godzinę. Nasz pomysł jest taki, aby to urządzenie tak uprościć, że najbezpieczniejsza wersja kryptografii kwantowej będzie dostępna dla każdego. Mamy pomysł na technologiczne rozwiązanie, aby kryptografia kwantowa niezależna od urządzeń, w których będzie wykorzystywana, była równie prosta jak ta klasyczna. To oznacza możliwość wykorzystywania takiej technologii na poziomie nawet małych i średnich przedsiębiorstw, które muszą się komunikować na ogromne odległości. Mowa oczywiście o systemie do dystrybucji klucza kryptograficznego, który jest naszym najnowszym wynalazkiem – opowiada prof. Pawłowski.

By urządzenie to dobrze działało, potrzebuje liczb losowych. To jest dobry moment, aby wspomnieć, że zanim prof. Pawłowski zaczął zajmować się systemem do dystrybucji klucza, pracował nad kwantowym generatorem liczb losowych. Każdy SMS wysyłany z jednego telefonu komórkowego do drugiego jest zaszyfrowany klasycznie. Wiele agencji wywiadowczych wykorzystuje problemy w generacji liczb losowych do podsłuchiwania komunikacji. W tym miejscu warto dodać, że według ustaleń NATO każde urządzenie, które przetwarza, przechowuje lub przesyła ściśle tajne informacje, musi mieć właśnie specjalny generator liczb losowych, będący osobnym, niesamowicie dopracowanym urządzeniem. Zespół prof. Pawłowskiego taki generator stworzył. Urządzenie zostało objęte międzynarodowym zgłoszeniem patentowym i sprzedane chilijskiej firmie Lotería de Concepción, która jest odpowiednikiem polskiego Totalizatora Sportowego. Właścicielami są oczywiście Uniwersytet Gdański i chilijski Universidad de Concepción. Polska strona zajmowała się urządzeniem od strony teoretycznej, a chilijska, pod kierownictwem Gustavo Limy, od strony praktycznej. Lotería de Concepción zainwestowała w firmę SeQure SpA budującą prototyp i ostatecznie kupiła urządzenie do stosowania w grach losowych.

Nad systemem symetrycznego klucza pracuje spółka spin off Uniwersytetu Gdańskiego QCG, która powstała rok temu. Jej celem jest również świadczenie kompleksowych usług z dziedziny nowoczesnej kryptografii. – W ramach tej spółki skupiamy się również na infrastrukturze krytycznej – opowiada prof. Pawłowski. – Nasze urządzenie może zabezpieczyć elektrownie przed atakami hakerskimi. Rozmawiamy z firmami energetycznymi o zabezpieczaniu elektrowni. To zresztą się dzieje teraz, kiedy mamy wzmożoną liczbę ataków cybernetycznych z Rosji. Nie jest tajemnicą, że Putin z pewnością bardzo by się ucieszył, gdyby udało mu się wyłączyć prąd w całej Polsce. Dzięki nam zwykły człowiek zawsze będzie miał prąd. Na razie nie będzie miał takiego zabezpieczającegourządzenia w domu, ale naszedziałania będą zabezpieczały jego prąd, sieć komórkową, dostawy wody i gazu. To bezcenne bezpieczeństwo, które jesteśmy w stanie zapewnić wielu ludziom.

Profesor podkreśla też, że być może za kilka lat domowe routery, które zapewniają nam internet, będą połączone z jakimś centrum kryptografii kwantowej i cała nasza sieć domowa będzie zabezpieczona kwantowymi generatorami liczb losowych. To ponoć naprawdę niedaleka przyszłość. Pierwsze kwantowe generatory liczb losowych są zamontowane w telefonie Samsung Galaxy Quantum. Wciąż są one jednak bardzo proste i mało bezpieczne. To jednak zmieniać się będzie tak szybko, jak prędko rozwija się świat nowych technologii. System dystrybucji klucza opracowany przez zespół prof. Marcina Pawłowskiego jest zdecydowanie bardziej zaawansowanym i bezpieczniejszym rozwiązaniem. Warto w tym miejscu nadmienić, że w maju zeszłego roku prezydent Joe Biden ogłosił tzw. roadmapę przechodzenia amerykańskich agencji na kryptografię zabezpieczoną przed komputerami kwantowymi, czyli taką, jaką zajmuje się właśnie zespół prof. Pawłowskiego.

Obecnie prof. Pawłowski złożył dwa niezależne wnioski patentowe na dwie wersje takiego urządzenia. Razem z zespołem napisał artykuł naukowy będący wynikiem badań nad systemem dystrybucji klucza. Tekst wysłał do czasopisma „Nature Communications” i czeka na decyzjęo publikacji. Trwają również prace nad ulepszeniem urządzenia tak, aby wysyłać klucz kryptograficzny na jeszcze większą odległość z większą prędkością bez szumów i zakłóceń. Zbierane są fundusze na budowę prototypu.

– Działalność naukowa bardzo pomaga w biznesie – podkreśla prof. Pawłowski. – Prawda jest taka, że to tak zaawansowana dziedzina, że nikt, kto nie jest naukowcem, nie jest w stanie w niej pomóc. My – nieskromnie powiem – jesteśmy jednymi z najlepszych na świecie naukowców zajmujących się kryptografią kwantową. Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych UG coraz częściej wymieniane jest jako najlepszy tego typu ośrodek na świecie. Mamy siedemdziesięciu pracowników naukowych, doktorantów, doktorów, profesorów, którzy pracują nad wszystkimi aspektami informacji kwantowej. Gdańsk wiedzie prym w tym względzie. W latach dziewięćdziesiątych, kiedy na całym świecie zajmowało się tą dziedziną może trzydziestu naukowców, na Uniwersytecie Gdańskim znajdowało się kilka osób z tego zestawienia. To profesor Marek Żukowski, profesor Ryszard Horodecki, a później także synowie profesora Horodeckiego – Michał i Paweł. Na początku nie rozumiano tej dziedziny. Mówiono, że to zabawa fizyką. Tymczasem w 2022 roku Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki trafiła do Alaina Aspecta, Johna F. Clausera i Antona Zeilingera, którzy otrzymali ją między innymi za pionierską informatykę kwantową. Wspomniani przeze mnie gdańscy naukowcy również wnieśli wielki wkład w rozwój tej dziedziny i pozostali w Gdańsku, chociaż każdy światowy ośrodek przyjąłby ich z otwartymi ramionami. Ściągnęli tu znakomitych naukowców, którzy rozwijali tę dziedzinę nauki i sprawili, że w Gdańsku powstała jedna z największych grup teoretyków z zakresu informatyki kwantowej. Jestem doktorantem profesora Marka Żukowskiego, obecnie dyrektora Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych UG, jednej z nielicznych w Polsce międzynarodowych agend badawczych. Kieruję Zespołem Kwantowego Cyberbezpieczeństwa i nie przesadzę, jeśli powiem, że duża część najważniejszych wyników w informatyce kwantowej powstała właśnie na Uniwersytecie Gdańskim. Gdańsk wymieniany jest bowiem jako jedno z najdynamiczniej rozwijających się centrów informatyki kwantowej na świecie – opowiada prof. Pawłowski.

WALKA Z WIRUSEM KLESZCZOWEGO ZAPALENIA MÓZGU

---

Wirus kleszczowego zapalenia mózgu należy do rodziny flawiwirusów. Zaliczają się do niej jeszcze – równie szkodliwe dla ludzi – wirusy Zika, denga i zachodniego Nilu. Patogeny te przenoszone są na ludzi m.in. przez komary i kleszcze. Zespół dr hab. Eweliny Król, prof. UG, która kieruje Międzyuczelnianym Wydziałem Biotechnologii UG i GUMed, pracuje nad szczepionkami przeciwko wirusowi Zika i wirusowi kleszczowego zapalenia mózgu. Podczas konferencji „Uczelnie otwarte na innowacje” prof. Ewelina Król zaprezentowała dwa projekty: „Opracowanie wydajnej metody oczyszczania rekombinowanych cząstek wirusopodobnych wirusa kleszczowego zapalenia mózgu stanowiących potencjalny antygen szczepionkowy do zapobiegania zakażeniom wirusem kleszczowego zapalenia mózgu” i „Rekombinowane cząstki wirusopodobne wirusa kleszczowego zapalenia mózgu oraz ich zastosowanie jako antygen szczepionkowy do zapobiegania zakażeniom wirusem kleszczowego zapalenia mózgu”. Kierownikiem pierwszego projektu była prof. Ewelina Król, a drugiego – prof. dr hab. Bogusław Szewczyk. Przy obu pracował podobny zespół, w którego składzie znaleźli się wymienieni kierownicy oraz mgr Marta Zimna i dr Gabriela Brzuska.

Jak opowiada nam prof. Ewelina Król, pierwszym celem tych projektów jest skonstruowanie nowej i przede wszystkim bezpiecznej oraz taniej szczepionki opartej na cząstkach wirusopodobnych wirusa kleszczowego zapalenia mózgu. Szczepionki przeciw temu wirusowi są dostępne na naszym rynku. Problem jednak polega na tym, że wszystkie są drogie. Za trzy dawki trzeba zapłacić ponad 600 zł. Nie zapewnia to jednak ochrony na całe życie, konieczne jest przyjmowanie dawek przypominających. Tym samym odsetek ludzi, którzy postanawiają się szczepić, nie jest duży. Na dodatek wysoka cena tych szczepionek sprawia, że ludzie nie zdają sobie do końca sprawy ze szkodliwości zakażenia kleszczowym zapaleniem mózgu. W fazie neuroinfekcji może dojść do zapalenia ośrodkowego układu nerwowego, które może przebiegać jako zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych, zapalenie mózgu, zapalenie opon i mózgu, zapalenie mózgu i rdzenia kręgowego. U niektórych chorych mogą rozwinąć się powikłania utrudniające powrót do dawnego życia. Zespół, którego liderką jest prof. Król, chce wyprodukować szczepionkę, na którą dzięki niskiej cenie i skuteczności zdecyduje się więcej osób. W jej produkcji naukowcy nie korzystają z systemu komórek ssaczych ani owadzich, a ze znacznie tańszego systemu pierwotniaka Leishmania tarentolae. To pierwotniak, który nie infekuje ludzi. Dzięki niemu w łatwy sposób można wyprodukować dużą ilość cząstek wirusopodobnych, które posłużą jako antygen szczepionkowy. Cząstkę wirusopodobną możemy porównać do wydmuszki. To jakby cząstka wirusowa pozbawiona wnętrza, która zbudowana jest wyłącznie z powierzchniowych białek wirusowych, ale w środku nie ma wirusowego materiału genetycznego, co uniemożliwia przeprowadzenie cyklu życiowego wirusa. Kiedy taka cząsteczka wirusopodobna dostaje się do organizmu ludzkiego lub zwierzęcego, układ immunologiczny rozpoznaje ją jako wirusa. Zaczynają się wtedy wytwarzać komórki układu immunologicznego oraz przeciwciała, które rozpoznają cząsteczki wirusopodobne i próbują je zneutralizować. Szczepienie polega więc na tym, że dostarcza się organizmowi bezpieczny bodziec, który zmusza organizm do produkcji przeciwciał służących do walki z infekcją. Organizm powinien w bezpiecznych warunkach nauczyć się rozpoznawać dane patogeny i walczyć z nimi. Tym samym, jeśli w przyszłości zdarzy się zakażenie, organizm ma gotowy arsenał do walki z wirusem. W dostępnej na rynku szczepionce przeciw kleszczowemu zapaleniu mózgu wykorzystywane są wirusy inaktywowane, czyli takie, które wystawiono na działanie zabójczych dla nich czynników (np. temperatury czy związków chemicznych). Warto podkreślić, że wirus jest produkowany i namnażany w hodowli komórek ssaczych. Takiego wirusa później się oczyszcza i właśnie inaktywuje, aby nie był zjadliwy, czyli aby po dostaniu się do naszego organizmu nie wywołał efektu chorobowego a efekt ochronny. – Wirus kleszczowego zapalenia mózgu to patogen klasy trzeciej, co oznacza, że można z nim pracować wyłącznie w wysoko zabezpieczonym laboratorium hodowli wirusowych o wysokim poziomie bezpieczeństwa biologicznego BSL3 – opowiada prof. Ewelina Król. – W takim laboratorium w specjalnej odzieży ochronnej pracuje przeszkolony zespół naukowców o specjalistycznej wiedzy. Do tej pory w Polsce znajdowało się kilka miejsc z takimi laboratoriami. Posiadają je Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego w Warszawie, Małopolskie Centrum Biotechnologii w Krakowie oraz dwa ośrodki w Puławach: Ośrodek Diagnostyki i Zwalczania Zagrożeń Biologicznych Wojskowego Instytutu Higieny i Epidemiologii oraz Państwowy Instytut Weterynaryjny. Od niedawna, dzięki staraniom profesor Krystyny Bieńkowskiej-Szewczyk, która uzyskała dofinansowanie z Ministerstwa Edukacji i Nauki, mamy je na Międzyuczelnianym Wydziale Biotechnologii UG i GUMed. Zmodernizowaliśmy istniejące laboratorium BSL2+ i przerobiliśmy je na laboratorium o jednym z najwyższych poziomów bezpieczeństwa BSL3+. To jedyne takie laboratorium w Polsce północne i najnowocześniejsze laboratorium w kraju, które będzie umożliwiało pracę z różnymi wirusami, w tym z patogenami przenoszonymi drogą powietrzną. Niedługo właśnie tam będą kontynuowane prace nad wirusem kleszczowego zapalenia mózgu. Produkcja wirusa, którego potem trzeba inaktywować i oczyścić, jest procesem drogim i czasochłonnym. Niewątpliwie jednak potrzebnym. Postępujące ocieplenie klimatu sprawiło, że choroby przenoszone przez kleszcze i komary łatwiej rozprzestrzeniają się na nowe tereny, a w przypadku kleszczy nie mówimy już o ich sezonowości, ponieważ są one aktywne niemal przez cały rok. Zakażeń wirusem kleszczowego zapalenia mózgu będzie więc coraz więcej – mówi.

Dlatego obecnie badania skupiają się nad opracowaniem potencjalnego antygenu szczepionkowego z wykorzystaniem pierwotniakowego systemu ekspresyjnego. Sposób produkcji i oczyszczania cząstek w tym systemie jest dużo tańszy i łatwiejszy. Pożywka do hodowli komórek jest tu uboższa niż w systemie ssaczym.

Nie ma w niej zbyt wielu innych składników i łatwiej oddzielić pożądane cząstki. Niestety, aby uzyskać takie rekombinowane cząsteczki wirusopodobne, przeprowadzić ich dogłębną analizę oraz sprawdzić ich potencjał immunogenny na modelu zwierzęcym, potrzeba kilku lat żmudnych eksperymentów.

Drugim celem, który przyświeca omawianym badaniom, jest chęć opracowania taniej szczepionki weterynaryjnej. Obecnie nie ma takiej szczepionki na rynku, a zastosowanie szczepionki opartej na całym wirusie ma jedną wadę – nie da się rozróżnić, które zwierzęta były szczepione, a które przeszły infekcje. Dlaczego powinno się szczepić zwierzęta takie jak owce, kozy, krowy? Ponieważ człowiek może się zarazić po spożyciu niepasteryzowanego mleka od takich zainfekowanych zwierząt.

Gdy mamy do czynienia ze szczepionką rekombinowaną opartą na jednym lub dwóch białkach wirusowych, możemy za pomocą testu badającego poziom przeciwciał sprawdzić, czy zwierzę było zaszczepione, czy zainfekowane. Jeśli zwierzę będzie miało przeciwciała skierowane przeciwko innemu białku niż to, które było użyte w szczepionce, oznacza to, że przeszło infekcję albo jest w jej trakcie.

– Pierwszy projekt, który omawiałam, dotyczył zoptymalizowania metody oczyszczania cząstek wirusopodobnych z komórek pierwotniakowych – tłumaczy prof. Ewelina Król. – Na samym początku, gdy zaczęliśmy pracować z tymi cząstkami, używaliśmy metody ultrawirowania, dzięki której w ultrawirówce na dużych obrotach możliwy jest rozdział
cząstek w roztworze i – tym samym – oczyszczanie wspomnianych cząstek wirusopodobnych. Jednak metoda ta zupełnie nie nadaje się do komercyjnego zastosowania. Raczej żadna firma nie byłaby nią zainteresowana. My w laboratorium możemy oczyścić cząstki z dziesięciu mililitrów badanego materiału, a potencjalnych inwestorów interesuje raczej oczyszczanie z hektolitrów hodowli. Tym samym w ramach pierwszego projektu, który był omawiany na konferencji, szukaliśmy metody oczyszczania cząstek wirusopodobnych na skalę przemysłową. Przy zastosowaniu różnych chromatografii udało nam się tego dokonać. Drugi projekt, który przedstawiałam, jest zbliżony tematycznie i dotyczył opracowania najskuteczniejszej metody formulacji tej potencjalnej szczepionki. Jeśli mówimy o szczepionce, mamy na myśli zarówno antygen, który produkujemy, jak i wszystko to, co jest dodatkiem do tego antygenu, a co ma pobudzić układ immunologiczny. Mowa o adiuwancie. Znajduje się on niemal w każdej szczepionce. W ramach tego drugiego projektu – już po zastosowaniu naszej metody oczyszczania – przetestowaliśmy różne adiuwanty, aby porównać odpowiedź immunologiczną w badaniach in vivo. Ponadto w ramach tego drugiego projektu badaliśmy także różny sposób podania tego antygenu. Każdy z adiuwantów działa inaczej w wyniku różnej drogi podania, która może być domięśniowa lub podskórna. Przeprowadzone badania z całą pewnością zwiększą potencjał preparatu do dalszego zastosowania w klinice.

ZDROWY MATERIAŁ SADZENIAKOWY – BULWY ZIEMNIAKA BEZ BAKTERII PEKTYNOLITYCZNYCH POWODUJĄCYCH MOKRĄ ZGNILIZNĘ

---

Jak skutecznie zapobiegać stratom plonów roślin uprawnych, zwłaszcza ziemniaków? Bardzo istotne jest ograniczenie strat powodowanych przez bakterie powodujące choroby roślin. Tak w Polsce, jak i w całej Unii Europejskiej materiał siewny podlega kontroli sanitarnej, mającej na celu ograniczenie eksportu i importu materiału roślinnego zasiedlonego przez wirusy czy bakterie. W Polsce w przypadku badania materiału siewnego pod kątem patogenów kwarantannowych, czyli podlegających przymusowemu zwalczaniu, hodowcy ziemniaka współpracują z laboratoriami Państwowej Inspekcji Ochrony Roślin i Nasiennictwa (PIORiN) oraz laboratoriami specjalistycznymi, takimi jak Laboratorium Badawczo-Wdrożeniowe MWB UG i GUMed (LB-W MWB), kierowane przez prof. dr hab. Ewę Łojkowską, które wdrożyło System Zarządzania Jakością wg normy ISO 17025 oraz uzyskało w roku 2021 akredytację (AB1760) na prowadzone badania od Polskiego Centrum Akredytacji. Uzyskana akredytacja, czyli poświadczenie kompetencji oraz wysokiej rzetelności badawczej, jest efektem starań całego zespołu badaczy i badaczek z Zakładu Ochrony i Biotechnologii Roślin oraz Laboratorium Badawczo-Wdrożeniowego. Są to: dr Wojciech Śledź (kierownik ds. technicznych), dr Natalia Kaczyńska (kierownik ds. jakości), dr Agata Motyka-Pomagruk (zastępca kierownika ds. jakości) i mgr Weronika Babińska-Wensierska. Wymienieni badacze od wielu lat prowadzą prace badawczo-rozwojowe i usługowe z zakresu diagnostyki molekularnej bakteryjnych patogenów roślin. Badania były wykonywane na zlecenie polskich firm hodowlanych oraz PIORiN. Warto podkreślić, że LB-W MW to pierwsze i jak dotąd jedyne w UG laboratorium posiadające nie tylko akredytowany System Zarządzania Jakością, ale również certyfikat Systemu Zarządzania Środowiskowego wg ISO 14001.

Pracownicy tej jednostki współpracują z wiodącymi ośrodkami naukowymi w kraju i za granicą. W 2020 roku zespół pracowników uzyskał trzy decyzje o przyznaniu patentów na wynalazki opracowane w LB-W MWB.

Podczas konferencji „Uczelnie otwarte na innowacje” zespół zaprezentował dwa nowe projekty. Pierwszy, zaprezentowany przez dr Natalię Kaczyńską, to „Wykrywanie obecności bakterii pektynolitycznych z gatunku Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum, Pectobacterium atrosepticum oraz rodzaju Dickeya spp. w materiale roślinnym metodą multiplex PCR – integracja z systemem ISO 14001:2015”. Kierownikiem tego projektu jest prof. dr hab. Ewa Łojkowska. Drugi projekt, zaprezentowany przez dr. Wojciecha Śledzia, to „Sposób przygotowania materiału roślinnego oraz sposób wykrywania i identyfikacji bakterii z gatunku Pectobacterium carotovorum subsp. carotovorum, Pectobacterium atrosepticum oraz bakterii z rodzaju Dickeya spp.: Rozszerzenie zakresu akredytacji laboratorium badawczo-wdrożeniowego MWB UG o analizy mikrobiologiczne wody zgodne z ISO 6222:2004, 7899 – 2:2000 oraz 9308 – 1:2014”. Oba projekty są ze sobą powiązane i chociaż oba mają długie i skomplikowane nazwy, dotyczą procedur i rozwiązań technicznych, które pozwalają na wykrywanie patogenów bakteryjnych w materiale siewnym, a tym samym – ograniczanie rozprzestrzeniania się chorób roślin, co w efekcie ma niebagatelny wpływ na funkcjonowanie tak producentów żywności, jak i całego społeczeństwa.

Pierwszy projekt dotyczył potwierdzenia proekologicznych działań LB-W MWB poprzez wdrożenie Systemu Zarządzania Środowiskowego zgodnego z ISO 14001 oraz poświadczenia skuteczności działań z tego obszaru poprzez uzyskanie certyfikacji dla tego systemu. Na mocy tego wdrożenia laboratorium uzyskało poświadczenie posiadanych kompetencji i tym samym wpisało się w program Zielony Uniwersytet na UG. Warto wspomnieć, że producenci z sektora przemysłu rolno-spożywczego często poszukują do współpracy partnerów, którzy posiadają certyfikaty z tego zakresu.

Metoda multipleks PCR do wykrywania bakterii pektynolitycznych w materiale roślinnym została opracowana i opatentowana (Pat. 223540) przez zespół prof. Ewy Łojkowskiej, a dzięki jej wdrożeniu w LB-W MWB jest dostępna dla hodowców, eksporterów i importerów ziemniaka w formie usługi wykonywanej na zlecenie. Wykrywanie patogenów jest oparte na biologii molekularnej, gdyż w trakcie prowadzonej procedury (reakcji łańcuchowej polimerazy – PCR) powielaniu ulegają charakterystyczne dla danego drobnoustroju fragmenty materiału genetycznego (DNA). Z uwagi na wykonywanie analizy typu multipleks pracownicy laboratorium mogą jednocześnie wykryć do trzech gatunków patogenów bakteryjnych w jednej analizie.

W ramach drugiego projektu realizowanego z funduszy Inkubatora Innowacyjności zespół LB-W MWB rozszerzył zakres wdrożonych w laboratorium metod o trzy procedury przeznaczone do testowania czystości mikrobiologicznej wody. Wspomniane procedury badawcze zostały opracowane na podstawie normy ISO, tak by zapewnić jak najwyższą jakość uzyskiwanych wyników.

Na rynku producentów żywności widać dużą potrzebę prowadzenia badań takich jak oferowane przez zespół LB-W MWB. Najlepszym przykładem są producenci ziemniaka, z którymi od lat współpracuje laboratorium. – Badamy bulwy ziemniaka, sadzeniaka pod kątem obecności bakterii pektynolitycznych przed ich eksportem lub sadzeniem w polu – mówi dr Wojciech Śledź. – W przypadku materiału wolnego od patogenu oprócz wyniku załączamy pismo poświadczające wykonanie badania i wykluczenie pod kątem występowania bakterii z rodzaju Dickeya. Dzięki otrzymanemu certyfikatowi producenci są pewni, że sprzedawany przez nich materiał jest wolny od tych patogenów. Tak jak wspomniałem, wydajemy certyfikaty od kilku lat i jak dotąd nie zdarzyło się, aby certyfikowany przez LB-W MWB materiał był źródłem infekcji.

Bakterie pektynolityczne z rodziny Pectobacteriaceae, należące do rodzajów Dickeya i Pectobacterium, powodują choroby nazywane czarną nóżką i mokrą zgnilizną. Obie są przyczyną gnicia roślin, także ich części jadalnych. – Czarna nóżka występuje na roślinach w trakcie wegetacji – mówi dr Natalia Kaczyńska. – Choroba ta występuje we wszystkich rejonach uprawy ziemniaka w Polsce. Jest wywołana przez bakterie należące do rodzaju Pectobacterium, głównie wspomniane w tematach projektów Pectobacterium atrosepticum i Pectobacterium carotovorum, a także bakterie gatunku Dickeya solani. Objawy wywołane przez pierwszą grupę bakterii występują najczęściej w średniej temperaturze powietrza, a objawy wywołane przez drugą grupę – powyżej dwudziestu siedmiu stopni Celsjusza. Objawy chorobowe nasilają się wtedy, kiedy mamy do czynienia z dużą ilością opadów. Bakterie pektynolityczne są przyczyną poważnych strat ekonomicznych w światowym rolnictwie. Głównym źródłem takich infekcji są najczęściej zakażone sadzeniaki ziemniaka.

– Nasza działalność badawcza dotyczy głównie roślin i wykrywania bakteryjnych patogenów roślin, ale mamy też inne zlecenia – podkreśla dr Śledź. – Zdarza nam się wykrywać bakterie z gatunku Escherichia coli czy Staphylococcus aureus (gronkowiec złocisty). Rolnictwo to przecież i zwierzęta. W efekcie zajmujemy się też bakteriami, które powodują zmiany skórne u bydła albo koni. Tak naprawdę możemy identyfikować różnego rodzaju bakterie, wywołujące choroby roślin i zwierząt, dla których są opracowane specyficzne markery – startery do reakcji PCR. Zakres naszych badań jest szeroki.

Dzięki wdrożeniu metody multipleks PCR, pozyskaniu certyfikacji dla Systemu Zarządzania Środowiskowego oraz rozszerzeniu oferty diagnostycznej o analizy mikrobiologiczne wody zespół LB-W MWB oferuje unikatowe portfolio badań, dostosowane do potrzeb rynkowych.

– Ważnym aspektem w rozwoju naszego laboratorium jest fakt, że UG zależy na zwiększeniu oddziaływania na otoczenie społeczno-gospodarcze – tłumaczy dr Motyka-Pomagruk. – Wdrażanie kolejnych metod to jednocześnie rozszerzenie oferty LB-W MWB, którą staramy się dopasować do aktualnych potrzeb rynkowych. Naszym celem jest zdobycie pozycji ośrodka referencyjno-badawczego dla firm komercyjnych; można to osiągnąć poprzez uzyskanie statusu organizatora badań biegłości. Oprócz wdrażania do naszej oferty procedur opartych na normach ISO skutecznie implementujemy rozwiązania oryginalne, opracowane i opatentowane przez nasz zespół, jak choćby metodę multipleks PCR do wykrywania infekcji bezobjawowych (latentnych) w materiale roślinnym różnego rodzaju.

INNOWACYJNE MATERIAŁY FUNKCJONALNE DO SEPARACJI CO2

---

Od kilkudziesięciu lat nieprzerwanie wzrasta emisja ditlenku węgla, będącego gazem cieplarnianym. Generowany jest on zarówno przez zakłady przemysłowe, jak i w procesach wytwarzania energii, w tym podczas spalania paliw w silnikach pojazdów. Konsekwencją wzrostu stężenia ditlenku węgla w atmosferze jest wzrost średniej temperatury naszej planety, co niesie ze sobą ogrom negatywnych konsekwencji, począwszy od zmian klimatycznych, których wciąż doświadczamy. Warto zaznaczyć, że zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery jest jednym z celów Unii Europejskiej. To właśnie w odpowiedzi na to wyzwanie zespół naukowców pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Adriany Zaleskiej-Medynskiej pracuje nad rozwiązaniem umożliwiającym separację ditlenku węgla ze strumieni gazu. Podczas konferencji „Uczelnie otwarte na innowacje” dr inż. Paweł Mazierski zaprezentował projekt zatytułowany „Innowacyjne materiały funkcjonalne do separacji CO2”, którego kierownikiem jest prof. Zaleska- -Medynska. Do jej zespołu poza dr. inż. Pawłem Mazierskim należą jeszcze mgr inż. Daniel Górzyński oraz mgr Mateusz A. Baluk. Zespół chce opracować nowe, relatywnie tanie materiały, które umożliwią ograniczenie emisji CO2 do atmosfery. To kolejny wynalazek mający służyć społeczeństwu. – Badania dotyczą otrzymywania materiałów hybrydowych, które składają się z porowatych polimerów koordynacyjnych – z angielskiego metal-organic frameworks – impregnowanych cieczami jonowymi – tłumaczy dr Mazierski. – Nowatorski charakter rozwiązania opiera się na opracowaniu metody produkcji tych materiałów w postaci granulatu w ułamkowo-technicznej skali. Taka forma materiału jest łatwa do zastosowania w przemyśle, na przykład jako złoża kolumn sorpcyjnych służących do oczyszczania spalin czy biogazu. Aby uzyskać taki materiał o wysokiej pojemności sorpcyjnej, należy odpowiednio dobrać stosunek wagowy między cieczami jonowymi a szkieletami metaloorganicznymi. Ponadto należy dopasować odpowiednie środki wiążące, stosowane w procesie granulacji. Ważne jest, aby dobrać odpowiedni rodzaj cieczy i zastosować jej konkretną ilość oraz sposób osadzenia na powierzchni materiałów porowatych. Otrzymanie hybrydowych materiałów w postaci granulatu wymaga przejścia od syntezy materiału w skali laboratoryjnej, która ma wydajność od kilku miligramów do grama, do produkcji w skali ułamkowo-technicznej, której wydajność wynosi kilkanaście gramów. Wymaga to doboru odpowiednich urządzeń oraz optymalizacji warunków prowadzenia procesu w celu obniżenia kosztów produkcji.

Największym wyzwaniem było opracowanie metody połączenia dwóch typów substancji, tj. porowatych polimerów koordynacyjnych oraz cieczy jonowych, w jeden materiał kompozytowy, tak aby jego zdolność do pochłaniania CO2 była wyższa niż zdolność pojedynczych składowych.

– Jesteśmy na etapie końcowego testowania i optymalizacji uzyskanego produktu, a nasz materiał jest otrzymany w postaci wspomnianego granulatu z wcześniej założonymi parametrami sorpcyjnymi – mówi dr Mazierski. – Ostatnim etapem będzie przygotowanie zgłoszenia patentowego dla naszego rozwiązania. Należy jednak podkreślić, że do wdrożenia uzyskanych wyników jest jeszcze długa droga. Po znalezieniu partnera przemysłowego planujemy dalsze podnoszenie gotowości technologicznej naszego rozwiązania, między innymi poprzez zwiększenie skali procesu otrzymywania granulatu lub peletu, budowę instalacji pilotażowej oraz przeprowadzenie badań separacji ditlenku węgla w warunkach rzeczywistych. Doktor Mazierski podkreśla, że realizacja tych działań oraz uzyskanie dalszego znaczącego finansowania wymagać będzie kilku następnych lat pracy.

ROŚLINY Z GATUNKU DROSERA GIGANTEA W PRZEMYŚLE FARMACEUTYCZNYM I KOSMETYCZNYM

---

Rośliny zawsze stanowiły dla człowieka źródło wielu cennych substancji. Coraz bardziej rozwinięte metody współczesnej biotechnologii połączone z technikam inżynierii genetycznej potrafią zdziałać cuda. Zwiększa się wydajność i zakres pozyskiwanych z roślin związków biologicznie czynnych oraz liczba wykorzystywanych gatunków roślin. Wiele z tych związków reprezentuje grupę metabolitów wtórnych pomocnych w farmakologii do praktycznego zastosowania w terapii schorzeń o podłożu nowotworowym, wirusowym i innym. Między innymi o tym opowiadała podczas konferencji dr hab. inż. Aleksandra Królicka, prof. UG. Temat jej prezentacji brzmiał: „Optymalizacja powiększania skali wytwarzania metabolitów wtórnych o aktywnościach przeciwdrobnoustrojowych w bioreaktorach zalewowych Plantform przez rośliny z gatunku Drosera gigantea do zastosowania w przemyśle farmaceutycznym i kosmetycznym”. Zespół badawczy, w skład którego wchodzą: dr Marta Krychowiak-Maśnicka, dr inż. Agata Woźniak-Pawlikowska oraz mgr Michał Rzeszotarski, prowadzi badaniaobejmujące tematykę z zakresu wytwarzania związków biologicznie czynnych w roślinnych kulturach in vitro oraz poszukiwania prof. UG, koncentrują się m.in. na poszukiwaniu synergii pomiędzy związkami biologicznie czynnymi pochodzenia roślinnego z nanocząstkami metali i antybiotykami w zwalczaniu interakcji bakteryjnych. Badania mają pomóc w znalezieniu nowych substancji biologicznie czynnych, które z kolei mogą pomóc w przełamaniu antybiotykooporności groźnych dla człowieka bakterii chorobotwórczych. Jest to niezwykle istotne, biorąc pod uwagę fakt, że od 1984 roku nie zarejestrowano żadnej nowej klasy antybiotyków, a raport Europejskiego Centrum Kontroli Chorób w Unii Europejskiej WHO wskazuje, że antybiotykooporne mikroorganizmy zabijają każdego roku ok. 33 tys. Europejczyków. Szacuje się, że do 2050 roku liczba zgonów na całym świecie spowodowanych zakażeniami bakteryjnymi wzrośnie do 10 mln. W Polsce średnia wartość mediany zgonów tym spowodowanych wynosi 2300 osób rocznie*.

Projekt realizowany w Zakładzie Badania Związków Biologicznie Czynnych na Międzyuczelnianym Wydziale Biotechnologii UG i GUMed pod kierownictwem dr hab. inż. Aleksandry Królickiej, prof. UG, ma ogromne znaczenie na rynku krajowym i międzynarodowym. Ze względu na fakt, że w ciągu ostatnich 30 lat zatwierdzono zaledwie dwie klasy nowych leków w zwalczaniu bakterii Gram-dodatnich (oksazolidon i lipopeptydy), a w przypadku bakterii Gram-ujemnych zatwierdzony został jedynie lek kombinowany: Zerbaxa (inhibitor β-laktamazowy złożony z dwóch znanych antybiotyków: ceftalozonu i tazo baktamu), poszukiwanie nowych rozwiązań terapeutycznych jest niezbędne i naglące. Ogromne nadzieje związane są z zastosowaniem roślinnych kultur in vitro w celu pozyskiwania metabolitów wtórnych o wysokiej aktywności biologicznej. Taka strategia została podjęta przez zespół prof. Królickiej. Wykazano, że ekstrakt uzyskany z tkanek rosiczki gatunku Drosera gigantea wykazuje wysoki potencjał przeciwbakteryjny i nie jest toksyczny w stosunku do komórek eukariotycznych. Dodatkowym atutem jest fakt, że bakteriom trudniej uodpornić się na działanie ekstraktu złożonego z wielu aktywnych metabolitów wtórnych.

Ponadto, coraz większym zainteresowaniem cieszy się stosowanie związków pochodzenia naturalnego o aktywności biologicznej jako naturalnych środków konserwujących lub wręcz wzbogacających żywność albo kosmetyki. Eksperci zakładają, że do 2025 roku wartość rynku samych tylko ekstraktów roślinnych może osiągnąć ponad 50 mld dolarów. Wartość rynku ekologicznych kosmetyków w samej tylko Polsce sięga już niemal 200 mln zł. O tym, jak dynamicznie się on rozwija, świadczyć może fakt, że segment tych produktów w okresie od lipca 2019 do czerwca 2020 roku wzrósł o 39%**. Ekstrakt pozyskiwany z roślinnych kultur in vitro Drosera gigantea może stanowić dodatek do maści stosowanych w przypadku trudno gojących się ran pooparzeniowych, być środkiem łączonym z innymi substancjami przeciwdrobnoustrojowymi (antybiotyki, nanocząstki srebra) albo środkiem konserwującym przeciwdziałającym rozwojowi bakterii w kosmetykach.

Na koniec warto wymienić metabolity wtórne roślin, które są podstawą leków. Floryzyna pozyskiwana z jabłoni jest pomocna w leczeniu cukrzycy. Hiperforyna pozyskiwana z dziurawca zwyczajnego jest pomocna w leczeniu depresji, chinina pozyskiwana z drzewa chinowego wykorzystywana jest w leczeniu malarii, teofilina pozyskiwana z kakaowca właściwego pomaga w leczeniu astmy oskrzelowej, digoksyna pobrana z naparstnicy wełniastej pomaga chorym na niewydolność serca, sylimaryna z ostropestu plamistego chroni wątrobę, paklitaksel z cisa krótkolistnego ma działanie przeciwnowotworowe, a kwas walerenowy znajdujący się w kozłku lekarskim działa uspakajająco. Do tej listy niebawem może dołączyć ekstrakt pozyskany z tkanek rosiczki gatunku Drosera gigantea.

Ogromnym atutem badanej rośliny jest fakt, że kompozycja jej biologicznie czynnych metabolitów jest unikatowa. Znana jest kompozycja ekstraktu, która nie jest toksyczna dla komórek eukariotycznych, ma działanie przeciwdrobnoustrojowe i może być produkowana w bioreaktorze okresowo-zalewowym.

Z uwagi na wysokie nakłady finansowe przypadające na wdrożenie preparatów medycznych rozważane są dwie formy wspierające działania komercjalizacyjne. Pierwszym jest partnerstwo w dalszych badaniach i testach, a drugim – licencjonowanie opracowanej technologii.

---

* Europejski Trybunał Obrachunkowy na podstawie publikacji A sustained and robust pipeline of new antibacterial drugs and therapies is critical to preserve public health
** Analiza GfK Polonia