W tych badaniach spotyka się nauka i sztuka. "Sekwencje białek (...) przekładamy na muzykę"

W drodze do pana gabinetu mijałem ekran, na którym wyświetlały się informacje o pana wydziale na MIT. Było tam napisane: Naukowiec odkrywa to, co istnieje. Inżynier tworzy to czego nigdy nie było. A zatem jest pan naukowcem czy inżynierem?

I jednym, i drugim jednocześnie. Generalnie na MIT wielu moich kolegów wykorzystuje naukę, żeby rozwiązywać konkretne problemy inżynieryjne. Nie wiem, czy można ich jednoznacznie zaszufladkować.

Bada pan jednak to, co już istnieje w przyrodzie: pajęcze sieci, kości czy białka. Rozumiem więc, że zamierza pan zrobić coś, czego jeszcze nie było?

Już to robię. Podam panu przykład: badamy sieci pajęcze. Szukamy cech, które definiują ich specyficzne właściwości. Na podstawie wyników tych poszukiwań projektujemy własne materiały, nieistniejące w przyrodzie. Tworzymy włókna, które są jeszcze lepsze i jeszcze mocniejsze niż pajęcza nić.

Wyczytałem, że pajęcze nici fascynują pana, bo są mocniejsze niż stal, a mniej łamliwe, znacznie bardziej elastyczne. Ale przecież kiedy na łące znajdę sieć, to wystarczy, że pociągnę ją jednym palcem, a się zerwie. Drutu stalowego tak zerwać się nie da. Jak to więc jest z ową siłą pajęczej nici?

To kwestia skali. Pajęcza nić ma średnicę około tysiąca razy mniejszą niż stalowy drut. Dla niej jest pan gigantem. Niech pan sobie wyobrazi potwora, który podchodzi do mostu. Łatwo go przełamie. Inżynier patrzy jednak na materiał zgodnie z jego skalą. A wtedy pajęcza nić jest mocniejsza niż stal.

Dlaczego jest tak mocna?

W stali, która składa się głównie z żelaza i węgla, są bardzo silne wiązania chemiczne. Właściwie są one znacznie mocniejsze niż sama stal. Tyle że w całym materiale wykorzystuje się bardzo, bardzo drobny ułamek tych wiązań. Myślę, że jakieś 99,9 proc. z nich w ogóle nie jest używanych. W nici pajęczej na odwrót: wiązania chemiczne między cząsteczkami są bardzo słabe. Ale jeśli policzy pan, jaki procent z nich jest wykorzystywanych, to wyjdzie prawie 100. I gdybyśmy potrafili naśladować tę właściwość pajęczyny i produkować stal, w której wykorzystywane są wszystkie wiązania chemiczne, otrzymalibyśmy materiał tysiąc razy mocniejszy! Tak samo gdybyśmy opracowali sposób kontrolowania cząsteczek w betonie, potrzebowalibyśmy go znacznie mniej. A to oznaczałoby dużo niższe koszty budowania.

Czyli interesuje pana struktura rozmaitych materiałów na poziomie atomów i cząsteczek, tzn. w nanoskali?

Nanoskala to tylko jedna strona. Równie fascynujące jest zachowanie się całego systemu. Pająk potrafi przecież kontrolować swoją sieć na wszystkich poziomach. Zaczyna od ułożenia w odpowiedni sposób cząsteczek białek. Potem kontroluje tworzenie z nich włókien, a na końcu – całej sieci. Wychodzi z tego pajęczyna, która świetnie sobie radzi z uszkodzeniami, bo jest przystosowana do ekstremalnych sytuacji. Porównajmy to z budynkiem. Po przekroczeniu pewnego punktu, na przykład podczas trzęsienia ziemia, cały się wali. Podobnie dzieje się z samochodami czy samolotami – narażone na ekstremalne sytuacje roztrzaskują się. Tymczasem pajęczyna jest odporna na obciążenia i wiatru, i szarpania się ofiar. Uszkodzeniu podlega tylko mała część sieci, kilka nici. To może zostać szybko naprawione przez pająka albo i pozostawione bez zmian, a sieć nadal będzie funkcjonować tak jak przedtem.

Jak to możliwe?

Odkryliśmy, że w tym wypadku ważna jest nie geometria sieci ani to, jak mocne są materiały ją budujące. Sekret odporności na uszkodzenia leży w sposobie uformowania nici. Gdy je pan pociągnie, rozkręcają się białka w ich środku. Początkowo całość jest bardzo sztywna, potem staje się elastyczna, potem znów sztywnieje, a na koniec się rwie. Dzięki temu nici przerywają się tylko w tym miejscu, w którym zostały pociągnięte. Gdyby materiał rozciągał się w bardziej jednostajny sposób, prowadziłoby to do dużo rozleglejszych uszkodzeń.

Czy pajęcza nić ma jeszcze jakieś sekrety, która pana fascynują?

Niech pan porówna produkcję stali i pajęczej nici. Aby otrzymać stal, człowiek potrzebuje mnóstwa materiału, czyli rudy żelaza. Trzeba ją wydobyć, roztopić, wymieszać z węglem. Wymaga to ogromnego wkładu energii i surowców. A pająki nie mają hut, nie przetwarzają surowca w wysokiej temperaturze; całą fabryką jest ich własne ciało. Surowcem jest dla nich to, co zjedzą: muchy, mrówki, inne owady. To są białka, które pająki połykają i przetwarzają na nowe nici. Potrafią bardzo dobrze zużytkowywać dostępne im zasoby.

Sieć pajęcza zbudowana jest z białek, podobnie jak inne substancje, typu kość czy kolagen, które pan bada. Dlaczego akurat białka?

Kość bardzo różni się od włosów, a włosy od pajęczej nici. Jeśli poprosi pan inżyniera, by zbadał ich właściwości, to powie panu, że są to bardzo różne materiały. Tymczasem na poziomie chemicznym wszystkie są zbudowane z 20 takich samych cegiełek: aminokwasów. Coś gdzieś musi się dziać, co sprawia, że raz dadzą one kość, a raz – nić pajęczą. Wiele osób, z którymi współpracujemy, specjalizuje się w badaniu tylko jednej rzeczy. Spędzają 30, 40, czasem 50 lat swego życia, analizując kość lub nić pajęczą. My staramy się połączyć kropki między nimi, chcemy wyjaśniać różnice między tymi materiałami białkowymi, zrozumieć, dlaczego są odmienne. Lubimy porównywać.

I do czego ta wynikająca z porównywania wiedza ma się przydać?

Niech pan popatrzy na stojący obok rzutnik. Jeśli chce pan mieć w nim dziesięć różnych właściwości, to potrzebuje pan dziesięciu różnych materiałów, które pochodzą z dziesięciu różnych miejsc. Tymczasem w biologii ma pan jeden typ białka, jedno miejsce pochodzenia i rozmaite właściwości. Prosty materiał, ale mądrze zaprojektowany, pozwala uzyskać wszystkie rodzaje tkanek i komórek. Myślę, że tego rodzaju materiały staną się kolejnym etapem w rozwoju inżynierii. Będzie fabryka, do której pan zajdzie i powie: potrzebuję materiału o takiej a takiej twardości, takiej a takiej elastyczności, takich własnościach optycznych. Dane trafią do maszyny, ta określi strukturę, wzór i wydrukuje żądany materiał.

Czytałem, że pana badania mogą też zostać wykorzystane do wzmocnienia sieci internetowej. To już chyba przesada.

To nie chodzi o to, że chcemy używać pajęczyny do budowy lepszego komputera. Nam zależy na zrozumieniu, jak działa i jak się psuje cały system sieci pajęczej. Dzięki temu możemy np. zaprojektować komputer tak, że gdy zostanie zaatakowany przez wirusa, wyłączy się natychmiast, jeszcze nim problemy rozniosą się dalej. Takie przekładanie rozwiązań z jednej dziedziny do drugiej jest możliwe dzięki matematyce. Jeśli własności sieci pajęczej opiszemy liczbami, to potem możemy ich używać nawet w obszarach kompletnie abstrakcyjnych. Opublikowaliśmy np. pracę o tym, że interakcje ludzi z ich telefonami są analogiczne do tych we włóknach białkowych. Możemy więc przeprowadzić eksperyment na białkach, by zrozumieć, jak działa sieć telefonii komórkowej. Ba, sekwencje białek, opisane za pomocą matematyki, przekładamy na muzykę…

???

Mamy dwie różne sekwencje białek. Układamy je we włókna. Następnie używając matematycznego opisu, wyjaśniamy muzykowi, jak poszczególne cegiełki – aminokwasy – współgrają ze sobą, jak tworzą strukturę i jak się zachowują. A potem muzyk całą tę wiedzę, którą od nas otrzymał, wyraża w muzyce. Już udało mu się skomponować dwa różne utwory dla dwóch różnych sekwencji białek.

Ale po co to robić? Dla zabawy?

Mnie interesuje to, jak system staje się funkcjonalny. Zajmując się białkami, zdałem sobie sprawę, że taki rodzaj zagadnień ma analogie w bardzo wielu dziedzinach. Jeśli ma pan doskonałych muzyków grających symfonię w orkiestrze, to każdy z nich gra inną część. Jeśli posłucha pan samej wiolonczeli czy samego fortepianu nie rozpozna pan, co to za utwór. Dopiero po złożeniu w całość zda pan sobie sprawę: o, to jest ta symfonia! A zatem to jest funkcja, odpowiednik siły w materiale. Jeśli rozumiemy, że obie te rzeczy są takie same, możemy uczyć się od jednej do drugiej. Odkryjemy coś o muzyce, czego nie wiemy o materiałach, i na odwrót. Jeśli ludzie w orkiestrze są pijani, to ile drinków mogą wypić, zanim utwór przestanie być rozpoznawalny? To jest to samo, jak zapytać: jak tani może być beton, zanim się załamie? Albo: ile pajęczych wiązań możemy zabrać, zanim sieć się rozpadnie?

Takie analogie pomagają inżynierom?

W przeszłości inżynierowie nigdy by nie pomyśleli, że pomoc mogą otrzymać od muzyków. A my właśnie to chcemy zrobić. Zamierzamy poprosić muzyka, żeby poprawił nasz projekt. Chcemy mu powiedzieć: „To są sekwencje białek, które mamy. To są oparte na nim wzory nut. Co możemy zrobić, by to ulepszyć?”. Liczymy, że będzie miał pomysły, na które inżynierowie by nie wpadli. A potem przeniesiemy je z utworu muzycznego z powrotem na białka, na nowe materiały.

Zamierza więc pan projektować białka, które nie istnieją jeszcze w przyrodzie?

Wszystkie nasze białka robimy od zera w laboratorium. Możemy je złożyć w maszynie, bez żadnego wkładu biologicznego.

Myśli pan, że ludzie zdołają kiedyś prześcignąć przyrodę?

Już zrobili rzeczy, które są o wiele lepsze niż w systemach naturalnych. Nie ma przecież ptaka potrafiącego tak jak samolot przelecieć w 8 godzin z Europy do Bostonu. Ale przekonywałbym, że to nadal przyroda. Bo my, ludzie, sami jesteśmy częścią przyrody.

Rozmawiał Wojciech Mikołuszko