Химик Екатерина Скорб — о работе в Гарварде, российской науке и перспективах новой области на стыке химии и IT

— К настоящему моменту вы уже успели поработать в четырех странах. Всегда хотели связать свою жизнь именно с наукой?

— Я всегда хотела заниматься химией, мне нравилась эта наука, и я участвовала в химических олимпиадах еще со школы. Поэтому, когда необходимо было поступать в вуз, выбрала для себя это направление и поступила в Белорусский государственный университет. Во время обучения в аспирантуре мы начали плотно работать с нашими немецкими коллегами из Института Макса Планка (Max Planck Institutes). Мы реализовывали совместные исследования, направленные на улучшение ситуации по экологической безопасности. Таким образом я первый раз попала в Институт Макса Планка.

Далее мне дали DAAD стипендию, я защитилась и осталась в Германии в качестве постдока по стипендии Alexander von Humboldt. Что характерно, первый проект в Институте Макса Планка был очень плотно связан с индустрией. Он был посвящен коррозионным самозалечивающимся покрытиям. Фактически мы разрабатывали специальные капсулы, которые могут предотвращать коррозию. Как это работает? Если у нас начинается коррозия, меняется рH окружающей среды, наши капсулы это понимают, открываются и высвобождают коррозионный ингибитор.

Мы разработали такие умные материалы, а дальше масштабировали разработку и вместе с нашими индустриальными партнерами начали получать большие количества этого материала, лакокрасочные покрытия. Что важно, при такой плотной работе с индустрией ты понимаешь, что везде есть своя специфика. Над созданием инновационного продукта работает большая команда, и каждая группа отвечает за конкретную стадию. Постепенно ты начинаешь понимать, какая область захватывает больше всего.

Изначально в Институте Макса Планка я работала в департаменте Межфазных поверхностей, а после мне дали группу в департаменте Биоматериалов. Тогда мы немного поменяли деятельность, стали больше смотреть на биоприложения умных материалов и работать в этой области.

— Расскажите, пожалуйста, подробнее, что это за биоприложения?

— Так или иначе моя работа была связана с наноструктурированием поверхностей. Обладая фундаментальными знаниями, мы понимали, что надо сделать с нашей поверхностью, чтобы управлять свойствами биологических объектов. Например, клеток, биофильмов, бактерий и так далее. Мы структурировали наш материал таким образом, что у него появлялись те свойства, которых не было до наноструктурирования. Материалы, с которыми мы работали, — это имплантаты различного вида, системы биочипов. Прежде всего мы смотрели, как мы можем влиять на поведение различных типов клеток в умных материалах.

С фундаментальной точки зрения мы изучали, как мы можем помочь ответить на вопросы диагностики: что происходит при взаимодействии наших клеток, почему возникают те или иные заболевания? Наши материалы позволяли нам растить наши клетки селективно: мы могли управлять поведением клеток, создавали материалы, которые понимали, что им надо делать в определенный момент.

Например, одно из исследований строилось по такому плану (научная статья опубликована в ведущем научном материаловедческом журнале Advanced Materials (IF=19.79) — прим.ред.): мы знаем, что молочно-кислые бактерии в процессе своей жизнедеятельности меняют рH. Как мы можем в таком случае структурировать поверхность? Мы можем сделать так, чтобы на поверхности был чувствительный к рН полимерный слой. В результате бактерии подходят к поверхности, в процессе жизнедеятельности меняют рH, и наши полимеры понимают, что поменялся рН и начинают увеличиваться в размере, набухать, потому что мы запрограммировали их таким образом, а после отталкивать бактерии от поверхности. Причем, так может повторяться очень много циклов.

В итоге такая работа дает нам возможность программировать материалы, чтобы они выполняли нужные нам функции. Например, если мы конструируем биочип, необходимо сделать его многофункциональным, если биосенсор — важно, чтобы он помогал нам детектировать определенное заболевание, работать на минимальное количество молекул и быть селективным. Именно по такому принципу работают умные биоматериалы.

— Наиболее перспективно применять такие материалы именно в медицине? Какие задачи конкретно поможет решить эта работа?

— Мы работали над умными материалами для медицинских применений, для того, чтобы они могли программировать какие-то биологические объекты. Такая работа может позволить сделать модельные системы, где можно предсказать поведение, например, ваших клеток и подумать над тем, как их перепрограммировать.

В этом вопросе нам интересно было подойти с фундаментальной точки зрения и поменять саму концепцию. Например, мне никогда не хотелось убивать бактерии, а большинство исследований как раз построено на том, чтобы их уничтожить. Но мне кажется этот подход неправильным, систему нужно перепрограммировать. Вы же знаете, что у вас на коже всегда находится очень много бактерий. И когда вы используете антибактериальное мыло, которое убивает все бактерии, включая полезные, вы начинаете болеть еще больше, потому что на это место приходят другие, нередко болезнетворные. Это говорит о том, что подход неправильный. Что хотим сделать мы? Мы хотим создать умный материал, например, пластырь или мыло, которые условно будут говорить полезным бактериям: «Быстрее заселяйте эту зону». И они будут делать это быстрее, чем болезнетворные бактерии.

Фактически мы хотим запрограммировать наш микробиом, так мы можем о нем заботиться, поддерживать его и создавать материалы, которые не уничтожают бактерии, а дают им нужные импульсы необходимым биологическим объектам. В пределе этот умный материал сам становится независимой единицей, искусственной клеткой, которая может программировать ваши клетки на определенные действия.

— В Гарварде вы занимались смежными областями, продолжением этих проектов?

— Нет, это были совсем другие проекты. В Гарвард я поехала как Visiting scholar в группу самого цитируемого химика современности Джорджа Уайтсайдса (George M. Whitesides). Мы работали по нескольким направлениям, в том числе над фундаментальными проектами, один из которых проект Origins of Life, предполагающий попытку с химической точки понять и объяснить, как на Земле зародилась жизнь. Работая в группе Джорджа Уайтсайдса, мы смотрели на зарождение жизни еще до того, как зародилась ДНК и РНК. Уже известно, как из неорганических молекул могли получиться аминокислоты. А мы с химической точки зрения пытались запустить циклы, сети химический реакций простых органических молекул таким способом, чтобы они ожили. Этот большой проект финансируются фондом Simons Founadation. В этом исследовании можно использовать различные подходы, в том числе математические.

Второй проект, в который я была вовлечена, был посвящен исследованию диссипативных самоорганизующихся систем (финансируется фондом Templeton Foundation). Здесь мы пытались посмотреть, какие химические системы помогут нам объяснить различные явления в обществе: например, почему возникают эпидемии или как развивается пожар? За всеми этими процессами стоят одни теории, в частности, теория перколяции, теория развития эпидемий и так далее. Два этих проекта были очень фундаментальны.

Однако, практическое применение, например, проекта Origins of Life и вопроса градиентов ионов калия и натрия внутри клетки и в межклеточном пространстве, позволили предложить недорогую диагностическую систему, напечатанную на бумаге, для электрохимической точной диагностики во времени низкомолекулярных метаболических профилей.

— Почему вы решили продолжить работу именно в России?

— Мобильность ученых для современного мира — это совершенно нормальная практика. Ученые переезжают с место на место в зависимости от того, какую цель они преследуют. Когда вы понимаете, что вам интересны фундаментальные исследования, возникает необходимость создавать под эти исследования группы, привлекать ребят, которые будут с вами работать. Таким образом, возникает необходимость включаться в образовательный процесс, становиться профессором, идти в университет и учить ребят делать правильную науку. Моей целью было, собрав международный опыт, создать большую группу. При этом я знаю, как она должна работать эффективно. Безусловно, и в Германии, и США группами руководят по-своему, но в какой-то момент ты понимаешь, как это должно быть и что для этого нужна страна, где есть сильная база, страна, открытая к новым подходам. Тогда я задумалась о возможности поработать в России.

Впервые о российских университетах я услышала, когда была в Германии. Тогда как раз начали говорить о проекте Сколково, в дальнейшем о Сколтехе. Команда Жореса Алферова и его ребят приехала в Берлин, и они сообщили, что Россия включается в программу мобильности ученых. Иными словами, теперь в страну может приехать профессор из-за рубежа, получить профессорскую позицию и, соответственно, делать науку самого высокого уровня.

Чтобы получить позицию в России, необходимо подать определенный пакет документов, так же делается и в других странах, кроме того, вы подписываетесь на рассылки, специальные информационные порталы, которые сообщают вам, что в таком-то университете открылась профессорская позиция. Когда позиция открывается, если вы заинтересованы, вы можете подать заявку, в которой необходимо расписать свое видение развития работы: с какого проекта вы хотите начать, какие образовательные программы намерены вести и каким вы видите образование конкурентоспособной научной группы мирового уровня.

— Чем вас заинтересовала работа в Университете ИТМО, в котором все, что связано с исследованиями в области химии, — это новые направления?

— После Гарварда я думала подать документы в Сколтех, но однажды мне пришла рассылка, где сообщалось о позиции в Университете ИТМО. До этого я о вузе никогда не слышала. Но предложение работать здесь показалось мне очень интересным проектом. Казалось бы, вуз информационных технологий предлагает позицию, связанную с исследованиями в химии. Довольно необычно, но это совпало с моим видением. Я считаю, что сегодня химия должна рука об руку идти с математикой и информатикой, никуда мы от этого не уйдем.

Но, чтобы делать новую науку, нам необходимо работать в окружении лучших математиков и программистов. Сложно представить для этого лучшее место, чем университет информационных технологий. Как химик я понимаю, в какую область надо идти и на что смотреть, но для того, чтобы развивать новые исследования на мировом уровне и делать это на стыке химии и информатики, необходимы очень сильные компетенции специалистов в области IT. Только вместе мы сможем развивать новую область – инфохимию.

В итоге я подала документы сюда, получила позицию, сейчас со мной работают ребята, которые делают исследования, перспективные не только для России, но и для всего мира. Они тоже начинают с фундаментальных вещей, которые уже сегодня находят практические приложения для умных материалов.

— Почему именно сейчас химия начинает теснее взаимодействовать с областью информационных технологий? Ведь, казалось бы, в биологии этот синтез произошел давно.

— До сих пор химики справлялись сами, потому что мы можем собрать систему химических реакций, когда мы знаем эти реакции, чувствуем их. Чтобы объяснить клетку, биологи стали активно использовать подходы математиков. Это было необходимо, потому что одновременно идет столько реакций, что вам попросту очень тяжело сориентироваться.

В Университете ИТМО уже сложилась хорошая группа по биоинформатике, и мне кажется, что самое время делать своего рода химическую биологию — когда мы сделаем проще, чем природа, но с биосовместимыми молекулами, веществами, используя системные подходы, которые уже придумали биологи и математики.

— Как строится работа в вашей лаборатории сейчас?

— Сейчас у нас четыре основных направления. Первое включает работу с динамическими материалами для оптики. Что это значит? В этом случае вы не создаете материал, который статически демонстрирует какие-то свойства, а, например, можете посветить на него светом определенной длины волны и полностью поменять оптические свойства вашего покрытия. И мы знаем, как это делать. Мы написали проект, в котором изложили наш план по изготовлению таких динамических материалов для оптики, и в итоге наш проект был поддержан Российским научным фондом (РНФ). Сейчас мы активно работаем в этом направлении.

Второе направление связано с диагностикой, в его рамках мы ведем исследования по разработке чипов, чувствительных не к одному типу ионов, а тех, которые подходят для мониторинга широкого спектра различных метаболических профилей. Это, в свою очередь, позволяет диагностировать разные заболевания.

Третье направление — фундаментальное. Здесь мы работаем с модельными химическими системами, которые в перспективе могут помочь нам объяснять различные процессы. Как я уже говорила, например, эпидемии и другие явления, которые происходят в обществе.

И наконец, четвертое включает работу по хранению информации, это как раз входит в новую область — инфохимию. В рамках этой работы мы тесно сотрудничаем с Гарвардом. Мы верим, что можно создать способ как хранения, так и обработки информации с помощью химических систем.

Как это можно объяснить? К примеру, у вас есть компьютер, но подумайте, что такие компьютеры есть и в биологических системах. И с точки зрения биологии, клетка — идеальный компьютер, она тоже прекрасно хранит и обрабатывает информацию. Наша задача — не сделать вторую клетку, мы хотим создать нечто, что подобно ей сможет так же эффективно накапливать, хранить и обрабатывать информацию. Мы считаем, что это можно сделать, собрав системы, сети химических реакций. У нас есть несколько идей по этому поводу. Думаем над созданием искусственной химической клетки.

Но в этом направлении должны работать не только мы одни. И сейчас мы уже общаемся с несколькими научными группами в Университете ИТМО, с которыми планируем продолжить эту работу. Я думаю, что в перспективе мы сможем подать большую коллективную заявку, где обозначим концепцию, которую хотим реализовать здесь, в России. Эта тема действительно требует большой работы со стороны разных научных групп, интердисциплинарного подхода, однако, на мой взгляд, шансы начать такую работу именно в Университете ИТМО и быть поддержанными очень велики.

— Сейчас очень большой объем работы вашей группы ведется в рамках фундаментальных направлений. При этом у вас есть большой опыт в работе над прикладными проектами совместно с индустриальными партнерами. Как вы планируете дальше сочетать фундаментальный и прикладной аспекты в работе?

— Я считаю, что настоящий инновационный продукт возможен только тогда, когда мы понимаем, как все работает на фундаментальном уровне. Чтобы делать умные материалы и быть первыми во всех исследованиях, мы должны начинать именно с фундаментальных исследований. Например, в нашей лаборатории ребята изучают кольца Лизеганга из простых органических молекул (концентрические кольца или ритмически перемежающиеся полосы, возникающие в результате периодического осаждения каких-либо соединений при диффузии в гелевых средах — прим.ред.). Это среды, которые завтра мы не применим для сохранения информации. Но они уже показали, что идея самоорганизации с определенным порядком, а именно идея создания оптических структур с определенным порядком, работает, есть proof of concept. После того, как вы это доказали, можно переходить к построению модели, к технической стороне дела и да, делать финальный продукт. Но начинаем мы всегда с фундаментальной идеи.

Здесь мы, безусловно, делаем фундаментальную науку. Однако, особенность нашего кластера в том, что мы не ждем, что придет кто-то, кто возьмет наши разработки, мы в конечном счете нацелены получить готовый продукт. Это многостадийный процесс, который во многих странах выполняется различными организациями. Но, например, в том же Гарварде все тоже делается «одними руками». Ученые делают proof of concept и первый прототип, и когда он у вас есть, вы можете эту технологию продавать и привлекать больших индустриальных партнеров.