Intervjuud ja artiklid biosensori saate peategelastega |
 |
Teadlased meisterdavad kunst-koeranina
Bakter – bionina tubli tööriist
Bakter näitab iseloomu
Füüsikud teevad bioninadele aju
Supilusikatäis õnne magustoiduks?
Teadlased meisterdavad kunst-koeranina
 |
„Püüame teha laboris koeranina analoogi ehk seadet, mis suudaks avastada aineid ning analüüsida nende kontsentratsioone juba esimeste õhus lendlevate lõhnamolekulide järgi,” seletab bionina olemuse lahti Toonika Rinken, Tartu Ülikooli kolloid- ja keskkonnakeemia vanemteadur. „ Kõik me teame, et inimese nina on ju päris tundetu ja ka inimese keel on tundetu, aga asi on ju selles, et meie ümber on igal pool väga palju kahjulikke aineid, mille kohta oleks meil vaja saada informatsiooni, et teaksime end nende eest kaitsta. Ja muidugi on ka häid aineid, mille olemasolu on vaja tuvastada ja sellepärast me nüüd tahamegi välja töötada niisugust kunstlikku koeranina, et see võiks meile nende ainete avastamisel ja analüüsimisel abiks olla.
Ja just narkootikumid on tõepoolest ühed sellised huvitavad ained, mille ülesleidmisel võiksid meie „ninad” ilma teha, sest kurikaelte leidlikkus kipub sagedasti ületama kontrollijate fantaasiat ning ebaseaduslikud saadetised paraku ikka liiguvad siia-sinna.”
Aga narkokoerad? Nemad on ju end igati õigustanud, milleks siis niigi hästi toimiva asemele uut leiutada?
Toonika Rinken: Narkokoerad on muidugi väga tublid, aga nad on ikkagi elus loomad ja nende töövõime on piiratud. Loom töötab ühtejutti kusagil 15 minutit ja seejärel tahab ta puhata. Meie bioninad võiksid töötada ööpäev läbi ja kui panna kuhugi ruumi üles terve rivi selliseid „ninasid”, mis oleksid võimelised püüdma erinevate narkoainete molekule, saab olema täiesti välistatud, et ükski diiler sealt uksest või väravast läbi läheb. Peale selle saab sensoreid kasutada ka sellistes kohtades, kuhu koerad ei pääse ja seal, kus koer võib ohtu sattuda. Näiteks maamiinide avastamisel. Praegu on ju väga aktuaalne teema terrorism ja selliste lõhkeainete avastamine, mis lennujaama pagasikontrollis röntgenaparaadiga läbivalgustamisel jäävad leidmata. Olgu lõhkeaine vedel või pulbriline või ükskõik milline, biosensor püüaks selle kinni ja see ei jõuaks ühelgi juhul lennujaama turvaväravast kaugemale.
Aga miks nimetate seadeldist bioninaks, mitte näiteks tehisninaks või kunst-koeraninaks?
Seadme õige nimi on tegelikult biosensor. Aga ükskõik, kas ütleme bionina või biosensor, juba neist sõnadest saab aru, et asi koosneb kahest poolest – bioloogilisest ja sensori poolest. Ja selleks bioloogiliseks pooleks me kasutame looduslikke materjale, kas ensüüme või näiteks baktereid, mis on võimelised ära tundma erinevate ainete molekule. Nende peal tekib äratundmisreaktsioon ning selle äratundmisreaktsiooni signaalid omakorda püütakse kinni sensoriga, mis on tehnoloogiline ja inimese poolt leiutatud. Ja kui õnnestub need äratundmisreaktsiooni signaalid hästi täpselt kinni püüda, siis on võimalik nende signaalide pealt ka välja arvutada otsitava aine kontsentratsioonid. See on siis juba signaalianalüüs, mis ka asja juurde kuulub.
Kus te need bioloogilised materjalid leiate või mille järgi valite?
Näiteks teatud ensüüme puhastame ise, uskuge millest - herneidudest. Ensüümid on tegelikult valgud, mis mõjutavad elusates rakkudes toimuvaid protsesse ja nende väljapuhastamine loodusliku materjali seest on üsna keeruline ning seetõttu on ensüümid kallid osta. Seepärast proovimegi kohapeal ise ensüümid kätte saada käepärastest vahenditest ja kasutame tõepoolest kõige tavalisemaid supiherneid. Sobivad bakterid valitakse välja katsete käigus. See on muidugi suur töö, katseid tuleb teha väga palju ja eks elusorganismidega on alati ka see probleem, et nad on kapriissed. Meie tahame aga, et nende aktiivsus säiliks ühesugusena võimalikult pika aja jooksul.
Kus ja mille kallal bioninad tulevikus tööle hakkavad, lisaks juba räägitud narkootikumide ja lõhkeainete avastamisele lennuväljadel ja piiril?
Hästi suur väljakutse on tegelikult igasugune keskkonnaanalüüs – kõik saasteained, mis meil ümberringi õhus lendlevad. Kui suudaksime neil pidevalt silma peal hoida, oleks meil kindlasti palju ohutum elada. Looduses on umbrohutõrjevahendite ja putukamürkide jääke, need võivad sattuda toiduainetesse, kõiki neid aineid võiksid bioninad jälgida. Toiduainetetööstuses on hästi palju selliseid protsesse, kus toimuvad käärimised, bioninad võiksid neid kontrollida ning jälgida, kas need kulgevad täpselt nii nagu vaja. Võtame kasvõi kõige lihtsama – õlle käärimise, kui meil on selge pilt kui palju on selles segus suhkrut, siis on meil võimalus õigel ajal protsess peatada ja toode välja võtta. Näiteks see ensüüm, mida me herneidudest saame, tunneb ära amiine. Need on ained, mis tekivad kõikide valkude lagunemisel. Kui elus organism sureb, siis kudede lagunemise käigus tekivad niisugused ühendid nagu amiinid ehk laibamürgid. Nii et kui me nüüd selle herneidudest saadud ensüümi kenasti tööle saame, siis ongi meil võimalik amiinide biosensor valmis teha. Ja me saaksime selle abil väga täpselt hindama hakata, kas näiteks kauplusse müügile toodud kala on ikka küllalt värske või on see juba roiskunud ja tuleks letile paneku asemel hoopis prügimäele saata.
Üks uuring, mis meil just praegu käsil on, puudutab piima ja piimatööstust. Tahame määrata antibiootikumide jääke piimas. Antibiootikumid on väga erinevad ja nad mõjutavad erinevaid ensüüme. Kui nüüd suudame teha sellise sensorite süsteemi, mis annaks pildi erinevatest antibiootikumidest ja kui sellised „ninad” näiteks panna piimaautode peale, siis on kohe selge, kas tööstusse saabuv piim vastab kvaliteedile või ei. Praegu tehakse seda hoopis kohmakamate analüüside abil ja ka tulemused pole nii täpsed.
Ja sellest sõltub, mis selle piimaga peale hakata, võib-olla tuleb halvemal juhul loomasöödaks saata.
Just nimelt!
Mida te ise kogu senises bionina väljatöötamise protsessis kõige suuremaks saavutuseks peate?
See puudutab sedasama piimateemat. Leidsime, et meie sensoriga, mis on tegelikult ju elutu süsteem, on võimalik mõõta ka selliseid efekte, mis töötavad elussüsteemides, näiteks seda, kuidas antibiootikumide efektid omavahel liituvad, ühesõnaga antibiootikumide koosmõju. Arvutasime siin neid numbreid ja on tegelikult päris hämmastav, et tulemused, mis meie siin sensorarvutustes saime, langevad väga täpselt kokku meditsiiniliste kliiniliste katsetega.
Bakter – bionina tubli tööriist
 |
Bionina tarvis on mikrobioloogidel varuks terve kollektsioon kandidaatbaktereid, mis on pärit erinevatest looduskeskkondadest, mida siis üksteise järel keemikute juurde testimisele viiakse. Tartu Ülikooli Tehnoloogiainstituudi geneetiku Ene Talpsepa sõnul tagabki bionina väljatöötamise protsessis edukuse just võimalikult lai kandidaatbaterite valik. Siis on, mida valida ning katsete käigus selguvadki viimaks bionina jaoks parimad tööriistad.
„Nende bakerite ülesanne on tegelikult kõige igapäevasema ainevahetuse läbiviimine,“ selgitab Ene Talpsep bionina bakter-tööriista põhimõtet, „sest bakterite võime metaboliseerida erinevaid keemilisi ühendeid annabki meile võimaluse kasutada seda omadust saasteainete sisalduse mõõtmiseks. Näiteks looduslikes vetes.“
Armastavad mürke
Bakteritel on mõningaid erilisi omadusi, mida ei ole kõrgematel olenditel, inimestel või loomadel. Nimelt nad suudavad oma elutegevuseks kasutada saasteaineid, mis näiteks inimesele ja isegi taimele võivad osutuda tõelisteks mürkideks. Talpsep räägib, et bioloogide ülesanne ongi bionina tarvis üles leida sellised mikroorganismid, mis ei kardaks looduses esinevaid toksilisi ühendeid. Näiteks sellised, mis ei pelga fenoolseid ühendeid või ka värvide komponente jms.
„Kes veel mäletab filmi „Elin Bronkovitš“ – seal oli tegemist mürgitusega, mille põhjustas oli kuuevalentne kroom. Meie bakter peab oleme nii võimas, et kasutab selle kuuevalentse kroomi enda elutegevuseks ja tema ainevahetuse käigus see kuuevalentne kroom muutub kolmevalentseks kroomiks, mis on juba täiesti ohutu aine,“ toob teadlane näite.
Seda aga, kas bakter bionina tööriistaks sobib, kas ta tuleb toime mõne konkreetse toksilise aine „läbiseedimisega“, uuritakse bakterite hingamist mõõtes. Loomulikult on baterite hingamise mõõtmine sootuks midagi muud, kui inimese hingamise mõõtmine kopsuarsti juures. Baktrite hingamise mõõtmiseks on spetsiaalsed aparaadid ja enne, kui mikroobid katsesse lähevad, tuleb neid selleks spetsiaalselt ette valmistada – geelile kinnitada jne. Aga mõõtmise põhimõte on see, et kui bakterid „söövad“ saasteaineid ja neid lagundavad, siis selle lagundamise käigus nad tarbivad hapnikku. Ja mida rohkem on uuritavas keskkonnas saasteainet ehk sedasama bakterite „toitu“, seda rohkem kulutavad bakterid hapnikku. Seda hapniku kasutamist teadlased oma aparaatidega mõõdavadki.
Päästavad inimesi
„Tegelikult on meil bakteritest igaäevases elus tohutult kasu, sest ilma mikroobideta me sõna otseses mõttes upuksime saasta sisse,“ ei saa Ene Talpsep oma teadustööst rääkides jätta pidamata kiidukõnet bakterimaailmale laiemas tähenduses. „Kogu looduse aineringe püsibki üksnes tänu mikroorganismidele ja terve meie elu püsib püsti ainult tänu sellele, et need väiksed tööriistad hästi töötavad, nii meie kehas kui meie ümber. Hästi kurb on teinekord kuulata, kui bakteritest ja teistest mikroorganismidest räägitakse ainult negatiivse varjundiga. See on puhas võhiklikkus. Näiteks kui küsida mõne juhusliku inimese käest, et mida ta mõtleb, kui kuuleb sõna bakter, siis enamasti tuleb inimesel esimesena meelde haigus ja see, et bakteritest tuleb lahti saada. Tegelikult ei saaks meist keegi nendeta hakkama.
Teadlastena aga püüame nüüd mikroobe rakkesse panna juba sihipäraselt, nende kindlaid omadusi oma eesmärkide saavutamiseks ära kasutada. Nagu „Bionina“ projekti puhul, kus me otsime laiast bakterimaailmast sobivaid baktereid bisensori tööriistadeks.“
 |
„Mis siin salata, teekond õigete tööriistbakterite ülesleidmisel on kulgenud üsna vaevaliselt,“ tunnistab Tartu Ülikooli analüütilise keemia teadur Timo Kikas. „Siin oligi meil hiljuti üks selline lugu, kus valisin katseteks ühe kindla bakterikultuuri, millega olin varem tööd teinud ja väga häid tulemusi saavutanud. Alustasime oma mõõtmistega, aga välja ei tulnud asjast mitte midagi. Siis vahetasime ta lihtsalt teise kultuuri vastu välja.“
Ajab sõrad vastu
Põhjusi, miks teadlastele juba tuttav ja teada omadustega bakter uute katsete käigus järsku „sõrad vastu lööb“, võib olla mitmeid. Võibolla on selle mikroobikollektsiooniga toimunud teatud muutused, mida teadlased ei ole osanud ette näha ning bakter ei ole enam nii elujõuline kui varem. Üks põhjus on aga kindlasti veel see, et tänaselgi päeval ei tunne teadus piisavalt maailma esimeste asukate ja siiani kõige arvukama elusolendite rühma – mikroobide - maailma. Ent bionina tööriista otsingutel tehtavad katsed on kahtlemata üks toekas samm selle põneva ja mitmekesise maailma parema tundmaõppimise teel.
„Panna elavat materjali tegema seda, mida sina tahad, ja nii kiiresti nagu sina tahad, on ikka väga keeruline,“ kõneleb Timo Kikas ja lisab, et ühele tavaliselt inimesele, kes ei tea midagi tööst bakteritega, võib tunduda täiesti müstiline see töömaht, mis kulub laboris enne kui teadlane võib öelda: jah, nüüd on selle tähtsa bionina jaoks sobiv tööriist olemas. Kikas räägib, et tema uurimistöö eesmärk on koos oma noorte abiliste, magistrantide Karita Raudkivi ja Evelin Lindega välja töötada erinevatest bakteritest sensorrivi, mis suudaks määrata korraga paljusid saasteaineid keskkonnas.
„Kui sul on mingi objekt ja sa vaatad seda ainult ühest küljest, ei saa sa sellest objektist ju täit pilti,“ põhjendab Kikas mõtet, miks peab keskkonnamürkide jälgimisel olema valvel korraga terve rida sensoreid ehk bioninasid. „Kui sa aga vaatad seda objekti mitmest erinevast küljest, siis saad selle olemust juba hinnata. Näiteks käid ümber kivi tiiru ära ja sul on juba olemas kujutlus, mis kujuga see mürakas tegelikkuses on. Bakteriterivilt saadavate signaalidega on muidugi veel see nõks asja juures, et kuidas neid erinevaid pilte lõpuks kokku viia, et see tõeline kivi kuju sealt välja lugeda lõpuks.“
Tuhanded katsed
Laborikatsete käigus üritataksegi luua sensorrivi 6-8 erinevast bakterist ja on päris hea tulemus, kui kasvõi kolmandik valitud bakterikandidaatidest koostöövalmidust ilmutab. Iga bakeriga tehakse mitmeid paralleelseid katseid ning iga paralleeliga omakorda mõõdetakse bakteri tööd tulevase bioninana kuu aja vältel. Vahel kauemgi. Kokku loetakse laborikatseid neljakohalise arvuga, enne kui viimaks on käes 6-8 bakterist koosnev kogum, mille saaks panna cm x cm kiibi peale ja mille võiks seejärel panna reoaineid jälgima näiteks kusagile loodusesse, näiteks mõne inimasulast saabuva reovee settetiigi või tööstusettevõtte heitvee väljavoolu juurde. „Süsteem ise võiks tulevikus töötada nii, et iga natukese aja tagant võetakse proov, analüüsitakse seda ja koheselt antakse ka tulemus – kas kõik on korras või tuleb midagi ette võtta.“
Füüsikud teevad bioninadele aju
 |
„Füüsikud teevad kahte asja, esiteks – aitame tõlkida bionina bioloogilise tööriista – bakteri või ensüümi reaktsiooni otsitavale ainele - arusaadavasse keelde. Esmalt elektrisignaaliks ja siis edasi mingiks numbriks või näiduks, mis on inimesele arusaadav või mille järgi saab arvuti juba edasi öelda, kas mõne aine suhtes on ohtlik foon juba ületatud või mitte. Ja teiseks – õigupoolest sellest asi algabki – meie teeme valmis bionina jaoks tarvilikud tundlikud materjalid,“ selgitab füüsikute rolli „Bionina“ projektis Tartu Ülikooli füüsika instituudi vanemteadur Raivo Jaaniso.
Bionina sensormaterjalidele esitatavad nõuded on kõrged. Näiteks peavad nad suutma ära tunda gaase. Kui bionina biloloogiline tööriist ehk bakter tarbib saasteainete lagundamise käigus hapnikku, siis sensormaterjal peab „aru saama“, kas hapniku hulk keskkonnas muutus ning kui palju muutus. Hapnikuanduri abil muudetakse saadud informatsioon elektrivooluks, mis omakorda võimendatakse, ning järgnev etapp protsessis on juba signaalitöötlus. „Meil tuleb luua matemaatilised mudelid, mis siis kõik saadud signaalid õigesti läbi arvutavad ja kindlustavad, et ekraanile ilmuv näit, mille järgi inimene oma järeldusi tegema hakkab, oleks igal juhul paikapidav. Kõik arvutused toimuvad mikroprotsessoris, nii et kaasaja „ninad“ on selles mõttes intelligentsed, neil on oma väike „aju“ kaasas, mis signaalitöötluse ära teeb,“ kõneleb Raivo Jaaniso.
Ajuga ninad
Ehkki biosensor on oma sisult ülikeeruline seadeldis, kinnitab Jaaniso, et selle kasutamine igapäevases elus peaks olema hästi lihtne, nii et iga inimene tänavalt võib selle endale osta ja kasutada. Sensori kasutajal ei ole tarvis süveneda „nina“ tööprotsessi üksikasjadesse, ta ei pea mõtlema otsitava aine äratundmisreaktsiooni tekkemehhanismi ega selle peale, kuidas sensormaterjal selle kinni püüab või elektrisignaaliks muudab jms. Inimene näeb ekraanil numbrit või värvimuutust ja tal ongi kohe pilt selge, kas õhus, vees või mujal on teatud ainet või mitte.
„Biosensorite kasutamine tulevikus peaks toimuma nii, et need „ninad“ paigaldatakse juba vastavate ametistruktuuride poolt sinna, kuhu on vaja, kus nad siis hoolitsevad meie turvalisuse eest. Ei usu, et inimesel endal oleks ka tulevikus vaja peale oma nina kaasas kanda veel üht teist nina. Ja ilmselt inimene ei aimagi, et bioninad ühes või teises kohas valvel on. No näiteks – ma ei usu, et igaüks tänagi teab, kui palju on ühes kaasaegses autos igasuguseid sensoreid. Arvatavasti on neid praegu kusagil 20 ringis ja mõne aasta pärast võib neid olla juba poole rohkem. Võimalik et nende hulgas on siis ka mõni bionina, mis näiteks „nuusutab“ õhku autosalongis. Ja kui te seisate näiteks liiklusummikus ja „nina“ leiab, et väljast tuleb salongi sisse mürgist õhku, paneb ta automaatselt ventilatsiooni kinni ja teie ei teagi seda, et just tark bionina on see, kes autos teie hea tervise nimel toimetab,“ kõneleb Raivo Jaaniso.
Supilusikatäis õnne magustoiduks?
 |
„Loodus on inimese sisse pannud terve hulga molekule, mida nimetatakse retseptoriteks. Retseptorid on oma olemuselt ühed väga põnevad valgulised moodustised, mis tunnevad ära igasuguseid kehasiseseid signaale. Täpselt samamoodi nagu keskkonda valvavad bioninad, mille kallal töötame, tunnevad ära mürgiste ainete signaale, tunnevad retseptord ära kõikvõimalikke signaale meie organismis,“ kõneleb Tartu Ülikooli magistrant Laura Herm, kes teeb oma teadustööd orgaanilise ja bioorgaanilise keemia instituudi laboris.
Inimese sees on põnev
Laura Herm selgitab, et mõnes mõttes on tema uuringud keemikute uuringutega sarnased, teisest küljest aga jälle sootuks erinevad. „Kui kolloidkeemikud üritavad panna baktereid või ensüümide molekule näiteks mingi pulga külge ja siis pistavad pulga kusagile lahusesse ja näevad, et ahhaa! – siin on niisugune või naasugune saasteainete kontsentartsioon, siis meie tegeleme bionina analoogidega ehk kehasiseste retseptoritega. Ja üritame neid panna elusate rakkude sisse, et siis vaadata, mida nemad ära tunnevad ja kuidas see käib. Erinev on aga see, et kui keemikud üritavad ära kasutada loodust selleks, et konstrueerida inimesele kasulikke töötavaid riistapuid, siis meie uurime loodust ennast. Ja koostöös loodetavasti jõuame huvitavate tulemusteni.“
Laura sõnul on organismi talitlemise saladustesse süvenemine iseenesest ääretult põnev, sest lausa iga päev pakub maailmateadus ses vallas välja midagi uut. Veelgi põnevam on aga proovida ise katseklaasis midagi sootuks uut. Palju on kirjutatud ja räägitud näiteks õnnehormoon serotoniinist. Mis juhtuks aga siis, kui panna näiteks serotoniini retseptoreid elusate rakkude sisse? Mis siis saab? Kas rakud saavad õnnelikuks?
Apteeki õnne järele
„Võimalik, et saavadki,“ naerab Laura Herm, aga täpsustab kohe, et nendesamade õnneretseptorite ülesandeks on inimese kehas veel muidki protsesse reguleerida, näiteks valu tundmist jne. Ka seda ta aga otse ei eita, et kunagi võib teadus tõepoolest sellenigi jõuda, et luuakse mingit sorti „õnnepulber“, mida võib siis apteegist osta ja vajadusel supilusikaga sisse võtta ning hingel hõisata lasta. „Eks selline rääkimine on nüüd väga kaudne, aga teisest küljest – apteekides on juba praegu igasuguseid toredaid antidepressante, mis just selle sama serotoniinisüsteemi kaudu mõjuvadki.
Aga muidugi, õnn sõltub väga paljudest asjadest, ka sellest, mis ikkagi on inimese enda organismi sees. Nii et kunstlikku õnne teha – ei tea kas õnnestub. Aga me kindlasti üritame ja need uuringud, ma arvan, saavad olema vapustavalt põnevad.“
Intervjueeris saadete autor Anne Lill, 2006