Złoto, srebro i brąz w rękach młodych badaczy – przyznano nagrody w konkursie Złoty Medal Chemii

Rozstrzygnięto finał konkursu Złoty Medal Chemii organizowany jest przez Instytut Chemii Fizycznej PAN (IChF) przy współpracy z firmą DuPont, która jest fundatorem nagród na najlepszą pracę licencjacką i inżynierską. Konkurs ten od 2011 r. przyciąga najlepszych młodych chemików w kraju i niezmiennie pozostaje wyjątkowym wydarzeniem na naukowej mapie Polski. To nadal jedyny konkurs, który daje możliwość absolwentom studiów I stopnia do zaprezentowania swoich prac pokazujących innowacyjne rozwiązania i tym samym jest dużą szansą dla tych, którzy są kreatywni, myślą nieszablonowo i chcą rozwijać swoją karierę w nauce. Złoty Medal Chemii to także przestrzeń dla tych, którzy nie boją się nowych rozwiązań oraz nie wahają się iść pod prąd w różnych dziedzinach chemii – od chemii organicznej i nieorganicznej, przez chemię fizyczną i kwantową, aż po chemię materiałową i biochemię. To także inspiracja do podejmowania wyzwań badawczych na najwyższym poziomie i ważny element kształtowania przyszłych pokoleń badaczy gotowych do podejmowania działań w odpowiedzi na wyzwania stojące przed społeczeństwem w nadchodzących dekadach. I co najważniejsze, to inwestycja w naukę.

I choć to już XV edycja konkursu, młodzi badacze nie przestają zaskakiwać. Z roku na rok Jury nie ma łatwego zadania, a wybór laureatów pozostaje nie lada wyzwaniem. W tym roku do konkursu zgłoszono 61 prac z 15 uczelni, które oceniono pod kątem wartości naukowej. Oceniano także dorobek publikacyjny autora pracy, znaczenie praktyczne otrzymanych wyników badań, wykorzystanie nowoczesnych metod badawczych oraz samodzielność prowadzenia badań. Pierwsza nagroda, czyli tytułowy Złoty Medal Chemii powędrował do Mateusza Zarzecznego, który pracę badawczą realizował na Wydziale Fizyki, Uniwersytetu Warszawskiego. Kolejno, srebro otrzymał Jakub Pawlikowski z Wydział Automatyki, Elektroniki i Informatyki na Politechnice Śląskiej w Gliwicach jednocześnie zdobywając największe uznanie wśród finalistów uzyskując przyznaną przez nich nagrodę, a brązowy medal powędrował do Dawida Natkowskiego z Wydziału Chemicznego Politechniki Warszawskiej.

Nagrodzone prace wpisują się w potrzeby obecnego świata przedstawiając nowatorskie rozwiązania w elektronice, medycynie i ochronie środowiska. Co więcej, pokazują jak nauka i innowacje mogą realnie zmieniać nasze życie i poprawiać zdrowie. Przyjrzyjmy się dokładniej tym, które uzyskały medale.

Tematyka pracy złotego medalisty Mateusza Zarzecznego zatytułowana „Wielopoziomowa kontrola właściwości chiroptycznych w morfologicznie chiralnych fazach ciekłokrystalicznych” i realizowana pod opieką dr. hab. Wiktora Lewandowskiego skupiała się na projektowaniu i wytwarzaniu nowych materiałów o unikalnych właściwościach optycznych. Badacz zaprezentował „skręcone” cienkie warstwy na bazie ciekłych kryształów, które mogą zmienić przyszłość technologii. Najbardziej znanym zastosowaniem ciekłych kryształów są wyświetlacze w telefonach, telewizorach i monitorach. Choć są one powszechnie stosowane od lat, naukowcy nadal odkrywają coraz więcej ich unikalnych właściwości. Wystarczy zmienić ich ułożenie w przestrzeni, a mogą zupełnie inaczej reagować na czynniki zewnętrzne np. światło, temperaturę, pole elektryczne i wiele innych bodźców. Jednak, zadanie to nie jest tak proste jak się wydaje. Precyzyjna kontrola ich powtarzalnego ułożenia w przestrzeni celem wytworzenia określonego kształtu jak choćby spirali to nie lada wyzwanie. Złoty medalista wyszedł naprzeciw temu zagadnieniu podejmując się próby precyzyjnej kontroli kształtu, rozmiaru i tym samym właściwości optycznych struktur na bazie ciekłych kryształów układających się w spirale. Takie chiralne „skręcenie” cząsteczek odgrywa coraz większą rolę w wielu dziedzinach nauki. Chiralność, czyli odbicie lustrzane cząsteczek, które choć pozornie identyczne nie nakładają się na siebie i mogą mieć różne właściwości fizykochemiczne, jest powszechnie kojarzona np. z lewoskrętnych i prawoskrętnych molekuł o znaczeniu biologicznym. Aczkolwiek, chiralność jest wszechobecna – od ułożenia poszczególnych aminokwasów w DNA, po spiralne muszle to także gra ogromną rolę w projektowaniu nowych materiałów. W odróżnieniu od zwykłych układów ciekłokrystalicznych, chiralne uporządkowania wykazują unikalne właściwości optyczne. W swojej pracy autor badań połączył ciekłe kryształy z kolejnymi wyjątkowymi materiałami – nanocząstkami złota, które od dawna dostrzegane są w wielu dziedzinach nauki, jak choćby w spektroskopii. Taka hybryda organicznego kryształu z nieorganicznymi cząstkami w skali nanometrycznej połączonych ze sobą metodą precyzyjnego przetapiania materiałów z użyciem lasera umożliwiło precyzyjne zaprogramowanie i kontrolę chiralności. Takie materiały mogą zmieniać właściwości w odpowiedzi na światło o określonej barwie lub inne bodźce np. temperaturę, torując drogę do nowych zastosowań od elektroniki w inteligentnych powłokach optycznych, przez fotonikę, po bezpieczeństwo np. w zabezpieczeniach antyfałszerskich i medycynę np. w czujnikach. Zaprezentowana praca pokazuje, że nauka potrafi być nie tylko piękna, ale i praktyczna, a precyzyjna kontrola chiralności materiałów na poziomie pojedynczych molekuł to już nie tylko teoria. To możliwość projektowania i wytwarzanie materiałów, które wkrótce mogą znaleźć miejsce w naszym codziennym życiu.

Złoty medalista w skrócie opisał swoją pracę, udział w konkursie i nagrodę: „Moje badania dotyczyły opracowania nowych materiałów, które oddziałują ze światłem w kontrolowany sposób. Wyniki tych badań prowadzą do szeregu zastosowań - począwszy od zabezpieczania banknotów, przez zwiększanie transferu danych, po bioobrazowanie np. tkanek zmienionych chorobowo.  Konkurs Złoty Medal Chemii to dla mnie niebywała okazja, aby nie tylko sprawdzić siebie jako naukowca, ale także otworzyć się na nowe tematyki badawcze i nawiązać kontakt z innymi badaczami. Otrzymana nagroda jest dla mnie ogromnym wyróżnieniem i motywacją do prowadzenia dalszej pracy i rozwoju naukowego. Niezmiernie cieszy mnie wysoki poziom konkursu oraz możliwość poznania nowych pespektyw i zagadnień chemicznych”. Zapytany dlaczego warto startować w tymże konkursie odpowiada: „Warto próbować, to nic nie kosztuje a daje wiele możliwości. Przede wszystkim można zdobyć nową wiedzę, doświadczenie i poznać wiele nowych osób będących pasjonatami chemii.”

Srebrny finalista Jakub Pawlikowski został doceniony za badania jak komórki reagują na stres oksydacyjny, zwłaszcza gdy niektóre geny są wyłączone oraz jak można wpływać na te procesy na poziomie komórkowym, aby chronić komórki przed śmiercią. Praca zatytułowana „Rola czynników jądrowych w indukcji programowanej śmierci komórkowej w komórkach zmodyfikowanych przy użyciu technologii CRISPR/Cas9” realizowana pod opieką dr inż. Małgorzaty Adamiec-Organiściok oraz mgr inż. Magdaleny Węgrzyn zaprezentowała wyniki badań związane z procesem ferroptozy, czyli specjalnego typu programowanej śmierci komórki ściśle powiązanej z metabolizmem żelaza. W każdej komórce naszego ciała zachodzą liczne reakcje chemiczne celem utrzymania równowagi pomiędzy wieloma molekułami, które chronią ją przed uszkodzeniami, a tymi, które mogą powodować uszkodzenie. Związki zwane przeciwutleniaczami tj. glutation mają na celu ochronę komórki przed wolnymi rodnikami występującymi w reaktywnych formach tlenu. Mimo, że glutation skutecznie redukuje ich szkodliwe działanie, proces ten nie jest niezawodny i gdy dochodzi do zachwiania równowagi jego poziomu w komórce dochodzi do ferroptozy. Nagromadzone reaktywne formy tlenu trwale uszkadzają lipidy w błonach komórkowych prowadząc nieuchronnie do śmierci komórki. Kontrola tego skomplikowanego, ale niebywale ważnego procesu byłaby kamieniem milowym do opracowania nowych terapii w leczeniu wielu chorób związanych ze stresem komórkowym np. chorób neurodegeneracyjnych, w przyszłości. Podążając tym tropem autor badań sprawdzał jak czynniki genetyczne i regulacja przebiegu procesów w komórkach mogą wpływać na proces ferroptozy. Badaniom poddano dwa typy komórek – zdrowie i zmienione genetycznie metodą CRISPR/Cas9, która działa jak molekularne nożyczki umożliwiające precyzyjne zmiany określonego odcinka DNA. Jednym z czynników było wyłączenie genu GPX4, który związany jest z ochroną komórki przed uszkodzeniami wywołanymi przez utlenienie lipidów w błonach komórkowych. Jego wyłączenie spowodowało, że komórki stają się bardziej podatne na ferroptozę. Co więcej, w badaniach zablokowano także system Xc-, który jest odpowiedzialny za transport do komórki cystyny, czyli cząsteczki, która jest niezbędna do produkcji glutationu. W efekcie przyspieszono proces ferroptozy. Z kolei w zdrowych komórkach aktywowane zostały mechanizmy obronne chroniące komórkę przed szkodliwymi rodnikami powodującymi uszkodzenie błony komórkowej. Zaprezentowane badania pokazują wpływ konkretnych genów na mechanizmy obronne na ferroptozę przybliżając nas do lepszego poznania i zrozumienia, które mechanizmy warto wzmacniać lub hamować, aby leczyć choroby związane z nieprawidłową śmiercią komórek. Jest to niebywale ważne dla opracowywania nowych metod leczenia poważnych chorób.

Srebrny medalista tak opisuje swoją pracę, udział w konkursie i nagrodę: „Badałem programowaną śmierć komórkową, czyli wpływ reakcji komórek przez zastosowanie odpowiedniego czynnika i poznanie ich odpowiedź na stres oksydacyjny. Jest to bardzo ważne w kontekście leczenia chorób nowotworowych, neurodegeneracyjnych oraz innych zaburzeń homeostazy komórkowej. Otrzymany medal to dla mnie niesamowity zaszczyt i wyróżnienie. Jest to zwieńczenie moich badań i pasji jaką została we mnie zaszczepiona przez promotora i grupę badawczą, a także motywacja do dalszych działań i samorozwoju. Konkurs Złoty Medal Chemii daje możliwość rozwoju, poznania interdyscyplinarnych badań prowadzonych w innych jednostkach naukowych, a także niesamowitych i bardzo ciekawych młodych badaczy. Aplikując do konkursu można spróbować swoich sił, przekonać jak dobra jest nasza praca dyplomowa. Bez spróbowania może nas wiele ominąć. Naprawdę warto.”

Choroby nowotworowe są zmorą XXI wieku, stając się jednym z głównych problemów zdrowotnych na całym świecie. Kolejny nagrodzony badacz przedstawił wyniki, które wychodzą temu problemowi naprzeciw. Brązowy medal powędrował do Dawida Natkowskiego za pracę zatytułowaną „Wykorzystanie układów wykazujących zjawisko absorpcji dwufotonowej w generowaniu reaktywnych form tlenu” wykonywaną pod opieką dr. hab. inż. Krzysztofa Durki oraz dr inż. Pauliny H. Marek-Urban, w której badacz skupił się na zwalczaniu chorób cywilizacyjnych za pomocą najbardziej reaktywnej formy tlenu – tlenu singletowego. Pomimo wielu nowych rozwiązań w medycynie leczenie wielu nowotworów jest nadal za mało skuteczne, w szczególności gdy dojdzie do przerzutów z początkowo zmienionego chorobowo organu do innych części ciała. Jednym ze sposobów zwalczania komórek zmienionych oraz obrazowania tkanek są technologie wykorzystujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu bliskiej podczerwieni (NIR). Szczególnie interesującą metodą jest terapia fotodynamiczna (PDT), która opiera się na stosowaniu fotoczułych molekuł zdolnych do wytwarzania reaktywnych form tlenu takich jak tlen singletowy, które skutecznie uszkadzają błonę komórkową prowadząc do śmierci komórki. Jednak, skuteczność tej terapii zależy od rodzaju użytych fotoczułych związków. Stosowanie molekuł, które reagują głównie na światło widzialne ogranicza możliwość leczenia zmian znajdujących się w głębszych częściach organizmu i stanowi jedną z głównych barier dla dalszego rozwoju PDT. Stąd, coraz większe zainteresowanie budzą związki, które są „aktywowane” do generowania reaktywnych form tlenu promieniowaniem z bliskiej podczerwieni (NIR). A to dlatego że dociera ono znacznie głębiej niż światło widzialne, otwierając drogę do leczenia zmian nowotworowych zlokalizowanych w trudno dostępnych częściach ciała. Obiecującym kandydatem do tego typu zastosowań są związki z grupy BODIPY – związki organiczne o budowie pierścienia zawierające w swej strukturze bor. Są one znane z wysokiej stabilności, zdolności do generowania tlenu singletowego i łatwości modyfikacji chemicznej. Aby zwiększyć ich skuteczność, w przedstawionej pracy zastosowano zjawisko absorpcji dwufotonowej, która polega na tym, że zamiast wzbudzać fotoczułą cząsteczkę jednym fotonem o wysokiej energii, stosuje się dwa fotony o niższej energii w zakresie NIR. Dzięki temu można uzyskać głębokie przenikanie światła przez tkanki zmienione chorobowo. Przedmiotem badań było pięć różnych związków, w tym także unikalnego układu złożonego z dwóch części: tzw. anteny, która zbiera światło oraz fotouczulacza, który ma reagować po otrzymaniu energii. Taki układ efektywnie przekazuje energię pochłanianą przez dwa fotony dzięki zjawisku zwanemu rezonansem Förstera, polegającym na przekazywaniu energii pomiędzy dwiema bliskimi cząsteczkami bez emitowania światła. W efekcie fotoczuła molekuła, czyli wspomniany wcześniej fotouczulacz otrzymuje energię i może zostać pobudzony do działania. Zaprojektowany układ miał na celu zapewnić, aby ten proces przebiegał jak najsprawniej zapewniając przydatność do zastosowań w terapii fotodynamicznej. Przedstawione badania mają niebywałe znaczenie w opracowaniu jeszcze skuteczniejszych terapii zwalczania zmiany nowotworowych nawet w trudno dostępnych miejscach. Potencjalnie, terapie z użyciem związków BODIPY wykorzystujących zjawisko absorpcji dwufotonowej mogłoby być stosowane samodzielnie lub w połączeniu z klasycznymi metodami używanymi w onkologii do zwalczania raka.

Brązowy medalista z entuzjazmem opowiada o swoich badaniach, nagrodzie i samym udziale w konkursie: „Zajmowałem się opracowaniem cząsteczki, która pod wpływem działania światła jest zdolna do generowania reaktywnych form tlenu, czyli bardzo nietrwałych form tlenu, które z łatwością mogą uszkodzić komórki np. komórki nowotworowe. Takie rozwiązanie stosuje się w terapii fotodynamicznej do zwalczania chorób nowotworowych. Daje to możliwość nieinwazyjnego i precyzyjnego leczenia nowotworów o określonym obszarze jednocześnie ograniczając skutki uboczne w porównaniu do np. klasycznej chemioterapii, która wyniszcza nie tylko chorobowe, ale także zdrowe komórki. Otrzymana nagroda jest dla mnie wyjątkowym wyróżnieniem dającym kolejną porcję motywacji do dalszych działań na polu naukowym i w dalszym rozwoju, w szczególności w nowej tematyce badawczej. Cieszę się, ze moje badania zostały docenione oraz tego, że moja praca niesie wkład w rozwój nauki. Dlaczego warto aplikować do konkursu? Nie należy się go bać. Konkurs daje możliwość spróbowania swoich sił, szansę na zaprezentowanie swoich badań przed doświadczonymi naukowcami i uzyskanie wiadomości zwrotnej w bardzo dobrej atmosferze. Jest to wyjątkowa okazja do rozwoju.”

Nagrodzeni medaliści spisali się na medal. Ich prace oferują innowacyjne rozwiązania w wielu dziedzinach życia odpowiadając na aktualne wyzwania współczesnego świata. Pokazują nie tylko rolę nauki i technologii, ale także kreatywności w rozwiązywaniu problemów w życiu codziennym w XXI wieku i potwierdzają, że polscy naukowcy mają potencjał tworzenia rozwiązań, które realnie zmieniają świat. Jednak, medale to nie wszystko. Komisja konkursowa wyróżniła czworo finalistów, wśród których znaleźli się: Franciszek Bober z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, Dawid Dąbrowski z Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Piotr Gas z Wydziału Chemii na Uniwersytecie Jagiellońskim oraz Artur Le Hoang z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Nagrody firmy DuPont powędrowały do Xymeny Gross z Wydziału Technologii Chemicznej Politechniki Poznańskiej, Faustyny Stopyry z Wydziału Chemicznego Politechniki Rzeszowskiej im. Ignacego Łukasiewicza oraz Soni Wardejn z Wydziału Chemicznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach.

Tegoroczna edycja konkursu po raz kolejny pokazała, że młodzi chemicy w Polsce nie tylko tworzą prace naukowe na światowym poziomie, ale także z pasją opowiadają o swojej pracy. W dobie szybkiego rozwoju technologii oraz narastających wyzwań zdrowotnych, technologicznych i środowiskowych stojących przed społeczeństwem Polska potrzebuje wykwalifikowanych naukowców gotowych do działania. To właśnie oni mogą prowadzić innowacyjne badania i tworzyć nowe rozwiązania dla przemysłu, ochrony środowiska czy medycyny. Chemia to klucz do przyszłości, a Złoty Medal Chemii pozostaje nie tylko nagrodą, ale prawdziwym świętem nauki.

Autorka: Magdalena Osial

Zdjęcia: Grzegorz Krzyżewski