Lietuvių mokslininkai pirmieji pasaulyje spaudžia astronautų kremzles atominiu mikroskopu

Kodėl astronautas, metus praleidęs kosminėje stotyje, grįžęs į Žemę negali paeiti taip, kaip ėjo anksčiau? Atsakymas slypi ne raumenyse, o giliau — sąnarių kremzlėse, kurias kasdien veikia jėgos, kurių mes net nepastebime. Vilniuje, FTMC laboratorijoje, du lietuvių mokslininkai ką tik tapo pirmaisiais pasaulyje, kurie ėmėsi šį atsakymą išmatuoti tiesiogine to žodžio prasme — spausdami ląsteles atominių jėgų mikroskopu.

Ne svajonė, o laboratorinis realumas

Tolimos kosminės kelionės seniai yra ne tik fantastų, bet ir inžinierių akiračio objektas. Tačiau tarp raketų kuro skaičiavimų ir gyvybės palaikymo sistemų projektavimo slypi daug žemiškesnis klausimas: kas nutiks žmogaus sąnariams po metų, praleistų be gravitacijos?

Atsakymo imasi Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Nanoinžinerijos skyriaus mokslininkai. Dr. Artūras Ulčinas ir doktorantas Tadas Jelinskas vykdo Europos kosmoso agentūros (EKA) finansuojamą projektą, kurio esmė paprasta ir sudėtinga vienu metu: laboratorijoje užauginti žmogaus kremzlės ląsteles, paveikti jas mikrogravitacija, o tada atominių jėgų mikroskopu — aparatu, kuris jaučia jėgas, lygias vienos molekulės svoriui — tiesiogine prasme jas paspaudinėti ir stebėti, kas vyksta viduje.

Pasak pašnekovų, šie eksperimentai yra pirmieji tokie pasaulyje. Ir pradiniai rezultatai jau suteikia tiek informacijos, kad mokslininkai pradeda keisti savo pačių prielaidas apie tai, kaip ląstelės „jaučia" aplinką.

Mechanobiologija — mokslas, apie kurį greičiausiai negirdėjote

Tai, kuo užsiima FTMC komanda, vadinama mechanobiologija. Tai mokslo šaka, tyrinėjanti, kaip ląstelės reaguoja ne į cheminius signalus, o į fizines jėgas — spaudimą, tempimą, vibraciją.

Kasdieniškas pavyzdys — mankšta sporto klube. Kai atliekate pritūpimus, jūsų raumenų ląstelės patiria spaudimą ir tempimą. Tada jos „supranta", kad reikia stiprėti, ir ima gaminti daugiau baltymų. Tai nėra metafora — ląstelės tiesiogiai „jaučia" mechaninį poveikį ir persijungia į visai kitą darbo režimą.

Tą patį principą FTMC mokslininkai taiko kremzlės ląstelėms, tik čia klausimas atvirkštinis: kas nutinka, kai gravitacija dingsta? Jei ląstelė per milijonus evoliucijos metų priprato prie nuolatinio Žemės traukos poveikio, staigus jo išnykimas gali būti tolygus šokui.

Praktiškai tai reiškia štai ką: mokslininkai ima kremzlės ląsteles, užaugintas laboratorijoje specialiuose trimačiuose karkasuose, ir paveikia jas sąlygomis, imituojančiomis kosminę stotį. Tada atominių jėgų mikroskopas — prietaisas, kurio zondas yra plonesnis už žmogaus plauką — vieną po kitos „apčiuopia" ląsteles, matuodamas jų standumą nanometrų tikslumu.

Gauti duomenys rodo, kad ląstelės, netekusios gravitacijos, pradeda keistis greičiau, nei tikėjosi tyrėjai. Kol kas negalima sakyti, ar pokyčiai negrįžtami — eksperimentai tęsiasi, o komanda ruošiasi naujiems bandymams su ilgesnės trukmės mikrogravitacijos poveikiu.

Tai, ką FTMC mokslininkai daro šiandien, yra pamatas tam, apie ką kiti tik svajoja. Kosmoso agentūros visame pasaulyje investuoja milijonus į klausimą, kaip apsaugoti žmogaus kūną ilgų kelionių metu, tačiau be fundamentinių tyrimų, atliekamų tokiose laboratorijose kaip ši, tie milijonai būtų leidžiami aklai.

Ne tik kosmosui

Verta paminėti, kad FTMC laboratorijos tyrimų laukas neapsiriboja astronautų sveikata. Komanda dirba su nanomedžiagomis, kurios gali pakeisti paviršių savybes chemiškai.

Pavyzdžiui, superhidrofobinės dangos — savaime apsivalantys stiklai ar paviršiai, nuo kurių vanduo tiesiog nurieda nepalikdamas pėdsako. Arba atvirkščiai — itin gerai drėkinantys paviršiai, kuriais skystis teka tarsi ploniausia plėvele. Dar viena sritis — lokaliai aktyvuojamos reakcijos, kai šviesa ar kitais stimulais tam tikrose vietose pakeičiamas paviršiaus rūgštingumas. Visa tai — tos pačios nanotechnologinės platformos, kuriomis remiasi ir kremzlės tyrimai.

Dr. Ulčino žodžiais, tikslas yra suprasti, kaip skirtingų savybių derinys nanolygmeniu lemia galutinę medžiagos funkciją, ir išmokti tas medžiagas formuoti taip, kad galėtume pasiekti konkretų rezultatą.

Ką tai reiškia paprastam žmogui

Pirmas akivaizdus šio tyrimo pritaikymas — ilgalaikės kosminės misijos. Jei žmonija planuoja skristi į Marsą, trejų metų kelionė be gravitacijos reiškia ne tik raumenų atrofiją (tam jau yra treniruokliai), bet ir negrįžtamus sąnarių pokyčius, kuriems kol kas atsakymo niekas neturi.

Tačiau čia slypi ir žemiškesnė nauda. Supratimas, kaip mechaninės jėgos veikia kremzlės ląsteles, tiesiogiai susijęs su osteoartritu — viena labiausiai paplitusių sąnarių ligų, kuria serga milijonai žmonių. Jei mokslininkai išsiaiškins, kokios būtent jėgos skatina kremzlės degeneraciją arba atvirkščiai — regeneraciją, atsidarys durys į visai naujos kartos gydymo būdus.

Tad nors šiandien FTMC laboratorijoje atominis mikroskopas spaudinėja mikroskopines ląsteles Žemėje, atsakymai, kuriuos jis duoda, vieną dieną gali reikšti ne tik sveikesnius astronautus Marse, bet ir sveikesnius kelius čia, Lietuvoje.

Europos kosmoso agentūra šį projektą remia neatsitiktinai — 2025 metais EKA paskelbė atvirą kvietimą mokslininkams iš visos Europos teikti pasiūlymus, kaip spręsti ilgalaikių kosminių misijų medicinines problemas. FTMC paraiška buvo atrinkta tarp šimtų kitų, o tai rodo ne tik temos aktualumą, bet ir Vilniaus mokslininkų kompetenciją mechanobiologijos srityje.

Lietuvai tai reiškia dar vieną tarptautinio pripažinimo žingsnį fundamentinių tyrimų srityje — tokio lygio projektai įprastai atitenka didžiosioms Vakarų Europos laboratorijoms.