Biotechnologia, fotonika i inżynieria rzadko spotykają się w jednym laboratorium. Dla dr inż. Moniki Janik z Politechniki Warszawskiej właśnie na styku tych dziedzin powstają rozwiązania, które mogą zmienić sposób badania komórek, projektowania czujników i rozwijania nowoczesnej diagnostyki.

Komórki w laboratorium dzielą się, zmieniają metabolizm, reagują na nowe substancje i obumierają. Każda z tych zmian może powiedzieć badaczom, czy lek zaczyna działać, jaka dawka jest skuteczna i kiedy pojawiają się pierwsze efekty. Problem w tym, że większość stosowanych dziś metod pokazuje jedynie pojedyncze etapy tego procesu. Między jednym pomiarem a kolejnym komórka nie czeka na naukowca.

Tę lukę chce wypełnić dr inż. Monika Janik z Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki Wydziału Elektroniki i Technik Informacyjnych Politechniki Warszawskiej oraz Akademii Młodych Uczonych PAN. Jej zespół opracowuje czujniki, które pozwolą obserwować procesy biologiczne w sposób ciągły, a nie tylko w wybranych momentach. Początkowo badania zespołu dotyczyły bakterii, wirusów i biomarkerów, m.in. stanu zapalnego. Dziś koncentrują się na hodowlach komórkowych.

Światłowód cienki jak włos

Jednym z podstawowych narzędzi wykorzystywanych przez dr Janik są światłowody. We wcześniejszych projektach integrowano je m.in. z cewnikami stosowanymi w badaniach nad mikrośrodowiskiem tętniaków. Choć rozwiązania te nie były jeszcze testowane u pacjentów, pokazały, że światłowodowe czujniki można skutecznie łączyć z narzędziami medycznymi.

Karierę naukową Monika Janik rozpoczęła od biotechnologii na Politechnice Wrocławskiej, a następnie obroniła doktorat z fotoniki na Université du Québec en Outaouais w Kanadzie. Jej praca dotyczyła szybkiego wykrywania niebezpiecznych szczepów Escherichia coli w wodzie za pomocą mikrointerferometru światłowodowego. Projekt wymagał jednocześnie wiedzy z biologii, fizyki i inżynierii. – To osoby pracujące pomiędzy dyscyplinami są dziś szczególnie potrzebne. Potrafią wyjaśniać różne języki nauki i tworzyć rozwiązania, które mają szansę naprawdę zadziałać – mówi badaczka.

Z kilku klatek zrobić cały film

Moment, w którym komórki zaczynają reagować na nową substancję, rzadko zbiega się z chwilą, gdy badacz obserwuje je pod mikroskopem. To może nastąpić po kilkunastu minutach albo kilku godzinach. Obecnie naukowcy często widzą jedynie początek i koniec procesu, a jego przebieg muszą odtwarzać z pojedynczych pomiarów. Dlatego zespół Moniki Janik rozwija system MI-CELL, który ma umożliwić ciągłe monitorowanie hodowli komórkowych. Zamiast serii punktowych analiz badacze otrzymaliby pełny zapis przebiegu doświadczenia. Mogliby określić nie tylko, czy komórki zareagowały, lecz także kiedy rozpoczęły się zmiany i jak szybko postępowały.

– Lubię porównywać to do filmu. Dziś często mamy do dyspozycji tylko kilka klatek i próbujemy na ich podstawie odtworzyć całą historię. My chcemy zobaczyć cały film – wyjaśnia.

Jeśli rozwiązanie okaże się skuteczne, mogłoby znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie wykorzystuje się hodowle komórkowe – od laboratoriów akademickich po firmy opracowujące leki, kosmetyki i materiały biomedyczne. Ciągła obserwacja dostarczyłaby informacji, których nie da się uzyskać z pojedynczych pomiarów.

Drugim kierunkiem badań są czujniki optoelektrochemiczne, łączące funkcję mikroelektrody i światłowodu. Dzięki temu jedno badanie dostarcza jednocześnie sygnału optycznego i elektrochemicznego, a każdy z nich opisuje próbkę z innej perspektywy. Takie rozwiązanie może znaleźć zastosowanie m.in. w diagnostyce choroby Alzheimera. W docelowej wersji badacz pobiera próbkę od pacjenta, zanurza w niej światłowód i otrzymuje wynik bez czasochłonnego przygotowywania materiału oraz wieloetapowej analizy.

Monika Janik śledzi również rozwój czujników noszonych na ciele – inteligentnych zegarków, pierścieni, plastrów i innych urządzeń monitorujących stan zdrowia. Interesuje ją nie tylko to, co można dzięki nim zmierzyć, lecz także to, czego użytkownicy nie chcą mierzyć. Nawet najbardziej zaawansowany czujnik nie będzie użyteczny, jeśli po kilku dniach trafi do szuflady.

Odwaga do pracy między dyscyplinami

Stworzenie własnego zespołu oznaczało dla badaczki zmianę roli. Dziś nie zajmuje się już wyłącznie projektowaniem pojedynczych czujników. Równolegle rozwija kilka kierunków badań, poszukuje ich praktycznych zastosowań i buduje zespół, w którym młodzi naukowcy uczą się pracy na styku różnych dyscyplin. W marcu 2024 roku założyła na Politechnice Warszawskiej Grupę Biofunkcjonalizacji i Zaawansowanych Rozwiązań Czujnikowych.

Równie ważny jest dla niej mentoring. Podkreśla, że sama spotkała na swojej drodze osoby, które zachęcały ją do przekraczania granic jednej specjalizacji. Dziś chcę przekazywać tę odwagę kolejnym badaczom – zwłaszcza tym, którzy nie mieszczą się w jednej dyscyplinie i próbują łączyć różne obszary nauki. – Życzę wszystkim odwagi i spotkania osoby, która pokaże, że największe ograniczenia bardzo często istnieją tylko w naszej głowie – mówi dr inż. Monika Janik.

• Nauki biologiczne i rolnicze
• Nauki medyczne
• Nauki techniczne