Revista >> Ianuarie - Februarie 2023 [Nr. 251] >> Cover Story

BioMat4CAST, un proiect de avangardă pentru designul molecular și chimia verde

Alexandru Batali

15 Februarie 2023

Provocări majore, rezultate aşteptate
Provocarea majoră în implementarea proiectului o reprezintă depășirea mentalității învechite despre chimie ca știință exclusiv experimentală. Chimia modernă se va desfăşura întâi pe calculator, după care va trece la eprubetă. Această afirmație nu mai reprezintă o viziune, ci este o realitate pe care trebuie să o acceptăm și să o îmbrățișăm. Totuși, ținând cont de faptul că ICMPP are o abordare destul de convențională în metodele de cercetare, crearea echipei de chimie computațională reprezintă o adevărată provocare.
O altă provocare majoră o reprezintă și pregătirea echipei care lucrează în domeniul chimiei computaționale. Profesorul Laaksonen este o somitate în acest domeniu și se va ocupa în mod special de acest aspect, iar alături de el și-au arătat disponibilitatea și alţi cercetători de prestigiu, care vor contribui la formarea echipei, dintre care menționăm: dr. Francesca Mocci - Universitatea Cagliary, Italia; prof. Florian Müller-Plathe - Universitatea Tehnică Darmstadt, Germania; prof. dr. Leif Eriksson - Universitatea Göthenburg, Suedia; prof. Claudiu T. Supuran - Universitatea din Florența, Neurofarba Dept., Italia; dr. Marc Baaden - Laboratorul de Biochimie Teoretică Paris CNRS, Franța; prof. Xiaoyan JI - Universitatea Tehnică Luleå, Suedia; prof. Jozef Uličný - Institutul de Fizică al Facultății de Ştiinţe „P. J. Šafárik” al Universității din Košiciach, Slovacia.
Pe lângă asigurarea unei pregătiri corespunzătoare pentru tânăra echipă, acești specialiști vor oferi echipei nou-formată o vizibilitate internațională bună, care îi va permite să dezvolte colaborări importante atât la nivel național, cât și la nivel internațional.
Astfel ambiția proiectului BioMat4CAST este de a reuși să promoveze chimia computațională pe plan local și mondial. La nivel național, ICMPP speră într-o bună comunicare cu colegii care lucrează în acest domeniu la București, Cluj și Timișoara, precum și din alte centre, astfel încât să colaboreze la structurarea unei rețele de chimie computerizată națională, iar la nivel internațional speră să poată adera la organizații de prestigiu, precum WATOC (World Association of Theoretical and Computaţional Chemists).

Perspective frumoase
Acad. Bogdan C. Simionescu, directorulICMPP între 2000 şi 2014, perioadă în care Institutul a cunoscut consacrarea internațională, și vicepreşedinte al Academiei Române între 2014 și 2022, este personalitatea științifică cea mai reprezentativă pentru a evidenția câștigurile generate de câștigarea unui nou proiect ERA Chair de către „Petru Poni” și instituția mamă: „Prin tradiție și definiție, Academia Română contribuie la şi jalonează direcția de cercetare fundamentală din România, dezvoltată în cadrul unor proiecte de dimensiuni/coordonate temporale ample, la care se adaugă constant programe și proiecte noi. Academia Română s-a pliat și s-a raliat la fluxul european/mondial al cercetării științifice, îmbogățindu-și portofoliul cu noi teme de cercetare, inclusiv de natură aplicativă. Orice proiect nou câştigat de Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni”– şi, cu atât mai mult, unul obţinut în cadrul unei competiţii europene – înseamnă recunoaştere şi confirmare ştiinţifică internaţională, reafirmarea poziţiei de top în rândul institutelor de cercetare din România şi a celor de chimie/ştiinţa materialelor din Europa, abordarea şi dezvoltarea unei direcţii de cercetare noi şi, în perspectivă, formarea de specialişti în domeniul respectiv, întărirea capacităţii de cercetare/inovare a Institutului, crearea de parteneriate cheie cu mediul de business/mediul universitar, o mai bună conectare la strategia de cercetare şi specializare inteligentă a României în noul ciclu: 2022-2027. În acelaşi timp, un nou proiect câştigat reprezintă şi o excelentă exemplificare a politicii generale a Institutului, care pune în acţiune abordarea proiectelor în sinergie”.
Institutul de Chimie Macromoleculară „Petru Poni” al Academiei Române a fost în permanență un deschizător de drumuri în diverse domenii ale chimiei, în alinierea tematicilor sale de cercetare la politicile de cercetare naționale și europene, și un model în ce privește creșterea caracterului aplicativ al cercetării academice şi a relevanței sale sociale. BioMat4CAST poartă cu sine toate datele pentru a deveni un proiect de referinţă al României și al Uniunii Europene în domeniul chimiei computaționale.

Un proiect al viitorului, condus de oamenii prezentului
O suită de interviuri cu persoanele exponențiale din echipa BioMat4CAST - prof. dr. Aatto Laaksonen, ERA Chair, dr Marina Pinteală, manager științific, dr. Teodora Rusu, coordonator proiect, – cristalizează această perspectivă, permițându-ne totodată să descoperim aspecte unice care definesc un proiect științific aparte.

Care sunt argumentele consistente, motivaţia profundă care a stat la baza asumării misiunii de ERA Chair al acestui proiect, în cadrul unui institut din România: ICMPP?
Prof. Aatto Laaksonen: De-a lungul carierei mele de chimist fizician la Universitatea din Stockholm am întâlnit mulți oameni de știință de origine română. În acest fel am ajuns să cunosc bine peisajul științific și academic din România. Nivelul științei în România este ridicat, cuprinzând un mix de domenii tradiționale ale chimiei și nanotehnologie modernă. Din păcate, mulți dintre cei mai buni oameni de știință părăsesc România pentru o carieră de succes în străinătate. Pe de altă parte, aria științifică proprie, chimia computațională, este subdezvoltată în România și chiar lipsește, cu câteva excepții: București, Iași și Cluj Napoca. În urmă cu câţiva ani am avut ocazia să rămân în România și să lucrez la Institutul de Chimie Macromoleculară Petru Poni din Iași pentru a coordona un proiect de cercetare de patru ani în departamentul IntelCentru. Proiectul a fost de pionierat în România, deoarece acoperea o mare parte din chimia computațională. Acest proiect s-a încheiat în vara anului 2022 și a fost menționat în raportul Agenției naționale de finanțare din România (n. red: UEFISCDI) ca fiind foarte reușit. La scurt timp am primit vestea că propunerea IntelCentru de proiect ERA Chair a fost finanţată de Comunitatea Europeană. Nu a fost greu să accept continuarea unui parcurs științific de nivel înalt alături de colegii străluciţi pe care îi cunoșteam deja bine și într-un loc care îmi permitea să-mi valorific experiența. Deja colaborez cu tineri cercetători talentaţi implicaţi în BioMat4CAST, le ştiu bine competentele şi am încredere în capacitatea lor de a putea ridica chimia computaţională la un nou nivel.

Ce rol veţi juca pentru a aduce valoareaadăugată acestui proiect şi a-i asigura succesul?
Prof. Aatto Laaksonen: Cunoscând specificul activităţilor de cercetare din multe ţări, lucrând atât cu aspecte fundamentale, cât şi aplicative, fiind implicat în proiecte de transfer tehnologic dinspre mediul academic către industrie, pot înţelege proiectele de cercetare orientate spre creşterea competentelor dintr-o perspectivă mai largă. De asemenea îmi pot folosi experienţa vastă din domeniu pentru a inspira, sfătui şi a da mai degrabă libertate decât a coordona strict. Vreau de asemenea să încurajez gândirea interdisciplinară în ştiinţă, precum şi împrumutul de modelele şi metode din diverse arii ştiinţifice
Pentru a crea un viitor grup de cercetare competitiv, trebuie să știm încotro se îndreaptă domeniul în viitor, propunând noi înșine direcții suplimentare de explorare. Chimia computațională, cunoscută şi sub denumirea de chimie in silico, este mai degrabă dezvoltată virtual cu ajutorul computerelor, şi se petrece mai puţin în laborator. Dintr-o perspectivă extinsă, vom avea atât laboratoare in silico, cât şi experimentale, ce vor lucra în paralel și vor fi strâns interconectate. Îmbinarea chimiei reale și virtuale este o modalitate reciprocă de câștig, care va conduce spre cercetarea inovatoare din viitor.

Care apreciaţi că sunt punctele forte ale ICMPP, prin care poate crea un grup de cercetare performant în chimia computaţională şi un „laborator al viitorului”?
Prof. Aatto Laaksonen: ICMPP este un institut de top din România, cu o gamă largă de competențe. Acest lucru îi permite să iniţieze uşor colaborări în orice zonă a chimiei sau a bioștiințelor. Şi fiecare grup experimental poate beneficia mult din învăţarea acţiunilor la nivel molecular atunci când sintetizează materiale noi şi află ce proprietăţi au şi cum pot fi îmbunătăţite. De altfel chimia computaţională este metoda cea mai curată de a face chimie în sine, dar utilizarea ei conduce şi către alte beneficii, cum ar fi reducerea poluării şi a deşeurilor toxice. Câteva studii aratăcă investiţia în chimie computaţională se amortizează repede.
În ICMPP lucrează deja unii dintre cei mai talentați oameni de știință din România. Ce i-ar putea ajuta în îmbunătăţirea activităţii ştiinţifice este modelarea moleculară și simulările pe computer, desfăşurate în paralel cu cercetările lor de laborator. Proiectul BioMat4CAST le deschide o ușă pentru a veni să discute proiectele lor cu noi. Vom încerca să construim modele moleculare pentru sistemele lor chimice și să prezicem care sunt produsele finale după ce vom urmări cele mai probabile căi de reacție. Vom avea misiunea de a-i convinge și de a-i învăță pe colegii noștri „experimentaliști” să se bazeze mai mult pe experimente de tip in silico şi să devină conștienți de ce poate fi obținut din studiile noastre de chimie computațională. De asemenea, proiectul BioMat4CAST va deschide lumea moleculară oamenilor de știință care lucrează cu substanțe moleculare, dar care nu gândesc întotdeauna molecular. O componentă importantă a chimiei in silico este posibilitatea de vizualizare a moleculelor în timp ce acestea interacționează și reacționează cu alte molecule. Este ca și cum ai urmări chimia printr-un microscop virtual. Cercetătorii din cadrul ICMPP vor beneficia de această oportunitate şi vor putea crea astfel mai rapid un laborator al viitorului.

Ce impact consideraţi că va avea acest proiect la nivelul cercetării europene din sfera chimiei şi dincolo de graniţele sale?
Prof. Aatto Laaksonen: Ideea din spatele proiectului este de a integra cât se poate de strâns partea de chimie computaţională cu cea de chimie experimentală. Vom dezvolta o metodologie care va face posibil acest dezideratmult mai mult decât este făcut până în prezent în lume. În cinci ani dorim să devenim un model în Europa şi pe plan mondial. Deoarece putem să folosim competențele superioare pe care România şi, nu în ultimul rând, Iaşiul le au în domeniul informaticii şi matematicii, vom îmbunătăţi într-un grad ridicat metodele computaţionale pe care le folosim şi de asemenea vom elabora altele noi, pe care le vom oferi comunităţii ştiinţifice internaţionale.
Este foarte important ca știința și tehnologia europeană să se deschidă pentru idei noi. În mod clar, in silico este nu numai cea mai sustenabilă opțiune din chimie, dar are tot potențialul de a fi și cea mai inteligentă și mai eficientă. Acest lucru a fost realizat, de exemplu, în „Materials Genome Iniţiative” din SUA deja cu un deceniu în urmă. Este timpul ca Europa săprindă din urmă acest trend. Crearea unui laborator de chimie precum cel gândit prin proiectul BioMat4CAST, cudouă dimensiuni complementare, virtuală șireală, lucrând împreună strâns conectateprin combinarea datelor existente accesibile, a inteligenței artificiale și a metodologiilor de modelare îmbunătățite ar oferi un model pentru a efectua cercetări chimice în toate domeniile, de la inginerie ecologică la medicină personalizată, folosind oportunitățile pe care datele genomului le pot oferi. În cele din urmă, știința devine rapid din ce în ce mai interdisciplinară, împrumutând modele și metode. Combinarea teoriei, modelării și a experimentelor va conduce la dezvoltarea cercetării și tehnologiei europene. BioMat4CAST va marca drumul către viitorul chimiei în felul său şi va inspira proiecte similare.

Dr. Marina Pinteală: Care sunt cele mai importante provocări cu care vă veţi confrunta la nivelul managementului ştiinţific al proiectului?
În linii mari, strategia științifică a proiectului BioMat4CAST se încadrează în planul științific managerial al Centrului de cercetări avansate în bionanoconjugate și biopolimeri (IntelCentru), elaborat în 2012 odată cu punerea sa în funcțiune. Bineînțeles că strategia de dezvoltare a suferit modificările impuse de progresul și tendințele în dezvoltarea științifică, dar prioritățile majore au rămas și am încercat să le atingem. Spre exemplu, o primă etapă a constituit-o formarea unei echipe interdisciplinare și sinergice (chimiști, biologi, medici, fizicieni, bioingineri) specializată în proiectarea, sinteza, caracterizarea fizico-chimică și biologică a sistemelor dedicate nanomedicinii. A doua etapă a fost preocuparea de a specializa membrii echipei și a dezvolta direcțiile de cercetare la un nivel european
Prin implementarea proiectului BioMat4CAST dorim atingerea unui obiectiv important al planului științific managerial și anume formarea unui grup specializat pe simulare moleculară dedicată biologiei moleculare. Cred că va fi un succes deoarece echipa va beneficia de expertiza unui specialist recunoscut pe plan internațional, prof. Aatto Laaksonen. De asemenea, prof. Laaksonen deja a demarat consultarea unor experți internaționali pentru a realiza o strategie coerentă pentru formarea unui grup specializat în simulare moleculară cu aplicabilitate în biologia moleculară. În același timp, grupul va beneficia și de expertiza unui grup suport înalt specializatîn proiectarea, sinteza, caracterizarea fizico-chimică și biologică pentru a valida rezultatele obținute în urma simulării in silico.

Cât de mult contribuie BioMat4CAST la sustenabilitatea IntelCentru şi la creşterea capacităţii de a dezvolta proiecte ştiinţifice de referinţă pe plan european şi internaţional?
Dr. Marina Pinteală: Proiectul BioMat4CAST va asigura formarea unor specialiști recunoscuți la nivel european prin calitatea publicațiilor, integrarea și recunoașterea în comunitatea academică internațională. Proiectul, pe lângă coordonarea științifică a unei personalități recunoscute internaţional, asigură și integrarea membrilor grupului în alte grupuri europene prin finațarea de stagii, training-uri efectuate de personalități europene în domeniu, participarea la manifestări științifice, posibilitatea membrilor echipei de a interacționa cu mediul privat și autoritățile locale și de a participa în alte rețele internaționale pentru atragere de fonduri extrabugetare. Sper că echipa nou formată, specializată în modelarea moleculară specifică biologiei moleculare, împreună cu echipa specializată în proiectare, sinteză și caracterizarea sistemelor dedicate nanomedicinei va reprezenta un pol de excelență în înțelegerea și crearea de sisteme viabile pentru tratarea sau investigarea unor boli cu impact la nivel național sau mondial.
Proiectul BioMat4CAST va continua cercetările iniţiate în cadrul proiectului ERA Chair precedent de către subgrupul de simulare, dar activitatea acestui subgrup va deveni de sine stătătoare şi va oferi suport întregului Institut prin introducerea unei metode de lucru cât se poate de modernă, atât la nivel naţional, cât şi internaţional
În acest context, direcţiile de cercetare ale proiectului BioMat4CAST sunt în concordanţă cu experienţa acumulată în perioada 2012-2022, iar dezvoltarea domeniului va beneficia și de suportul şi monitorizarea unor personalități științifice de prestigiu internațional, care şi-au exprimat dorința de a colabora activ cu echipa acestuia.

Cât de mult vă ajută în atingerea obiectivelor din BioMat4CAST experienţa câştigată în proiectele europene?
Dr. Teodora Rusu: Nu numai experienţa câştigată în proiectul SupraChem Lab reprezintă un atu, ci şi cea dobândită în alte proiecte în calitate de coordonator, cum ar fi Centrul Suport pentru proiecte Europene BioNanoTech. În cadrul proiectului s-a pus la punct structura și a fost redactată o bună parte din proiectul BioMat4CAST. Tot cu ajutorul centrului BioNanoTech a fost realizată partea de contractare şi organizare a Conferinţei de lansare a proiectului BioMat4CAST. Acesta este un proiect suport finanţat prin Fonduri Structurale în sinergie cu Programul Cadru european. Acest tip de proiecte au ca scop îmbunătăţirea participării României în cadrul programului Orizont 2020/Orizont Europa. În Centrul BioNanoTech s-a oferit consultanță pentru elaborarea mai multor tipuri de proiecte, o parte concretizându-se în proiecte depuse: 18 proiecte Orizont Europa şi 9 proiecte de alt tip (ex. COST, SEE, PNRR etc.). Suplimentar BioNanoTech oferă consultanță pentru managementul de proiect la 12 proiecte. Dintre proiectele depuse au fost câştigate mai multe, cele mai importante fiind cele de tip ERA Chair: Orizont 2020 ESEI-BioMed şi Orizont Europa BioMat4CAST. Ambele proiecte reprezintă un motiv de mândrie pentru echipa BioNanoTech.

Deşi aflat la început de drum, asigurareasustenabilitatatii proiectuluieste un indicator al reuşitei sale. Cum gândiţi deja această componentă vitală?
Dr. Teodora Rusu: Unul din cele mai importante elemente în implementarea cu succes a proiectului BioMat4CAST îl reprezintă asigurarea componentei de sustenabilitate. Conformplanului de lucru o strategie pentru asigurarea sustenabilităţii grupului urmează să fie elaborată în primele 15 luni de implementare ale proiectului şi această strategie va fi parte componentă a Planului Ştiinţific şi de Management al proiectului BioMat4CAST. În cadrul strategiei pentru sustenabilitate se va urmări stabilizarea membrilor noi angajaţi în cadrul unor poziţii definitive în cadrul ICMPP, precum şi poziţionarea grupului în structura științifică şi organizatorică a ICMPP.
Pentru elaborarea şi implementarea strategiei pentru sustenabilitate vor fi implicaţi toţi membrii echipei BioMat4CAST şi pentru aceasta se are în vedere organizarea de cursuri periodice pentru a asigura pregătirea membrilor echipei BioMat4CAST în scrierea de propuneri de proiecte, managementul de proiect şi căutarea de surse de finanţare.
O atenţie deosebită va fi acordată şi mediului economic deoarece, chiar dacă ideea de chimie computaţională se consideră ca fiind pur teoretică, totuşi implicarea chimiei computaţionale în relaţie cu mediul de afaceri poate conduce la rezultate spectaculoase în ceea ce înseamnă proiectarea proceselor chimice, obţinerea de produse cu proprietăţi controlate, etc. Un dialog dinamic cu mediul de afaceri va fi de altfel cât se poate de binevenit, pentru a identifica zonele în care echipa BioMat4CAST se poate implica.
O altă componentă de bază pentru a asigura sustenabilitatea echipei îl reprezintă şi aderarea echipei BioMat4CAST la diverse reţele de specialişti în chimie computaţională, atât la nivel naţional (unde de fapt se poate spune că se va încerca structurarea unei reţele de colaborare), cât şi la nivel internaţional. Acest ultim deziderat sper să se realizeze datorită viitoarei vizibilităţi internaţionale a grupului şi, bineînţeles, şi cu ajutorul prof. Laaksonen şi a celorlalți experţi internaţionali implicaţi în proiect.