Članek v Nature odpravlja nestabilnosti v tekočinah z uporabo plazme

Ljubljana, 6. april 2021 – Raziskovalcem Instituta »Jožef Stefan« je uspel izreden uspeh, saj so v najprestižnejših znanstvenih revijah na svetu, Nature in Science, objavili rezultate v razmaku dveh dni. Prof. dr. Uroš Cvelbar skupaj s sodelavci iz Koreje v reviji Nature poroča o presenetljivem odkritju, da je mogoče nestabilnosti v tekočinah odpraviti z razelektritvijo toka plina oz. uporabo plazme, prof. dr. Dušan Turk pa skupaj z domačimi in tujimi sodelavci v reviji Science predstavlja študijo, ki vzbuja upanje v boju proti SARS-CoV-2. Objavi sta že deležni velike pozornosti svetovne javnosti.

Institut “Jožef Stefan” je v zadnjih desetih letih v revijah Nature in Science objavil 11 člankov, kar je v povprečju enega na leto, zato je objava dveh člankov v razmaku dveh dni izreden uspeh. Članek o plazmi v reviji Nature je prebralo že več kot 1300 raziskovalcev, omenjajo ga v blogih in na socialnih omrežjih.  Zaradi aktualnosti teme je članek v Science še bolj odmeven.

Članek v Nature odpravlja nestabilnosti v tekočinah z uporabo plazme
V reviji Nature je prof. dr. Uroš Cvelbar, vodja Odseka za plinsko elektroniko skupaj s sodelavci iz Koreje objavil članek  "Stabilisation of liquid instabilities by ionised gas jet - Stabilizacija tekočinskih nestabilnosti z ioniziranim curkom plina«. 

Ste se kdaj vprašali, kako bi bilo, če bi nenadoma pihnili skozi slamico v kozarec soka ali skočili v bazen, pa ne bi prišlo do značilnega brizganja ali tako imenovanega »špricanja« tekočine? Pljuski so ena od nestabilnosti, ki je značilna za mehaniko tekočin in zagotavljajo fascinantno raznolikost zaporednih fotografij tekoče površine in nastajanje kapljic med udarcem. Vrste brizganja se razlikujejo glede na lastnosti tekočine ali medsebojno delujočega vira, ki je lahko bodisi objekt v trdnem stanju (npr. kamen), druga tekočina (npr. kapljica iste tekočine) ali plin (npr. veter). Pljuski nastanejo na podlagi površinskih razmer in drugih nestabilnosti tekočine zaradi različnih mehanizmov. Ena takih nestabilnosti so tudi valovi na vodni gladini, ki so posledica tako imenovane Kelvin-Helmholzove nestabilnosti, ki jo ustvari veter. Z razelektritvijo vetra pa valov na površini na primer zaradi pihanja ne bi bilo več.  Širše so podobne nestabilnosti vidne tudi v atmosferah planetov in lun, kot npr. formiranje oblakov na zemlji, rdeča pega na Jupitru ipd. Zato bo to odkritje pomagalo tudi k razumevanju o nastanku in obnašanju šibko-ionizirah atmosfer planetov. 

V mednarodni ekipi so svoje znanje in kompetence združili raziskovalci KFE (Institute of Plasma Technology, Korean Institute of Fusion Energy), KAIST in Instituta “Jožef Stefan”, vodili so jo Sanghoo Park, Wonho Choe in Uroš Cvelbar. Gre za nadaljevanje skupnih raziskav, ki so se pričele v okviru bilateralnega sodelovanja ARRS s Korejo in nadaljevala skozi leta. Predhodno so že skupaj razvozlali nastanek električnega vetra zaradi sklopitve nabitih delcev z nevtralnimi, ki je povzročilo elektrohidrodinamsko silo. Te ugotovitve so pred dvema letoma že objavili v reviji Nature Communications. Tokrat pa so ugotovili, da lahko podoben pojav uporabijo za stabilizacijo nestabilnosti tekočine. Torej z uporabo plazme, ki nastaja nad tekočino pri določenih pogojih in katere lastnosti lahko vplivajo na obnašanje medfaze plin-tekočina, kar vodi do nevtralizacije tekočinskih pojavov kot je oscilacijsko gibanje, ipd.

Za upodobitev hidrodinamičnih nestabilnosti v tekočini so raziskovalci uporabili manjšo posodo, v katero so natočili deionizirano vodo in opazovali obnašanje tekočine pri udarnem curku plina in ko je bil ta plin ioniziran. Študija je bila izvedena na vodni votlini, ki jo ustvarja curek plina na vodno površino, ki je prikazoval nihajna gibanja, vrtince, mehurčke in brizge. Nenadoma, ko je bil plin ioniziran z vklopom plazemske razelektritve, so se te nestabilnosti končale. Ugotovili so, da je mogoče te stabilizacije pripisati ustvarjeni elektrohidrodinamični sili s strogim znanstvenim proučevanjem kritičnih parametrov in zapletenim modeliranjem.

Ugotovitve raziskave bi lahko izboljšale industrijske procese
Ustreznost te študije ponuja nov vpogled v do sedaj neznane fizikalne procese in medsebojne odvisnosti šibko ioniziranih plinov, običajno znanih kot hladna plazma, in deformabilnih dielektričnih materialov, kamor spadajo tudi plazemsko-tekoči sistemi. Ugotovitve raziskave pa bi lahko pomagale izboljšati številne industrijske procese, ki vključujejo curke plinov, kot so npr. postopki pri izdelavi jekla, reaktivni pogonski sistemi, reaktivne črpalke itd. Z uporabo tega koncepta bo možno tako kontrolirati nekatere procese v tekočinah, ki izhajajo iz nestabilnosti in so nezaželeni.

Članek v Science o substancah, pomembnih za razvoj zdravila proti SARS-CoV-2
V reviji Science je prof. dr. Dušan Turk skupaj s sodelavci Odseka za biokemijo, molekularno in strukturno biologijo Instituta »Jožef Stefan« ter tujimi kolegi objavil članek "X-ray screening identifies active site and allosteric inhibitors of SARS-CoV-2 main protease« - Presejalni test z rentgensko difrakcijo na kristalih glavne proteaze razkril zaviralce virusa  SARS-CoV-2«.

Nalezljiva bolezen, poznana pod kratico COVID-19, je izjemno breme za današnjo družbo. SARS-CoV-2 virus je za človeštvo nov patogeni organizem, na katerega imunski sistem ne najde vedno pravega odziva in lahko vodi v huda bolezenska stanja, ki se v določenem deležu končajo s smrtnim izidom. Cepljenje prebivalstva je v teku, vendar proizvodne kapacitete ne zadoščajo, da bi precepili prebivalstvo, še preden se bo virus spremenil do te mere, da bo potrebno narediti nova cepiva. Dodatno otežuje situacijo spomin imunskega sistema, ki v tem primeru ohrani zaščito pred virusom le krajši čas.

Zaradi tega je smiselno iskati zdravila, to so učinkovine, ki bi lahko olajšale potek bolezni oziroma pozdravila obolele. Ustreznost te študije ponuja nov vpogled v do sedaj neznane fizikalne procese in medsebojne odvisnosti šibko ioniziranih plinov, Razviti nova zdravila je večinoma dolgotrajen proces, zato je smiselno izhajati iz obstoječih učinkovin, ki so že v uporabi oziroma so bile vsaj deloma klinično preizkušene. Zdravila delujejo na molekularne tarče. Ker imajo virusi relativno majhen genom, skrajni domet  današnje stopnje razvoja znanosti in tehnologij omogoča presejati posamezne virusne proteine. Le-ti nastanejo, potem ko se SARS-CoV-2 genom v obliki RNK v celici gostitelja iz branih okvirjev prevede v aminokislinska zaporedja. Po cepitvi s proteazo teh peptidov nastanejo proteini, ki omogočijo nastanek novih virusnih delcev. Zato je najbolj izpostavljena in raziskana tarča virusnega proteina glavna proteaza, imenovana Mpro. Mpro je cisteinska proteaza. Zaviranje, to je inhibicija tega proteolitičnega encima, lahko tako prepreči nastajanje novih virusov in s tem ustavi bolezen.

Vzpostavitev mednarodnega konzorcija
Ob nastopu epidemije marca lani se je vzpostavil mednarodni konzorcij 30-tih institucij (večinoma nemških ob sodelavi evropskih, britanske in slovenskih institucij) pod vodstvom DESY (Deutsche Elektronen Synchrotron) in Univerze v Hamburgu. Konzorcij je zastavil masovni presejalni test potencialnih zaviralcev delovanja Mpro-ja na osnovi 5.953 substanc iz dveh knjižnic učinkovin za ponovno uporabo. Te substance se je nato ko-kristaliziralo z Mpro-jem oziroma se je z njimi namočilo kristale Mpro-ja.

Približno polovica substanc je omogočila snemanje difrakcijskih podatkov, 43 je bilo izdvojenih za nadaljnjo analizo, ki je vodila do 29. struktur kompleksov. Večina, to je 16 substanc se je vezala v aktivno mesto encima, preostanek pa na druga vezavna mesta. Ta so še posebej zanimiva, ker gre za tako imenovana alosterična mesta, ki posredno delujejo na aktivnost encima in zato ne delujejo na podobne cisteinske proteaze gostitelja. Tako izbrane substance se je naneslo na kulture celic, okužene z virusom SARS-CoV-2; enajst med njimi se je izkazalo za uspešne zaviralce virusa. 

V članku izpostavljene substance je smiselno testirati na njihove učinke za blaženje bolezni, njihova struktura pa lahko služi kot izhodiščna substanca v postopkih optimizacije, ki bodo lahko privedle do učinkovin, ki bodo ustavile delovanje molekul MPro-ja v pacientih. Članek vzbuja upanje, da smo stopili velik korak bližje k zdravilu za COVID-19.

Opis fotografije: Dušan Turk (levo) in Uroš Cvelbar (desno)

Povezavi do članka: NATURE / SCIENCE