Kaj imajo skupnega na vremenske ekstreme odporen krompir in jajčeca rib cebric

V ponedeljek so slovesno odprli novo stavbo Nacionalnega inštituta za biologijo. V Biotehnološkem stičišču je nameščena najsodobnejša raziskovalna oprema, ki bo omogočala temeljne in aplikativne raziskave na področju ved o življenju. Na strehi visokotehnološke stavbe sta raziskovalni čebelarij, v katerem bodo gojili čmrlje, in karantenski rastlinjak, za proučevanje rastlin v simulirano nadzorovanih razmerah.

Stavba je v krajinskem parku Tivoli, Rožnik in Šišenski hrib, zato so izvajalci del, skupina Kolektor Construction, po navodilu morali posebno pozornost nameniti temu, da se ne uničujejo ne mokrišča na zahodni strani ne japonske češnje, darilo japonske princese. Celotna investicija je vredna 36 milijonov evrov, od tega je 80 odstotkov kohezijskih sredstev, preostalo iz državnega proračuna. Gradnja tehnološko zahtevnega objekta je potekala intenzivno, saj se je začela julija 2021, končala pa že novembra lani.

Vedno moramo biti previdni, ko imamo v rokah napredne tehnologije

Krompir, odporen proti okoljskemu stresu

Prej so se raziskovalci stiskali v majhnih prostorih, laboratoriji so bili celo v montažnih objektih, v novih vrhunsko opremljenih pa bodo lahko še nadgradili bogato znanje o rastlinah in živalih. Med največje pridobitve na NIB štejejo karantenski rastlinjak, to je sestav karantenskih komor za proučevanje rastlin v simulirano nadzorovanih razmerah. »Ukvarjamo se predvsem s tem, kako različni stresni dejavniki vplivajo na rastline. Z našimi raziskavami želimo biti v podporo kmetijstvu, da bi razvili rastline, odporne proti suši, vročini, povodnji in drugim ekstremnim razmeram, ki so danes vse pogostejše. Prepričana sem, da smo na pravi poti,« o raziskovalnih področjih oddelka za biotehnologijo in sistemsko biologijo pravi dr. Darja Stanič.

Med drugim je naš cilj, da na podlagi analize podatkov, modeliranja in strojnega učenja izdelamo digitalni dvojček krompirja, pravi Darja Stanič.  FOTO: Blaž Samec  

V različnih komorah, po katerih nas popelje raziskovalka, so mlade rastlinice krompirja in trte. Nekatere rastline namerno okužijo in nato z vrhunsko laboratorijsko opremo spremljajo razvoj bolezni in to, kako se rastlina bori proti bolezni oziroma škodljivcem. V določene prostore seveda zunanji opazovalci ne morejo.

»Rastline gledamo karseda celovito – zbiramo podatke od celične ravni do podatkov, kako se rastlina obnaša na poljih. Pri krompirju preučujemo celo vrsto bolezni, od bakterijskih, virusnih do fitoplazemskih, pa tudi škodljivce, kot je koloradski hrošč. Rastline imajo svoj imunski sistem in med sortami iščemo tiste, ki so odporne, ne le proti boleznim, ampak tudi proti drugim stresnim dejavnikom,« razlaga dr. Stanič. S posebnim instrumentom, v katerem je več spektralnih kamer, lahko natančno vidijo, katere dele rastline je bolezen napadla.

Kako pridelati hrano za naraščajoče število ljudi v spreminjajočem se okolju, je eden največjih izzivov modernega časa. »Sodelujemo v evropskem projektu Adapt, ki se osredotoča na rastline in njihov odziv na abiotske stresne dejavnike. Med drugim je naš cilj, da na podlagi analize podatkov, modeliranja in strojnega učenja izdelamo digitalni dvojček krompirja. Na njem bi lahko naredili različne modelske napovedi, ki bi jih nato preizkusili v praksi.«

Okužene rastline na koncu raziskav uničijo. FOTO: Blaž Samec

Nacionalni inštitut za biologijo je med drugim evropski referenčni laboratorij za povzročitelje bolezni rastlin in nacionalni referenčni laboratorij za določanje gensko spremenjenih organizmov v hrani in krmi. »Tako se veliko ukvarjamo z diagnostiko. Smo med najboljšimi laboratoriji v Evropi,« poudarja dr. Darja Stanič, namestnica vodje oddelka za biotehnologijo in sistemsko biologijo.

»Vseskozi tudi raziskujemo odnos med rastlino, škodljivcem in okoljem. Kako se denimo virus obnaša, ko je enkrat v okolju, kako je, če zaide v vodo. Vse bolj pereče vprašanje je voda. Poleti je pogosto primanjkuje, iščejo se načini za njeno ponovno uporabo. Ali je denimo voda, ki jo očistijo s čistilno napravo, dobra za zalivanje, ali so v njej še infektivni virusi,« našteva nekatera raziskovalna vprašanja in dodaja: »Z vsem tem se ukvarjamo že leta, ampak zdaj, v novi stavbi, imamo bistveno več kapacitet, več komor za gojenje rastlin, za zbirke, vzorce in druge nove kose opreme, s katerimi lahko rešimo še kakšno raziskovalno vprašanje več.«

Ko teče beseda o virusih in se sprehodiva mimo laboratorija »varnostnega razreda dve«, je umestno tudi vprašanje, kako poskrbijo, da ti virusi ne pobegnejo. »Prvič, imamo posebne sisteme prezračevanja in podtlakov, ki to preprečujejo. Skozi ustanovo potujejo potencialno okuženi vzorci enosmerno po določeni poti in na koncu jih uničimo. In drugič, s temi rastlinami ravnajo le usposobljeni ljudje. Veliko damo na izobraževanje,« poudarja. »V novi stavbi smo dobili možnost, da so prostori, v katerih potekajo raziskave, in prostori, kjer izvajamo diagnostiko, fizično ločeni,« še pravi dr. Darja Stanič.

Raziskovalke in raziskovalci imajo v novih prostorih bistveno boljše pogoje za delo. FOTO: Blaž Samec

Raziskave raka

Po prostorih oddelka za genetsko toksikologijo in biologijo raka se sprehodimo z izr. prof. dr. Bojano Žegura, vodjo oddelka. »Imamo štiri glavna delovna področja. Na področju ekotoksikologije preučujemo vplive onesnaženja na okolje, s poudarkom na algah in cianobakterijah. Med drugim razvijamo nove metode zaznavanja organizmov na podlagi okoljske DNK. Spremljamo, ali so cianobakterije, ki lahko proizvajajo strupe, prisotne v okolju in kako ti strupi vplivajo na zdravje človeka. Na področju genetske toksikologije preučujemo, kako kemikalije, naravni strupi, nanomateriali oziroma nanodelci ter kompleksne zmesi, ki smo jim vsakodnevno izpostavljeni, vplivajo tako na zdravje človeka kot na okolje in organizme, ki v njem živijo. Predvsem nas zanima, ali našteti stresorji povzročajo poškodbe DNK. Tretje delovno področje je biologija raka. Raziskujemo procese, ki potekajo v rakavem tkivu, poudarek je na glioblastomu, najpogostejšem primarnem malignem tumorju možganov. Ta je med najbolj agresivnimi možganskimi tumorji, prognoza preživetja je manj kot leto dni, ustreznega zdravila pa še ni. Četrta delovna enota se ukvarja z imunologijo in celično imunoterapijo, tu razvijajo nove postopke, kot je celična terapija CAR-T, in podobno,« našteva dr. Žegura.

V raziskavah uporabljamo tudi ribe cebrice, bolje rečeno, njihove zarodke, kar pomeni, da se odmikamo od klasičnih poskusov na živalih, poudarja Bojana Žegura. FOTO: Blaž Samec  

»Raziskave večinoma potekajo na dvodimenzionalnih celičnih kulturah, to je zelo razširjen in tradicionalen metodološki pristop. V raziskavah pa uporabljamo tudi ribe cebrice, bolje rečeno, njihove zarodke, kar pomeni, da se odmikamo od klasičnih poskusov na živalih. Do določene starosti zarodki, ki se še prehranjujejo s hranili iz rumenjakove vrečke, ne štejejo kot živali. Prizadevamo si razviti metode, alternativne poskusom na živalih, za testiranje kemikalij, zdravil in drugih snovi. Tako razvijamo tridimenzionalne celične kulture, ki jim pravimo sferoidi oziroma organoidi. Te lahko pridobimo iz matičnih celic ali primarnega tkiva. Tridimenzionalne celične kulture imajo veliko boljše lastnosti kot tradicionalne dvodimenzionalne, ker so v obliki, ki bolje posnema tkiva – torej so v treh dimenzijah. Tkivo namreč ni ravna plast celic. Tako pridobivamo bistveno boljše in za človeka relevantnejše rezultate. Tovrstne raziskave izvajamo v evropskem projektu CutCancer, ki ga na oddelku tudi koordiniramo.«

Miši, ki rešujejo naša življenja

Njihovi laboratoriji imajo ponavadi osrednji del, ki se nato deli na manjše laboratorijske prostore. »V prejšnjih prostorih, v stari stavbi, smo imeli strogo določene urnike, koliko časa imamo odmerjenega za posamezen poskus, zdaj je vse bistveno lažje. V novih, modernih laboratorijih, kjer je veliko več prostora, lahko več ljudi hkrati opravlja raziskave. Na oddelku gostimo lepo število doktorskih študentov, ne samo iz Slovenije, temveč tudi iz tujine, ki imajo zdaj boljše raziskovalne razmere, med drugim vrhunsko raziskovalno opremo,« poudarja sogovornica.

Bioreaktorski sistem Clinostar, v katerem gojijo sferoide oziroma organoide. FOTO: Blaž Samec

Stopimo do unikatnega bioreaktorskega sistema Clinostar. »Tukaj vidimo bioreaktorje, v katerih gojimo sferoide oziroma organoide. Bioreaktorji se ves čas vrtijo, kar pomeni, da imajo 3D celične kulture zaradi konstantnih dinamičnih pogojev ves čas boljši dovod hranil in plinov, zato je v takšnih kulturah manj mrtvih celic. Ta edinstveni bioreaktorski sistem nam omogoča, da izboljšane 3D celične kulture gojimo tudi več tednov, celo mesecev. S tem lahko spremljamo dolgotrajne učinke izpostavitev proučevanih kemikalij. Ljudje in drugi organizmi smo lahko vsakodnevno s prehrano, okoljem, v katerem živimo, dolgo časa izpostavljeni nizkim koncentracijam določenih škodljivih snovi, kar lahko vodi v bolezenska stanja, ki se pravzaprav izrazijo šele mnogo let po izpostavitvi. Na primer, rakava obolenja se izrazijo z zakasnitvijo. Bioreaktorji nam zdaj pomagajo razumeti, kakšne poškodbe dednega materiala nastanejo ob dolgotrajnejši izpostavitvi določenim kemikalijam, nanodelcem, ter kakšni procesi se v takšnih pogojih odvijajo v celicah,« razlaga dr. Bojana Žegura in kaže en teden stare drobne pikice, vsaka izmed njih je sferoid. »Na sferoidih, ki smo jih izpostavili proučevanim kemikalijam – imamo tudi kontrolne vzorce, sferoide, ki niso izpostavljeni kemikalijam, in pozitivne kontrolne vzorce, to so sferoidi, izpostavljeni kemikalijam z znanim mehanizmom delovanja – po določenem času opazujemo, kakšne poškodbe kemikalija povzroči na DNK, poskušamo odgovoriti na vprašanje, ali kemikalije povzročajo oksidativni stres, ali se je zgodila celična smrt, kakšen je bil vpliv na izražanje tarčnih genov oziroma proteinov in razne druge procese, ki potekajo v celicah,« razlaga raziskovalka, medtem ko nam kaže različne napredne mikroskope, skozi katere kukajo v našim očem neviden svet.

Na NIB gostijo tudi večje število slovenskih in tujih študentov na različnih stopnjah izobraževanja. FOTO: Blaž Samec

»Seveda pa celice niso človek. V laboratorijih so pogoji vnaprej določeni, v naravi stvari delujejo drugače. Vseeno pa so naši rezultati uporabni za razlago, kako kemikalije delujejo, in predstavljajo neke vrste napoved možnih tveganja za zdravje človeka,« je jasna vodja oddelka za genetsko toksikologijo in biologija raka.

V čebelariju bodo gojili čmrlje

Človek je del narave, ki pa jo lahko varujemo le, če jo dobro poznamo. »Na oddelku za raziskave organizmov in ekosistemov raziskujemo biologijo in ekologijo organizmom. Večinoma preučujemo različne živalske vrste, od majhnih hroščev, pajkov, sladkovodnih rakov, dvoživk, rib, plazilcev do ptic. Razumeti skušamo, kakšne so njihove vloge v ekosistemih. Vsaka vrsta ima svojo vlogo v naravi, nekatere so očitne, druge so lahko tudi spregledane, v resnici pa so za dobro delovanje ekosistema zelo pomembne. Vse to ima zelo pomemben vpliv na ljudi,« poudarja dr. David Stanković, namestnik vodje oddelka.

Vsaka vrsta ima svojo vlogo v naravi, nekatere so očitne, druge so lahko tudi spregledane, v resnici pa so za dobro delovanje ekosistema zelo pomembne, pravi David Stanković.  FOTO: Blaž Samec  

Zdrav ekosistem je ta, ki je poln različnih vrst. Zdaj ko vrste izginjajo, so ekosistemi vse bolj krhki in občutljivi, s tem pa izgubljajo ekosistemske storitve. Zelo pomembne storitve opravljajo opraševalci. To niso le domače čebele, ampak tudi čebele samotarke, metulji, čmrlji, hrošči in še mnoge druge žuželke. »Raziskujemo pestrost in pomen opraševalcev, predvsem za kmetijstvo. Veliko raziskav poteka na terenu, kjer naberemo vzorce, tu pa jih nato določamo s pomočjo mikroskopov. V Sloveniji je namreč več kot 500 vrst čebel,« pravi dr. Danilo Bevk.

Pri nas živi več kot petsto različnih divjih opraševalcev. FOTO: Blaž Samec  

Del laboratorija je namenjen gojenju čmrljev, ti bodo našli prostor tudi v novem čebelariju na strehi stavbe. »V posebni komori bomo matice čmrljev stimulirali, da bodo zasnovale družine, ki jih bomo nato opazovali. V zidu je šest lukenj, tako da bodo čmrlji gnezdili v laboratoriju in nemoteno letali ven na pašo. Podobno bo v čebelariju, kjer bomo namestili več različnih senzorjev, s katerimi bomo lahko opazovali njihovo aktivnost,« razlaga dr. Bevk in dodaja, da »na čmrlje in druge divje opraševalce pogosto pozabljamo. O medonosnih čebelah vemo že veliko, o čmrljih bistveno manj, tako da je raziskovalnih vprašanj še veliko.«

Z naravo se kompromisov sklepati ne da

Spregledana je še marsikatera druga vrsta. Dr. David Stanković: »V samočistilnih procesih v ekosistemih sodelujejo številni organizmi, od mikroorganizmov do malo večjih živali, kot so raki, hrošči. Kar nekaj naših raziskovalcev se posveča hroščem. Ti imajo pomembno vlogo pri dekompoziciji in pri kroženju snovi. Preučujemo pa tudi živali na višjih trofičnih nivojih, na primer plenilce. Preučujemo sove, kuščarice, ribe … Ti imajo kontrolno vlogo. Sove denimo uravnavajo populacije miši, kuščarice žuželk, tudi škodljivcev.«

Raziskovalke in raziskovalci na NIB med drugim preučujejo, kako se različne žuželke sporazumevajo s produkcijo, razširjanjem in zaznavanjem vibracij in kako z vonjavami – kako z občutljivimi čutnimi celicami prek vonjav najdejo hrano in kako samico.

Z najrazličnejšimi metodami tako spremljajo upadanje populacij najrazličnejših vrst. Smo v obdobju šestega velikega izumiranja. »Velik del naših raziskav je zato usmerjenih v to, kako bi lažje, bolj učinkovito, hitreje spremljali, kaj se dogaja v naravi, in da bi ji tako lahko tudi pomagali,« sklene dr. Stanković.