Przełomowe badania z użyciem światła. W tle Nobel z medycyny 2026

Co dzieje się z materiałami, które posiadając zdolność pochłaniania światła, mogą pośredniczyć w oddziaływaniu na komórki i tkanki, odkrył zespół naukowców, który współtworzyła dr hab. Renata Rybakiewicz-Sekita, prof. ucz. z Wydziału Matematyczno-Przyrodniczego UKSW.

Innego, choć powiązanego z nim zagadnienia dotyczyły badania, za które w 2026 r. została przyznana Nagroda Nobla z medycyny. Odkrycia badaczy umożliwiły rozwój optogenetyki, czyli metody sterowania aktywnością komórek za pomocą światła. Światło bowiem pozwala naukowcom nie tylko obserwować komórki, lecz także wpływać na ich aktywność, w tym na funkcjonowanie komórek nerwowych.

Światło znajduje zastosowanie

Karl Deisseroth, Peter Hegemann i Georg Nagel otrzymali tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny za odkrycia dotyczące kanałów jonowych aktywowanych światłem i rozwój optogenetyki. Metoda ta umożliwia precyzyjne pobudzanie lub hamowanie aktywności wybranych komórek nerwowych za pomocą światła. Dzięki temu naukowcy mogą lepiej poznawać funkcjonowanie mózgu i całego układu nerwowego.

Od optogenetyki po fotostymulacje – światło znajduje coraz szersze zastosowanie w neuronauce i bioelektronice. Są to jednak różne podejścia. Optogenetyka wykorzystuje światłoczułe białka w komórkach, natomiast w badaniach nad półprzewodnikami organicznymi ważną rolę odgrywa materiał, który pochłania światło i może pośredniczyć w oddziaływaniu na tkanki. W obu przypadkach istotne jest zrozumienie mechanizmów wywoływania odpowiedzi biologicznej. W przypadku materiałów organicznych trzeba dodatkowo zbadać, jak zmieniają się podczas naświetlania.

Światło powoduje degradację

I właśnie tym zagadnieniem zajął się zespół naukowców, w skład którego weszli dr hab. Renata Rybakiewicz-Sekita, prof. ucz., mgr inż. Roman Gańczarczyk oraz prof. Eryk D. Głowacki z CEITEC w Brnie Zbadali oni poli(3-heksylotiofen), znany jako P3HT – polimer o właściwościach półprzewodnika organicznego, czyli materiału, który w określonych warunkach może przewodzić prąd elektryczny.

P3HT pochłania światło widzialne i należy do materiałów badanych w bioelektronice – dziedzinie łączącej elektronikę z układami biologicznymi, m.in. pod kątem fotostymulacji, czyli wywoływania odpowiedzi komórek lub tkanek za pomocą światła. Przykładem są badania nad wykorzystaniem tego materiału do oddziaływania na komórki nerwowe i siatkówkę oka.

W eksperymentach P3HT może występować w postaci cienkich warstw nanoszonych na podłoże lub nanocząstek, czyli cząstek o skali nanometrycznej. Zespół zbadał, jak materiał zachowuje się podczas naświetlania w środowisku wodnym i w obecności tlenu.

Naukowcy wykazali, że podczas naświetlania P3HT powstają reaktywne formy tlenu, czyli indywidua chemiczne zawierające tlen, które ze względu na swoją reaktywność mogą wpływać na procesy zachodzące w komórkach. Jedną z nich jest nadtlenek wodoru – związek znany m.in. jako składnik wody utlenionej. Jednocześnie sam P3HT ulega nieodwracalnemu utlenianiu i stopniowej degradacji.

To zasadnicza różnica. W badanych warunkach P3HT nie działa bowiem jak klasyczny fotokatalizator, czyli materiał, który pod wpływem światła przyspiesza reakcje chemiczne, sam nie ulegając przy tym trwałemu zużyciu. P3HT ulega natomiast autooksydacji. Oznacza to, że podczas reakcji z udziałem tlenu sam się utlenia i stopniowo traci swoje właściwości. Powstawanie reaktywnych form tlenu jest więc związane ze zużywaniem materiału, a nie z jego niezmiennym, wielokrotnym działaniem jako katalizatora.

Badania pokazały również, że światło o wyższej energii fotonów, a więc krótszej długości fali, przyspiesza w badanych warunkach zarówno wytwarzanie nadtlenku wodoru, jak i degradację P3HT.

Światło wpływa na komórki

W badaniach nad materiałami przeznaczonymi do fotostymulacji nie wystarczy ustalić, czy pod wpływem światła można uzyskać oczekiwany efekt biologiczny, np. zmianę aktywności komórek nerwowych. Równie ważne jest określenie, czy materiał zachowuje swoje właściwości podczas wielokrotnego naświetlania i jakie produkty reakcji powstają w jego otoczeniu. Wyniki zespołu pozwalają zatem lepiej oceniać możliwości i ograniczenia P3HT w zastosowaniach bioelektronicznych.

– Jeżeli chcemy wykorzystywać półprzewodniki organiczne w kontakcie z komórkami i tkankami, musimy wiedzieć nie tylko, czy dają oczekiwany efekt, lecz także co dzieje się z samym materiałem podczas naświetlania. Poznanie tych przemian pozwala lepiej ocenić jego ograniczenia i projektować materiały, które dłużej zachowują swoje właściwości – podkreśla prof. UKSW dr hab. Renata Rybakiewicz-Sekita.

Światło ma potencjał

Odkrycie mechanizmu przemian P3HT pokazuje, jak ważne jest poznanie właściwości materiałów wykorzystywanych w technologiach oddziałujących światłem na układy biologiczne. Nie chodzi wyłącznie o to, czy materiał umożliwia uzyskanie pożądanej odpowiedzi komórek, ale również o jego trwałość i przemiany chemiczne zachodzące podczas naświetlania. Wiedza ta ma istotne znaczenie dla dalszego rozwoju fotostymulacji i bioelektroniki.

– Tegoroczny Nobel pokazuje, jak ogromny potencjał ma wykorzystanie światła do badania i kontrolowania procesów biologicznych. W przypadku materiałów organicznych równie ważne jest jednak zrozumienie, jakie przemiany zachodzą w nich podczas wzbudzania światłem. Jeżeli materiał ma być wielokrotnie naświetlany i wykorzystywany w środowisku biologicznym, jego stabilność chemiczna staje się jednym z kluczowych parametrów – mówi mgr inż. Roman Gańczarczyk.

Wyniki badań opublikowano w 2026 roku w czasopiśmie Chemistry – A European Journal w artykule „Photoinduced ROS Production by Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) is due to Autoxidation Rather Than Catalysis”, którego autorami są Roman Gańczarczyk, Renata Rybakiewicz-Sekita i Eryk D. Głowacki. DOI: 10.1002/chem.71488.

Badania były współfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektów PRELUDIUM 2024/53/N/ST5/02771 oraz SONATA 2024/55/D/ST5/02837.