Ранее на Хабре мы обсудили тему молодежной робототехники и междисциплинарный подход к развитию в этой области. Сегодня сфокусируемся на несколько ином направлении и поделимся нашей беседой с Екатериной Скорб, директором центра инфохимии Университета ИТМО, приглашенным профессором в Гарварде и групп-лидером в институте Макса Планка.

Послушать беседу: Apple Podcasts · Яндекс.Музыка · Podfm · Аудиоверсия на YouTube.

Какими могут быть разработки в этой области

Таймкод — 00:24

Екатерина: Мы занимаемся новым направлением — междисциплинарной инфохимией. Эта область затрагивает все, что связано с кодированием, хранением и обработкой информации на молекулярном уровне. Когда в таком контексте звучит слово «информация», вы понимаете, что химик должен находится там, где понимают, что такое теория информации, поэтому я работаю в Университете ИТМО. Здесь в какой-то момент проявили интерес к естественно-научному направлению, а потом интегрировали его с инженерной и математической базой.

В нашем центре химики предлагают новые подходы к решению сложных проблем — занимаются информацией в самоорганизующихся системах, изучают их синтетические аналоги и проводят фундаментальные исследования в этой области. Одно из направлений — осциллирующие реакции и электрохимические системы. С ними удобно работать. Мы смотрим, как их запускать синхронно и настраивать систему так, чтобы получить «порядок из хаоса».

Дмитрий: Как я понимаю, такие исследования пригодятся в целом спектре отраслей — от хранения данных до разработки новых вычислительных систем и медицинских гаджетов?

Екатерина: Если мы перейдем к управлению на молекулярном уровне, применение будет очень широким. Мы надеемся, что сможем продвинуться в этом направлении. Пока работаем с биологическими системами — ищем те, на основе которых можем предложить предсказательные модели и новые подходы — например, занимаемся разными типами биопленок.

Когда возникла проблема бактерий, устойчивых к антибиотикам, ученые начали разбираться, как они живут и коммуницируют. Выяснилось, что они делают это с помощью небольших молекул — передают друг другу сигналы, запускающие процесс размножения, как только попадают в благоприятные условия. Мы можем взять подобную систему в качестве модели — допустим, запускать автокаталитическое размножение схожим образом, потом выделять такие молекулы [либо ингибиторы] периодически.

Так можно найти различные подходы для отправки «сигналов» биологическим системам. Но хорошо бы вообще делать большую часть всего этого математически. Тут можно вспомнить Алана Тьюринга и его работу по химическим основам морфогенеза, которую любят биологи.

Поэтому сейчас мы разбираемся с этой темой с точки зрения теории информации, чтобы понять, сможем ли мы управлять и использовать такие системы для вычислений. Подобные исследования возможны только в связке с людьми, которые специализируются на данных областях знаний.

Проектирование для потребителя

Таймкод — 05:31

Дмитрий: Вы работаете с темой на фундаментальном уровне, чтобы объяснить, как добиться такого эффекта и воспроизводить его?

Екатерина: Я иногда говорю, что мы собираем биологические и химические системы, которые работают так же хорошо, как системы транзисторов. Например, мы делаем локальные градиенты и посылаем локальные сигналы, а потом смотрим, как происходит синхронизация в нашей химической и биологической системе, описываем математические зависимости. Какие-то процессы запускаем не на одном электроде, а одновременно — на 25-30 электродах. Находим состояния и режимы, когда несинхронные процессы приводят к синхронизации в системе.

Если говорить простыми словами, то настраиваем все так, чтобы можно было использовать такую химико-биологическую систему в потребительском сегменте. Допустим, в диагностике.

Дмитрий: Наклейка на кожу, которая будет показывать результат определенных измерений?

Екатерина: Или будет мониторить концентрацию натрия и калия, которая связана с обменом веществ, а вы — будете понимать, все ли в порядке. Пока мы пытаемся выявить некие корреляции. Один из последних примеров показал, что у людей в арабских странах содержание меди ниже среднего. Возможно, это связано с рационом. Но если вы измеряете не только медь, но и цинк, кальций, магний, натрий и делаете это постоянно в формате носимого устройства, анализ с помощью систем ИИ позволит выявить закономерности и специфику целевых групп. Например, признаки определенных заболеваний или спортивных тренировок. От этих выводов можно отталкиваться для разработки тренировочных программ и стратегий лечения пациентов.

Дмитрий: Такой подход упростит и сам процесс сбора данных.

Екатерина: Да, мы работаем над этим. С коллегами мы занялись не только проектированием химических сенсоров, но и функциональных приборов — сделали прототип портативного потенциостата. Далее его можно миниатюризировать, переводить в гибкие форматы.

Кто еще занимается такими задачами

Таймкод — 12:33

Дмитрий: Получается, у вас в комплексе теоретические и практические разработки?

Екатерина: Да. Как раз для этого и поддержали наш центр инфохимии. Теперь это не только моя группа, которая занимается фундаментальными проблемами. Есть весьма прикладные — цифровизация пищевых технологий, разработка и внедрение портативных устройств и другие.

Дмитрий: Уже идет работа над продуктом.

Екатерина: Да. Тут еще важно, что все это очень понятно для магистров и аспирантов. Они сами проявляют инициативу и подают заявки на гранты. Основное финансирование — РНФ и РФФИ, но я надеюсь, что в какой-то момент будет поддержка и от меценатов, которых заинтересуют амбициозные задачи, и они начнут инвестировать в исследовательскую деятельность.

Здесь я чуть больше двух лет. До этого долго работала в институте Макса Планка, где у меня была научная группа. Еще — в Гарварде, у самого цитируемого химика современности Джорджа Уайтсайдса. Занималась фундаментальным направлением, таким как возникновение жизни на Земле. Эту работу поддерживал фонд Саймонса.

Будет отлично, если у нас появятся похожие примеры. Допустим, инвесторы заинтересуются разработкой искусственной клетки и самовоспроизводящихся систем.

Такие задачи можно решать только с помощью усилий междисциплинарных групп. Как только нам вместе удается выявить зависимости и построить предсказательные модели для сложных систем, мы их подтверждаем и запускаем дальнейшие разработки.

Дмитрий: Расскажите, пожалуйста, подробнее о центре, различиях специалистов по профилю и о том, как вы вовлекаете младших коллег в свою деятельность.

Екатерина: Наша группа выросла из химико-биологического кластера — там есть две образовательные программы. Мы пропагандируем подход, который условно можно назвать «образованием через науку». У ребят есть серьезные исследования, каждый ведет свой проект и отвечает за него. Магистры — это основа, но есть и аспиранты, и постдоки.

Тем, кто хотел бы присоединиться к одной из групп

Таймкод — 15:36

Я готова работать с любым человеком, кому интересна инфохимия. Задачи найдем. Мы ждем хороших химиков и математиков, если у них есть интерес к междисциплинарной работе. На текущий момент коллектив вырос до нескольких независимых групп. Два моих постдока получили свои РНФ-гранты на запуск научных групп. Потом выделилась еще пара групп — химометрики и биомиметики. Сейчас все они оформились в научных центр инфохимии.

Еще у нас появилась группа вычислительной химии. Она помогает транслировать студентам многие вопросы, которые невозможно решить с моделями. Все, что в водных растворах; выпадение осадка; изменения системы в процессе адаптации. Можно говорить и о разработке «самозалечивающихся» материалов и о том, как собрать имплантаты внутри живых организмов.

Взаимодействие с медиками привело к тому, что мы запустили группу биоэлементологии, занялись функциональным питанием. Все это у нас происходит достаточно органично.

Все-таки альтернативы текущим разработкам всегда нужны, и я решила, что мне было бы интересно что-то предложить и сделать в направлении инфохимии. В мире мало кто этим занимается, потому как нужен тесный контакт со специалистами разного профиля, но как раз здесь — в Университете ИТМО — такая возможность есть. Допустим, если вы хотите заняться темой наноструктурирования поверхностей, системами умной доставки, которые можно регулировать светом, током, а они самоадаптируются в целевой среде — например, очищаются от бактерий. Ресурсы для этой работы и научные группы у нас есть.

Дмитрий: Могли бы вы что-то порекомендовать с точки зрения пререквизитов и бэкграуда для тех, кто хотел бы присоединиться к вам? Каких людей вы ждете в своем новом центре?

Екатерина: Мы ждем тех, кто готов доводить дело до конца — публиковаться в высокоимпактных журналах или выводить на рынок и условные прилавки аптек свои сенсоры. Если это хороший химик, у нас есть возможность научить его современным подходам в математике и программировании. В обратной ситуации — покажем модельные биологические и химические системы, дадим базис для решения сложных проблем. Нужно быть готовыми учиться.

Дмитрий: Возможны оба исходных направления?

Екатерина: Да. Мы хотим распространить такой подход и на бакалавров, а потом и школьников. Чтобы они знакомились с научными проектами. Так, в школе 239 уже есть химбио-направление. Мы хотим видеть выпускников таких образовательных учреждений у себя в университете.

Дмитрий: Приличный горизонт планирования для подготовки новых специалистов.

Екатерина: Если вы понимаете, что прорывы ожидаются в междисциплинарных областях, то это перспективный подход. Но в Университете ИТМО мы предлагаем не только это, а еще и обширную инфраструктуру для развития софт-скиллз и личностного роста.

Больше возможностей

Таймкод — 26:58

Дмитрий: Все-таки междисциплинарный подход во многом подразумевает обучение на лету и передачу знаний из рук в руки. Учебников по последним достижениям, конечно, не бывает.

Екатерина: Поэтому мы и говорим, что это — образование через науку. Мы вовлекаем наших учеников в подготовку публикаций для высокоимпактных журналов, еще они могут поехать на практику. Одни уже поработали в Гарварде, другие — взаимодействовали с коллегами из института Макса Планка. Это — стажировки в топ-10 вузах мира, если необходимо для проекта.

Мы не говорим о «научном туризме». Наши подопечные вовлечены в значимые проекты и осознают свою ответственность, а мы — показываем им передний край науки.

Дмитрий: Они продолжают заниматься своей научной работой и расширяют базу за счет таких стажировок. Не меняют направление, не переключаются ради какой-то разовой поездки.

Екатерина: Да, но это требует согласования. Например, моя группа сотрудничает с NUS, и мы всегда обсуждаем со студентами, как сделать такое взаимодействие максимально продуктивным. Допустим, с точки зрения научных публикаций. Хотя по большей части многим и не требуется куда-то обязательно ехать. У нас можно сделать все, что связано с электрохимией и аналитической химией — лаборатории прекрасно оборудованы. Необходимость стажировок определяется с помощью индивидуального подхода к тому, чем занимается каждый из студентов.

Дмитрий: Пока все это возможно при поддержке государства.

Екатерина: Фонды государственные. Но вообще-то это фактически мы — налогоплательщики. Поэтому я считаю, что нужно рассказывать о науке, а проекты, нацеленные на продукт, могут заканчиваться выгодными конкурентными разработками с привлечением соинвесторов.

У нас есть опыт таких переговоров, хотя формальностями больше занимаются юристы, а мы — специализируемся на том, что до нас мало кто делал в этой области. Наша группа — третья из тех, что занимаются инфохимией, помимо группы Джорджа Уайтсайдса и польских коллег.

Прорывы ожидаются именно в таких — естественнонаучных направлениях. В мире понимают, что подобный подход перспективен. Так, в научный совет нашего центра входит Жан-Мари Лен, нобелевский лауреат и основоположник супрамолекулярной химии. Я думаю, что такое взаимодействие необходимо для развития.

Мы работаем над контролируемыми электрохимическими осциллирующими системами и системами доставки веществ, когда есть каскад реакций и периодическое выделение. К прикладным и фундаментальным исследованиям в этих областях в мире есть большой интерес.

Как выглядит рабочий день Екатерины Скорб

Таймкод — 37:38

Дмитрий: Если смотреть на ваше взаимодействие с международным сообществом и коллегами здесь, как выглядит ваш рабочий день? Как вам удается найти время, чтобы разобраться, чем занимается каждый из ваших подопечных?

Екатерина: Даже если я что-то не успеваю, я делаю все по максимуму. Зачастую мне хватает и четырех часов сна. В начале дня в лаборатории мы проводим общее совещание или обсуждаем тематические проекты. До этого ребята присылают все свои наработки к текущему моменту — мы смотрим, что сделано, планируем развитие. Далее идут индивидуальные встречи. Мы садимся и думаем, что уже можно оформить в научную статью, как она будет выглядеть и так далее.

Какая-то часть времени уходит на написание научных проектов и административные моменты. Иногда бывают интервью. Как то, которое мы записываем сейчас. Я считаю, что это важно.

Еще мы организуем встречи в духе Art&Science со специалистами из других сфер деятельности.

По мере завершения рабочего дня — это чтение и подготовка своих статей, какие-то переговоры.

Кроме меня у студентов есть менторы на уровне других групп-лидеров, постдоков и аспирантов. Но мне всегда нужно понимать, что у всех есть задачи, как минимум, на две-три недели. Тогда можно оценивать прогресс и видеть, что человек делает максимум из того, что можно было бы осуществить, исходя из имеющихся ресурсов. Мы действительно много вкладываем в наших учеников. На этот счет моя совесть чиста. Мы делаем общее дело, и я надеюсь, что все, кто идут рядом, делают для этого максимум. Тогда и получаются интересные результаты.

Другие интервью в нашем подкасте:

• «Мы делаем робототехнические системы для работы с неструктурированным окружением»

• «Мы делаем ставку на открытость»: чему учат предпринимателей в Университете ИТМО

• Подкаст: «Мне нравится исследовать атаки на системы квантовой рассылки ключа»