Fundacja na rzecz Nauki Polskiej obchodzi 25-lecie działalności. Z tej okazji zaprosiliśmy 25 laureatów naszych programów do rozmowy o tym, jak się ?robi? naukę.
Bohaterki i bohaterowie wywiadów to badacze, którzy reprezentują wiele odległych od siebie dziedzin, są na różnych etapach kariery naukowej i mają różnorodne doświadczenia. Łączy ich jedno ? uprawiają naukę na światowym poziomie, mają na koncie imponujące osiągnięcia, a w swoim bogatym CV ? różnego typu wsparcie od FNP. Kolejne wywiady będą ukazywać się cyklicznie na stronie FNP.
Zapraszamy do lektury!
Algorytmy chwytają molekuły
Z drem BARTOSZEM WILCZYŃSKIM, bioinformatykiem, rozmawia Anna Mateja
ANNA MATEJA: Jaka droga zaprowadziła Pana, informatyka, do biologii molekularnej i poszukiwań odpowiedzi np. na pytanie o sposób, w jaki komórki podejmują decyzje, sterując produkcją blisko 30 tys. białek?
BARTOSZ WILCZYŃSKI: Po maturze wybrałem informatykę, bo wiedziałem, że z takim wykształceniem bez trudu znajdę zatrudnienie. I tak się stało: w połowie pierwszego roku studiów ? sprzyjał temu elastyczny plan zajęć ? już pracowałem. Ponieważ jednak studiowałem informatykę w ramach Międzywydziałowych Indywidualnych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych UW, zacząłem interesować się tematami także z innych dziedzin.
Ale Pracę znalazł Pan w korporacji?
Tak właśnie. I chociaż miałem różne zainteresowania, także badawcze, nie planowałem zostać naukowcem. Zmieniłem zdanie, gdy za sprawą promotora mojej pracy magisterskiej, prof. Jerzego Tiuryna, wyjechałem na rok do USA ? do grupy dr. Krzysztofa Fidelisa w Lawrence Livermore National Laboratory w stanie Kalifornia. Ten pobyt na tyle dobrze się ułożył, że po powrocie zasugerowano mi napisanie pracy doktorskiej.
Dobrze się ułożył, bo?
Bo w wyniku prac prowadzonych w trakcie stypendium powstały dwie publikacje. To był punkt zwrotny ? w Livermore Laboratory po raz pierwszy zetknąłem się z tematami, które w bliski sposób łączyły zagadnienia biologii molekularnej z metodami informatycznymi. Co okazało się na tyle intrygujące, że chociaż w Kalifornii mogłem bez trudu wypełnić czas różnymi absorbującymi zajęciami, przekonałem się, że to praca naukowa ? czyli pisanie programów modelujących ekspresję genów i zbieranie materiałów do publikacji ? pociąga mnie najbardziej. Mimo że przed wyjazdem nie uważałem siebie za najlepszego kandydata na naukowca…
Po powrocie ze stypendium wiedziałem, że rozpocznę studia doktoranckie. I choć pracę magisterską napisałem na temat z matematyki, bardzo teoretyczny, doktorska miała już być bioinformatyczna, czyli łączyć budowanie modeli matematycznych z objaśnianiem zagadnień biologicznych.
Na zdjęciu dr Bartosz Wilczyński, fot. OneHD
Co Pana zaintrygowało w bioinformatyce? Możliwość łączenia narzędzi badawczych tak odmiennych dziedzin?
Dla mnie, podobnie jak dla wielu naukowców działających w dziedzinach interdyscyplinarnych, to co najciekawsze pojawia się na styku różnych dyscyplin badawczych. Niespecjalnie podobało mi się też pisanie pracy teoretycznej z matematyki czy informatyki, gdzie problemy rozwiązywane są w dość wąskich specjalizacjach. Naturalną koleją rzeczy grupa odbiorców tego rodzaju prac jest wąska ? bywa, że to kilkadziesiąt osób na świecie. To praca de facto samotnicza. A że nie czuję się stworzony do prowadzenia rozważań w zaciszu gabinetu, wybrałem dziedzinę, która wymaga ode mnie pracy bardziej zespołowej ? bioinformatykę.
Nad tematami, którymi się zajmuję, też można pracować bardziej teoretycznie. Albo traktować problemy biologiczne wyłącznie jako inspirację w pracy informatyka. Nie nadaję się do żadnego z tych podejść, bo jednym z głównych motorów moich działań jest możliwość współpracy z innymi, zwłaszcza, jeśli mogę się od nich podczas pracy uczyć. To we współpracy z biologami wybieramy problem do rozwiązania ? najlepiej gdy jest interesujący dla obu stron. Potem wraz z innymi matematykami czy informatykami pracujemy nad modelem obliczeniowym, co rzadko trwa krócej niż rok, a często nawet dwa?trzy lata. Przedstawiamy go biologom, gdy wydaje nam się, że przewidywania uzyskane dzięki naszym obliczeniom pozwolą sformułować nowe hipotezy biologiczne. Jeżeli choć część z nich się sprawdzi w eksperymencie, to znaczy, że nasze algorytmy ?chwytają? molekularną rzeczywistość. W takich momentach utwierdzam się w przekonaniu, że dokonany parę lat wcześniej wybór pracy naukowej, choć nie planowany, wcale nie był taki zły.
Ale nie musiało tak być, bo doktorat, nawet jeśli dotyczy tematu bioinformatycznego, o niczym nie przesądza.
To prawda ? ze stopniem doktora mogłem spokojnie wrócić do korporacji i zajmować się czym innym. O tym, że tak się nie stało, zdecydowały m.in. recenzje moich pierwszych projektów badawczych ? bardzo pochlebne i sprzyjające, np. Fundacji na rzecz Nauki Polskiej (co pozwoliło otrzymać stypendium dla młodych naukowców START) czy Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Na początku drogi taka ocena jest bardzo potrzebna, bo przekonanie o słuszności podjętej decyzji nie jest oczywiste nawet dla tych doktorantów, którzy sobie dobrze radzą. Fakt, że otrzymane granty pozwoliły nie tylko prowadzić badania naukowe, ale zapewniły stabilizację finansową mojej rodzinie, którą założyłem w czasie studiów, też miał znaczenie.
Podczas stażu podoktorskiego w Europejskim Laboratorium Biologii Molekularnej w Heidelbergu, jednym z najciekawszych dla tej dziedziny miejsc pracy badawczej, zajmowałem się zagadnieniem regulacji genów w rozwoju zarodkowym. Głównym przedmiotem zainteresowania dr Eileen Furlong, w której zespole się znalazłem, był rozwój mezodermy ? to środkowa warstwa komórek zarodka, z której rozwijają się m.in. tkanki mięśniowe oraz nabłonki jam ciała i niektórych narządów ? u złożonych organizmów eukariotycznych (pracowaliśmy na muszkach owocówkach). Interesował nas wczesny etap różnicowania się komórek mezodermy, kiedy jednocześnie trzeba obserwować co najmniej kilkaset genów. Każdy zmienia ekspresję w nieprzypadkowy sposób. Próbowaliśmy ustalić, które geny regulują się nawzajem i w jakiej kolejności.
A jaką funkcję pełni w takich badaniach informatyk?
Zacznijmy od tego, że skomplikowanie procesu nie pozwala biologom na jego analizowanie, jeżeli nie posiadają jego precyzyjnego opisu w komputerze. Ponieważ mechanizmy genetycznej kontroli działania komórek, opisane w latach 60. przez Jacques?a Monoda i François Jacoba, dobrze się poddają opisowi matematycznemu, mogłem je zestawiać z wiedzą uzyskiwaną dzięki nowoczesnym metodom badawczym, np. pomiarowi poziomu ekspresji genów. Tyle że modele matematyczne, z których korzystano, były z reguły dość abstrakcyjne i obejmowały niewiele genów jednocześnie. Mój przyjazd do Heidelbergu zbiegł się z momentem, kiedy naukowcy po raz pierwszy mogli dokonywać analizy regulacji transkrypcji genów, biorąc pod uwagę to, co w tym czasie działo się w chromatynie (to włóknista substancja występująca w jądrze komórkowym, główny składnik chromosomów, które zawierają materiał genetyczny komórki). Rozpoczęte tam badania doprowadziły mnie do obecnych prac, kiedy budujemy bardziej globalne modele obejmujące nie tylko pojedyncze geny, ale ich dziesiątki czy setki. Co też ważne, nie mówimy już o genach jak o abstrakcyjnych przełącznikach. Próbujemy ustalić, jak chromosomy są ułożone w komórce, a na chromosomach ? geny, bo to ma znaczenie dla uaktywnienia się właściwych spośród nich. Opis tych procesów przy pomocy modeli komputerowych może przynieść biologom odpowiedź na pytanie, które geny odpowiadają za jakie procesy zachodzące w komórce.
Opowiada Pan o tym w taki sposób, jakby przyrodą rządził algorytm.
Rozwój zarodkowy już w XIX wieku zachwycał badaczy powtarzalnością. Ale pełny determinizm to złudzenie, choć warto dociekać, na ile procesy związane z regulacją genów są uwarunkowane, a na ile rządzi nimi przypadek (co zresztą czyni je jeszcze bardziej interesującymi). Mamy bowiem proces, który jest ściśle kontrolowany i dający przewidywalne wyniki (wszystkie zarodki muszek są do siebie bardzo podobne), ale jednocześnie oparty o mechanizmy w dużym stopniu losowe (takie jak transport czynników regulujących transkrypcję w jądrze komórkowym). Aby uwzględnić oba te aspekty w skali setek lub tysięcy genów, musimy stosować zróżnicowane podejścia matematyczne.
To jest obszar ciekawych badań przede wszystkim za sprawą szybkiego postępu w dziedzinie subtelnych technik biochemicznych, pozwalających na ?zaglądanie? do wnętrza komórek. Możliwe jest np. badanie ekspresji genów na poziomie pojedynczych komórek, czy zgłębianie struktury chromatyny w jądrze komórkowym. W efekcie, skomplikowane pomiary, przeprowadzone np. w tysiącu pojedynczych komórek, dają tyle danych, że aby je okiełznać i zrozumieć, potrzeba zaawansowanych metod matematycznych. Staramy się więc budować modele, które obejmują część losową i deterministyczną badanych procesów na więcej, niż jednym etapie regulacji. Wciąż jest to wyzwaniem i interesującym materiałem do badań.
W Heidelbergu wszedłem po raz pierwszy tak głęboko w szczegóły biologii molekularnej, a stało się tak przede wszystkim za sprawą spotkań z ludźmi, z którymi można było godzinami rozmawiać o współczesnej biologii. Bo w nauce to nie jest bez znaczenia, z kim nas los zetknie. Jeżeli będziemy mieli nieszczęście spotkać na swojej drodze osoby, które wytwarzają toksyczną atmosferę, można się zniechęcić, nawet posiadając świetny temat badawczy. W Heidelbergu przekonanie, że pracuję z ciekawymi ludźmi nad istotnymi naukowo zagadnieniami na każdym kroku znajdywało potwierdzenie.
Na czym polegała ich wyjątkowość?
Opowiem o tym na przykładzie współpracy z moją szefową ? dr Eileen Furlong, która jest z wykształcenia biologiem, bez większego przygotowania matematycznego. Byłem jej odwrotnością: matematyk świeżo po doktoracie, który musi się jeszcze sporo nauczyć z biologii molekularnej. Oboje mieliśmy jednak na tyle otwarte głowy, że byliśmy w stanie wspólnie pracować nad projektem. Od momentu, kiedy pojawiło się pytanie badawcze, przez dyskusje nad wyborem optymalnej metody matematycznej, po opracowywanie wyników i pisanie publikacji. Odpowiadałem jedynie za poszczególne elementy, ale rozmawialiśmy otwarcie o całym projekcie i projektowaliśmy eksperymenty do wykonania. Praca była interdyscyplinarna od początku do końca, dzięki czemu zobaczyłem, że efektywna współpraca obu dziedzin nie polega na podsuwaniu biologom gotowych modeli obliczeniowych do sprawdzenia. Ani na wymyślaniu ad hoc analiz, które pomogą jak najszybciej uporać się z wynikami już wykonanych doświadczeń.
Teraz, po pięciu latach samodzielnej pracy naukowej, wiem, jak to jest trudne od strony organizacyjnej. Ile wysiłku wymaga koordynacja starań naukowców z różnych dziedzin, którzy mają swoje metody badawcze, odmienne cele, a nawet czasopisma, w których chcą opublikować wyniki. Jak karkołomne jest rozliczenie finansowania projektów interdyscyplinarnych. To ustawiczne pokonywanie siły odśrodkowej, by współpraca nie skończyła się na ciekawych rozmowach, ale prowadziła do wspólnych wyników i publikacji. W Heidelbergu, jako stażysta po doktoracie, byłem szczęśliwie odizolowany od przyziemnych problemów finansowo-organizacyjnych i zajmowałem się wyłącznie nauką. Przekonałem się jednak, że nauka interdyscyplinarna jest możliwa i daje konkretne efekty, dla których warto pokonywać trudności, o jakich mówię.
Na zdjęciu dr Bartosz Wilczyński, fot. OneHD
Jeżeli w Heidelbergu było tak dobrze, dlaczego po prawie trzech latach stażu jednak wrócił Pan do Warszawy?
Mogłem być dłużej, ale już tylko parę lat dzieliło mnie od 35. urodzin ? dla naukowca to teraz ważna granica, bo wypada się wówczas z kategorii ?młody uczony? i starając się o grant, zaczyna się podlegać innym kryteriom finansowania. To był odpowiedni moment, by wrócić i spróbować swoich sił jako naukowiec, który prowadzi własne projekty, samodzielnie zdobywa środki, a wśród studentów szuka pierwszych współpracowników. Niewykluczone jednak, że gdybym nie otrzymał grantu HOMING PLUS, przeznaczonego dla naukowców powracających z zagranicy, przedłużyłbym pobyt w Heidelbergu o kilka lat. Co powiedziawszy, muszę zaznaczyć, że w Polsce, dzięki zmianom jakie zaszły w naszej nauce w ciągu ostatnich kilkunastu lat, szczególnie młodzi naukowcy są w sytuacji o wiele bardziej komfortowej, niż ich koleżanki i koledzy, którzy rozpoczynali karierę np. w latach 90. Co nie zmienia faktu, że nadal powrót do Polski z krajów bardziej rozwiniętych naukowo, nie jest łatwą decyzją, zwłaszcza jeśli ma się możliwość pozostania tam dłużej.
Dla mnie, kiedy decydowałem się na powrót, poza przyznanym grantem (ale też chęcią wychowywania dzieci w Polsce!), znaczenie miało i to, że będę pracował naukowo w miejscu, gdzie wiele można zdziałać. U nas wciąż sporo się zmienia w strukturze uprawiania nauki. Jeżeli będę badaczem właśnie w Polsce, mam szansę przyłożyć do tego rękę, wpłynąć na kierunek podejmowanych decyzji. I wykorzystać to, czego dowiedziałem się na ten temat zagranicą. Nauka, na szczęście, rządzi się demokratycznymi zasadami, więc wysłuchuje się wszystkich głosów, także tych, które pochodzą od młodszych i mniej doświadczonych.
Niektórzy powiedzą: mniej zmian, więcej konsekwencji.
Od naukowców poznanych w Heidelbergu, pochodzących z Austrii czy Hiszpanii ? krajów może nie pierwszoligowych, jeśli chodzi o sukcesy naukowe, ale uprawiających naukę na przyzwoitym poziomie ? słyszałem, że u nich nie zmienia się nic. Od lat. System działa nieźle, więc nikt nie widzi potrzeby uruchamiania, np. dodatkowych konkursów grantowych. Poznałem wielu ludzi z tych krajów, którzy wybierali USA albo Wielką Brytanię, bo tam młody naukowiec ma więcej szans na zaistnienie. Przy takim porównaniu Polska jest miejscem dużo bardziej dynamicznym niż kraje o ugruntowanej pozycji.
Lubi Pan uczyć?
Tak ? dydaktyka jest dla mnie doświadczeniem mocno wynagradzającym. Bo o ile badania naukowe, zwłaszcza interdyscyplinarne, trwają czasami wiele lat nim dostarczą ciekawych wyników (specjalizacja daje bezsprzecznie większą efektywność), nauczanie może dać satysfakcję niemal od razu. A świadomość, że umożliwiłem zrozumienie zagadnienia choćby jednemu człowiekowi, który nie miał o nim pojęcia pół godziny wcześniej, jest fantastycznym uczuciem. Cenię w możliwości prowadzenia zajęć i to, że porządkuje wiedzę, ćwiczy zdolności komunikacyjne i umiejętność przystępnego przekazywania wiedzy. Jeżeli coś zostało źle przeze mnie przedstawione, dowiem się o tym natychmiast, bo studenci zamiast dyskutować będą grzebać w smartfonach. Oczywiście to wymaga studentów chętnych do nauki, ale szczęśliwie takich na UW nie brakuje.
A Pan lubił się uczyć, np. biologii?
W szkole średniej nie znosiłem. Przede wszystkim dlatego, że do matury byłem uczony biologii niemalże XIX-wiecznej, czyli prawie wyłącznie opisowej, nie molekularnej. Właściwie nie pojawiały się tematy ilościowe, kiedy poprawne wnioski wyciąga się w oparciu o pomiary i statystyki. Rozdźwięk między szkolną biologią a naukami ścisłymi jest tak duży, że mimo wielu słów wypowiedzianych na temat zalet interdyscyplinarnego uprawiania nauki, studenci głęboko tkwią w tych przyporządkowaniach. ?Ścisłowcy? z założenia nie interesują się więc współczesną biologią, choć bez trudu znaleźliby w niej pole do popisu. Z kolei wśród wielu ?przyrodników? pokutuje przekonanie, że jeśli ktoś potrzebuje zbyt wielu metod statystycznych czy informatycznych, powinien inaczej zaprojektować eksperyment.
Efekt tych przyporządkowań jest przygnębiający, o czym przekonałem się prowadząc prelekcje o tematyce moich badań w warszawskich liceach. W klasach biologiczno-chemicznych wszyscy wiedzą, czym jest genom, ale już podanie danych ilościowych, choćby przeciętnej liczby mutacji, które różnią dwie osoby od siebie, wywołuje popłoch. Jak zresztą każde pytanie, rozpoczynające się od zaimka: ile? Mimo, że na pytanie o liczbę mutacji mogliby odpowiedzieć w kilka minut, i to wykorzystując własny telefon, który pozwoliłby im znaleźć odpowiednie dane w Wikipedii, a potem wykonać proste działania arytmetyczne.
Dzięki temu powstał pomysł stworzenia platformy internetowej z zadaniami programistycznymi dla licealistów, które łączą wiedzę z biologii, chemii i fizyki?
Problem podziałów, o których mówimy, jest złożony i nie mam tu gotowych rozwiązań. Po prostu przyszło mi do głowy, żeby spróbować już na etapie szkoły zainteresować młodzież zadaniami, które wymagają zarówno wiedzy z biologii czy chemii, jak umiejętności programowania. A dzięki grantowi Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i zaangażowaniu części studentów z koła naukowego bioinformatyki, działającego na moim wydziale, projekt udało się zrealizować. Od kwietnia 2016 r. blisko 100 osób próbowało się zmierzyć z tymi zadaniami (część uczestników świetnie sobie z nimi poradziła), więc jakiś wpływ wywarliśmy, choć ?Pokémon Go!? to nie jest… Nie mam jednak złudzeń, że uruchomienie tego rodzaju portalu ? tak jak napisanie książki na temat ograniczeń wynikających z nadmiernego przywiązania do podziału nauk czy przeprowadzenie szkolenia ? rozwiąże problem. Jest on zbyt skomplikowany, choćby dlatego, że dotyczy zbyt wielu osób, z których część niekoniecznie zamierza zweryfikować swoje myślenie.
To raczej początek pracy u podstaw rozłożonej na wiele lat.
Nawet na kilka pokoleń. Spotkania z młodzieżą utwierdziły mnie jednak w przekonaniu, że warto na to zużywać energię. Nawet jeśli większość z nich będzie chciała zostać specjalistami jedynie w swojej dziedzinie, dowiedzą się, że uprawianie nauki na styku kilku różnych nauk też jest możliwe.
Dr BARTOSZ WILCZYŃSKI (ur. 1979 w Częstochowie) jest pracownikiem naukowym Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. Laureat programów FNP: START (2007 i 2008), HOMING PLUS (2010), INTER (2012), eNgage (2014).
Przeczytaj także:
Czyste niebo nad Cerro Paranal ? z prof. Grzegorzem Pietrzyńskim, astronomem, rozmawia Anna Mateja