Naukowcy z Poznańskiego Parku Naukowo-Technologicznego opracowali substancje aktywne, które nazwano projektowalnymi salicylanami. Ich zastosowanie zapobiega negatywnym skutkom działania stresów abiotycznych i biotycznych oraz działa stymulująco na wzrost i rozwój roślin. To odpowiedź na współczesne wyzwania rolnictwa, w których zrównoważona produkcja roślinna oraz zapobieganie negatywnym skutkom chorób stają się coraz trudniejsze, m.in. w związku z ograniczeniami wynikającymi z ustawodawstwa Unii Europejskiej dotyczącego stosowania środków ochrony roślin.

Punktem zwrotnym dla prac badawczo-rozwojowych był projekt Team-Tech Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, w ramach którego PPNT otrzymał cztery miliony złotych na badania. Jak podkreśla dr hab. inż. Marcin Śmiglak – współtwórca technologii, kierownik Zespołu Syntez Materiałowych i wiceprezes PPNT – od początku było jasne, że sama idea zwiększania odporności roślin nie wystarczy. Kluczowe pytanie brzmiało: czy możliwe jest pobudzenie mechanizmów odporności roślin tak, by nie odbywało się to „kosztem” wzrostu i końcowego plonu?

Gdy odporność wspiera wzrost

Doniesienia literaturowe wskazywały, że pobudzanie procesów odpornościowych może osłabiać procesy wzrostowe, co ostatecznie mogłoby obniżyć plon. Dlatego w ramach badań prowadzonych przez PPNT od początku projektowano doświadczenia w taki sposób, aby odpowiedzieć na dwa kluczowe pytania:

• czy w warunkach presji chorób wzmocnienie odporności roślin rzeczywiście wiąże się z osłabieniem ich wzrostu i plonowania,
• jaki będzie efekt zastosowania tych substancji, gdy traktowane rośliny nie będą narażone na działanie patogenów.

Uzyskane wyniki wykazały, że odpowiednie zastosowanie badanych substancji pozwala jednocześnie wspierać mechanizmy obronne roślin i stymulować ich wzrost. To odkrycie zdefiniowało kierunek dalszych prac i stało się fundamentem rozwoju technologii projektowalnych salicylanów.

Ciecze jonowe i ich „projektowalność” – na czym polega ta koncepcja?

Istotną rolę w badaniach odegrały ciecze jonowe, czyli sole organiczne o niemal nieograniczonych możliwościach modyfikacji strukturalnej. Składają się z dodatnio naładowanego kationu i ujemnie naładowanego anionu, które można łączyć tak, by uzyskać cząsteczkę o pożądanych właściwościach. Ta właśnie „projektowalność” sprawia, że ciecze jonowe znajdują szerokie zastosowanie w nauce i przemyśle, a w zespole dr. hab. inż. Marcina Śmiglaka w ostatnich latach stały się ważnym narzędziem m.in. w obszarze opracowywania nowych substancji do zastosowania w rolnictwie.

Przy projektowaniu substancji przeznaczonych do zastosowań rolniczych punktem wyjścia nie jest bezpośrednio ich aktywność biologiczna, lecz właściwości fizykochemiczne cząsteczki, które determinują sposób jej oddziaływania z rośliną. Zmiany takich parametrów jak rozpuszczalność w wodzie, lipofilowość czy stabilność chemiczna prowadzą do modyfikacji biodostępności substancji, a dopiero w dalszej kolejności przekładają się na obserwowany efekt biologiczny.

Istnieje wiele możliwych dróg prowadzących do poprawy skuteczności biologicznej, ponieważ na tym etapie nie zawsze jest oczywiste, która z właściwości fizykochemicznych będzie miała decydujące znaczenie. Dlatego projektowanie substancji polega na świadomym modyfikowaniu struktury chemicznej w celu eksplorowania różnych kombinacji właściwości, które mogą prowadzić do optymalnego efektu końcowego.

Takie podejście umożliwia nie tylko zwiększenie efektywności działania substancji, lecz także ograniczenie wymaganej dawki aplikacyjnej oraz nadanie związkom dodatkowych funkcji, czyniąc z projektowania cząsteczki proces wielowymiarowy, ukierunkowany na jej praktyczne zastosowanie.

Od pomysłu do technologii stosowania

W chemii możliwości tworzenia nowych kombinacji anionów i kationów są bardzo szerokie, ale – jak podkreśla dr hab. inż. Marcin Śmiglaki – samo zaprojektowanie cząsteczki i jej otrzymanie to dopiero początek. Kluczowe znaczenie ma odpowiedni plan badawczy, który pozwala możliwie wcześnie zawęzić liczbę analizowanych cząsteczek i wyselekcjonować te o największym potencjale, a następnie przejść do pogłębionych prac badawczych lub badawczo-rozwojowych. W praktyce oznacza to konsekwentne przechodzenie od prostych doświadczeń do rozwiązań dopasowanych do konkretnych zastosowań.

Podwójny efekt działania na roślinach

W ramach projektu Team-Tech udało się opracować technologię stosowania tzw. projektowalnych salicylanów, która daje podwójny efekt działania na roślinach:

1. pobudzanie naturalnych mechanizmów obronnych,
2. stymulowanie wzrostu i rozwoju roślin.

Co istotne, wykazano również, że badane związki skutecznie ograniczają negatywne skutki stresów abiotycznych, takich jak susza. Ich mechanizm działania ma charakter uniwersalny, co potwierdzono poprzez obserwację korzystnego wpływu na różne gatunki roślin. Dotychczas prace koncentrowały się na uprawach o największym znaczeniu gospodarczym, w szczególności na zbożach, rzepaku, buraku cukrowym i kukurydzy.

Kolejnym etapem rozwoju technologii będzie rozszerzenie badań na kolejne gatunki roślin, obejmujące potwierdzenie jej skuteczności w doświadczeniach polowych oraz dopracowanie kluczowych parametrów stosowania projektowalnych salicylanów, takich jak dawka substancji aktywnej, liczba zabiegów i ich optymalne terminy.

Od patentu do rynku: jak wygląda komercjalizacja?

W rozmowie wybrzmiewa też ważna perspektywa dotycząca ochrony własności intelektualnej: patent ma sens wtedy, gdy widać realne perspektywy komercjalizacji, a decyzje o terytorialnym zakresie ochrony powinny wynikać ze strategii wdrożenia. W przeciwnym razie – przy ochronie ograniczonej wyłącznie do Polski – wytworzona wiedza może zostać wykorzystana przez zagraniczne podmioty na obszarach nieobjętych ochroną.

Komercjalizacja technologii była możliwa przede wszystkim dzięki determinacji dr. Rafała Kukawki i Macieja Spychalskiego, którzy pracowali nad rozwojem technologii od początku projektu Team-Tech. Wraz z ekspertami z PPNT wypracowano model komercjalizacji, którego efektem było założenie spółki spin-off ATI. Dr Rafał Kukawka i Maciej Spychalski są jej głównymi udziałowcami, a PPNT udzieliło spółce licencji wyłącznej na komercyjne wykorzystanie wytworzonej własności intelektualnej. W przyjętym modelu istotne było to, aby spółka ATI pozostała podmiotem niezależnym od PPNT – co umożliwia jej dalsze rozwijanie technologii poprzez realizację projektów badawczo-rozwojowych w ramach konsorcjów z PPNT.

Spółka ATI udzieliła już dwóch umów sublicencji obejmujących wykorzystanie opracowanych projektowalnych salicylanów, które są substancjami aktywnymi komercyjnie dostępnych produktów.

Od wiedzy do wartości

Na końcu pozostaje myśl, że nauka może przyjmować różne formy – od badań podstawowych, ukierunkowanych na pogłębianie wiedzy i zrozumienie mechanizmów rządzących światem przyrody, po badania aplikacyjne, których efektem są konkretne rozwiązania odpowiadające na realne wyzwania. Oba te podejścia są równie ważne i wzajemnie się uzupełniają, ponieważ zaangażowanie naukowców w rozwój wiedzy przekłada się na tworzenie wartości dla społeczeństwa. W opisywanym przypadku wartością tą jest technologia wspierająca uprawę roślin w coraz trudniejszych warunkach środowiskowych i produkcyjnych.

Artykuł na ten temat ukazał się również w wydaniu „Życia Uniwersyteckiego”. Pełną wersję materiału znajdziecie tutaj.

Fot. Vładysłav Gardash