Natura continuă să fie o inspirație pentru tot ce creează omul, iar descoperirile informaticii duc înțelegerea proceselor biologice la un alt nivel. Oamenii de știință încearcă acum să descifreze cum funcționează creierul și, totodată, să crească IQ-ul inteligenței artificiale. Studii de avangardă în domenii de graniță au loc și la București, iar atunci când un medic cercetător se întâlnește cu un informatician inovator, într-un mediu fertil de resurse și curiozitate, direcțiile în care cercetările se dezvoltă sunt nebănuite. Am stat de vorbă cu Paul A. Gagniuc, specialist în bioinformatică, profesor la Politehnica București și la Academia Militară “Ferdinand I”.
De ce studii de bioinformatică si genetică la Politehnica București?
Politehnica București, prin Facultatea de Inginerie în Limbi Străine (FILS), unde predau Programming Languages și Bioinformatics, oferă un mediu interdisciplinar care combină științele inginerești cu biologia, facilitând o abordare inovativă și aplicată a geneticii. Universitatea oferă resurse excelente pentru cercetarea avansată în bioinformatică și genetică. Bioinformatica necesită competențe avansate în programare și dezvoltarea de algoritmi eficienți pentru analiza datelor genomice, proteomice și metabolomice. Dezvoltarea de software bioinformatic robust și scalabil necesită cunoștințe profunde de informatică și inginerie software. Ingineria se concentrează pe modelare și simulare, aspecte cruciale în bioinformatică pentru a înțelege procesele biologice complexe. Simulările pot ajuta la prezicerea comportamentului sistemelor biologice, la testarea ipotezelor și la interpretarea datelor experimentale. Analiza datelor de bioinformatică implică manipularea unor seturi masive de date (“big data”).
Dezvoltarea de noi instrumente și tehnologii pentru cercetarea biologică este un alt domeniu unde ingineria joacă un rol crucial. Bioinginerii pot crea noi dispozitive pentru secvențierea ADN-ului, microarray-uri și alte tehnologii esențiale pentru colectarea de date bioinformatice. În general, facultățile de inginerie facilitează integrarea bioinformaticii cu alte științe aplicate și inginerești, inclusiv colaborarea cu departamente de biologie, chimie (UNSTPB din Polizu), medicină și farmacie (UMF “Carol Davila”). Industria biotehnologică și farmaceutică necesită experți care au atât cunoștințe de biologie, cât și abilități tehnice avansate. Bioinformatica are un impact direct asupra sănătății umane prin contribuții la descoperirea de noi medicamente, diagnostic personalizat și terapia genetică.
Acum un an ați publicat un articol în Nature – Scientific Reports despre proteinele moonlighting. Mai multe detalii?
Articolul discută despre “genele moonlighting” (gene multifuncționale) care encodează proteine ce îndeplinesc funcții multiple și adesea nelegate între ele. Aceste gene sunt prezente în toate domeniile vieții și ridică multe întrebări legate de originea, evoluția și rolul lor în ciclul celular. Studiul a folosit o probă bioinformatică simplă pentru a clasifica genele în funcție de potențialul lor de traducere antisens și a arătat că această probă identifică în mod fiabil genele moonlighting la diferite organisme. A fost descoperit că genele moonlighting conțin cadre de citire deschise (ORF) putative antisens, bogate în aminoacizi nepolari. Aceste gene tind să se localizeze lângă gene implicate în producerea peretelui celular, membranei celulare sau învelișului celular. Modelul propus sugerează că produsele genelor moonlighting ar putea scăpa din celulă prin goluri din peretele celular și membrană, la locurile unde se desfășoară construcția intensivă a acestora. ORF-urile antisens ar produce proteine “lipicioase de membrană” care leagă ADN-ul genei moonlighting de membrana celulară în zone poroase, facilitând scăparea proteinelor moonlighting la suprafața celulei. Studiul a implicat organisme model precum Streptococcus pneumoniae, Escherichia coli și Mycobacterium tuberculosis și a identificat o serie de gene moonlighting din baza de date MoonProt. S-au folosit diverse metode bioinformatice pentru a analiza caracteristicile codonilor și pentru a dezvolta teste de îmbogățire care să detecteze genele moonlighting. Rezultatele au arătat că genele moonlighting se găsesc frecvent lângă gene implicate în biogeneza peretelui celular și au un conținut ridicat de aminoacizi nepolari în direcția antisens. De asemenea, a fost observată o tendință de codoni RNY (purine-pirimidine) în aceste gene, indicând o posibilă producere a proteinelor de membrană în direcția antisens. Studiul nostru sugerează că genele moonlighting au un potențial semnificativ de a produce proteine de membrană în direcția antisens, ceea ce poate avea implicații importante pentru înțelegerea evoluției și funcției acestor gene în diverse organisme.
Acum câțiva ani făceați, împreună cu Acad. Ionescu Tîrgoviște, studii în diabet, despre care am scris și în Medica Academica. Cum au evoluat?
Interesul meu pentru cercetare a existat de copil, însă a explodat odată cu studiile în domeniul diabetului, în parteneriat cu Acad. Constantin Ionescu-Tîrgoviște. Am fost fascinat de complexitatea mecanismelor genetice și moleculare implicate. Aceste studii inițiale au pus bazele pentru o abordare mai largă a cercetării biomedicale. Rezultatele cercetărilor noastre au contribuit la o mai bună înțelegere a mecanismelor genetice ale diabetului și au fost utilizate pentru dezvoltarea unor metode de diagnosticare și tratament mai eficiente. Au influențat direcțiile de cercetare ulterioare și au fost fundamentale pentru proiecte aplicative în curs.
Acad. Constantin Ionescu Tîrgoviște este un prieten foarte drag și un mentor pentru mine. I-am dedicat cartea “An Introduction to Programming Languages: Simultaneous Learning in Multiple Coding Environments”, în semn de apreciere pentru sprijinul și inspirația oferite de-a lungul anilor. Colaborăm zilnic și discutăm despre direcțiile științei, proiectele noastre actuale și facem planuri de viitor. Împărtășim o viziune comună asupra importanței interdisciplinarității în cercetare. Discuțiile cu Domnia sa sunt extrem de valoroase pentru direcționarea cercetărilor mele. Colaborarea noastră ne permite să explorăm noi frontiere ale științei și să ne menținem în avangarda cercetării interdisciplinare.
Un rezultat al acestor cercetări este vesta de măsurare a activității electrodermale, care a intrat recent în muzeul Politehnicii.
Vesta de măsurare a activității electrodermale este un proiect de care sunt foarte mândru și care a fost mediatizat chiar în paginile Medica Academica (nr. 92, noiembrie 2018, n.red.) Monitorizează răspunsurile electrodermale ale omului, oferind date valoroase despre activitatea metabolică. Are aplicabilitate în domenii diverse, de la cercetarea medicală la securitate și psihologie. Poate fi văzută și explorată la Muzeul Politehnicii de la Polizu.
Planurile viitoare la FILS includ extinderea funcționalităților vestei pentru a integra și alți senzori, precum cei pentru ritm cardiac sau activitate respiratorie. De asemenea, explorăm la FILS aplicarea inteligenței artificiale pentru analiza datelor colectate, pentru a oferi diagrame și predicții mai precis.
Ați publicat în total șapte cărți, cele mai recente la Springer. Ce v-a inspirat?
Inspirația a venit de la Facultatea de Inginerie în Limbi Străine de la Politehnică, din dorința de a împărtăși cunoștințele acumulate. Cele mai recente cărți publicate la Springer, inclusiv seria “Coding Examples from Simple to Complex” și “An Introduction to Programming Languages: Simultaneous Learning in Multiple Coding Environments”, abordează teme legate de programare, și tangențial teme legate de securitatea cibernetică. “Markov Chains: From Theory to Implementation and Experimentation” și “Algorithms in Bioinformatics: Theory and Implementation” oferă o înțelegere profundă a conceptelor teoretice și aplicate în bioinformatică, resurse utile pentru studenți și cercetători. Prima este un ghid cuprinzător pentru înțelegerea și aplicarea lanțurilor Markov, destinat atât utilizatorilor experimentați, cât și celor noi. Include note istorice, matrici stochastice, probabilități de tranziție, predicții și lanțuri Markov absorbante, oferind exemple și studii de caz detaliate. Este cea mai citată carte din istoria Universității Politehnica din București, cu peste 900 de citări academice.
La ce carte lucrați acum?
În octombrie-noiembrie urmează să public prima carte din lume despre antiviruși. Sunt entuziasmat să lansez prima carte din lume, după cunoștințele mele, la Elsevier, dedicată programelor de tip Antivirus. Ținând cont de experiența mea în domeniul securității, datorită unui proiect de tip initiativă realizat în 2008 – 2009, care se chema Scut Antivirus, cartea explorează istoria, dezvoltarea și tehnologiile din spatele software-urilor antivirus. Acoperă aspecte teoretice și practice, algoritmi de detecție, metode de prevenire a atacurilor cibernetice și evaluarea eficacității antivirușilor. Este o resursă atât pentru profesioniști din domeniul securității cibernetice, cât și pentru studenți și cercetători.
Cum se corelează cursurile pe care le predați la FILS cu cercetările dvs.?
Cele două cursuri sunt strâns legate de cercetarea mea, predarea și cercetarea se completează reciproc. Programming Languages mă ajută să dezvolt și să optimizez algoritmi pentru analiza datelor bioinformatice. Bioinformatics permite aplicarea cunoștințelor de programare în studiul sistemelor biologice. Faptul că predau mă ajută să clarific și să consolidez cunoștințele teoretice, iar cercetarea îmi oferă material și exemple practice pentru cursuri. Încerc să integrez noile descoperiri și metode de cercetare în predare, astfel încât studenții să beneficieze de informații actualizate și relevante. Această sinergie îmbogățește atât predarea, cât și cercetarea, oferindu-mi posibilitatea de a integra ultimele descoperiri în curriculum și de a inspira studenții să exploreze intersecțiile dintre informatică și biologie.
Mai recent, predați și la Academia Tehnică Militară “Ferdinand I” (ATM) cursuri de securitate informatică. Există o diferență între a preda într-o academie militară, comparativ cu o universitate civilă?
Mediul academic în context militar impune o abordare mai practică, cu soluții concrete. Accentul e pus pe interdisciplinaritate și pe integrarea rapidă a tehnologiilor avansate, ceea ce poate accelera aplicarea cercetărilor în domenii critice.
Predarea cursurilor de securitate la ATM îmi permite să explorez conexiunile dintre sistemele biologice și cele artificiale. Sistemele imunitare naturale și securitatea în sistemele artificiale sunt similare în modul în care detectează și răspund la amenințări. Sistemul imunitar uman folosește celule specializate pentru a recunoaște și neutraliza agenți patogeni, în timp ce sistemele artificiale pot folosi algoritmi de învățare automată pentru a identifica și contracara atacurile cibernetice. Studierea acestor analogii poate conduce la dezvoltarea unor sisteme de securitate mai eficiente și mai reziliente, inspirate de procesele biologice.
Așadar bioinformatica poate contribui la îmbunătățirea securității naționale?!
Da, prin dezvoltarea de algoritmi avansați pentru analiza datelor și detectarea anomaliilor. Aceste tehnologii pot fi aplicate pentru monitorizarea rețelelor cibernetice, identificarea amenințărilor biologice și dezvoltarea de strategii de răspuns rapid. În plus, integrarea datelor din diverse surse poate oferi o imagine de ansamblu mai completă și mai precisă a riscurilor, permițând luarea unor decizii informate și proactive. Vă pot spune din experiență că nu există diferențe între metodele folosite în bioinformatică și cele din securitate; doar contextul este diferit.
Sper să aduc contribuții semnificative în domeniul securității cibernetice prin dezvoltarea de noi tehnologii și metode de protecție împotriva amenințărilor digitale.
Ce planuri aveți pentru dezvoltarea cursurilor?
Intenționez să dezvolt noi module care să acopere subiecte emergente precum inteligența artificială în bioinformatică (la UNSTPB) și securitatea cibernetică (la ATM). De asemenea, vreau să extind colaborările internaționale pentru a oferi studenților oportunități de cercetare și schimb de experiență. Colaborez strâns cu studenții prin mentorat și îndrumare în proiectele lor de cercetare. Îi încurajez să participe la conferințe, workshop-uri și competiții, oferindu-le sprijin în pregătirea lucrărilor și prezentărilor. Organizez sesiuni de consiliere pentru a discuta planurile lor de carieră și oportunitățile de stagii și locuri de muncă. Încerc să creez un mediu deschis, în care studenții să se simtă încurajați să își urmărească pasiunile și să își dezvolte abilitățile. Sper ca prin aceste cursuri, studenții să dezvolte o pasiune pentru cercetare și să devină lideri în domeniile lor. Mulți foști studenți de la FILS sunt astăzi lideri naționali și unii dintre ei chiar la nivel planetar, dacă ne uităm la Microsoft, Google și alte companii globale.
Studiați și domeniul mecanismelor cognitive și rețelelor neuronale biologice. Ne puteți spune mai multe?
Am în plan să explorez în detaliu mecanismele cognitive și rețelele neuronale biologice. Interesul meu provine din dorința de a înțelege cum funcționează creierul uman și cum putem aplica aceste cunoștințe pentru a dezvolta algoritmi de inteligență artificială mai eficienți și mai naturali. Studierea acestor mecanisme poate dezvălui noi modalități de îmbunătățire a procesării informațiilor și a învățării automate, deschizând calea pentru inovații în diverse domenii, de la medicină la tehnologie.
În plus, am un vis mai vechi legat de tranzistorul fotonic. Tranzistorul fotonic reprezintă o ambiție de lungă durată pentru mine, din dorința de a depăși limitările electronice ale tranzistorilor convenționali. Cum ar fi să existe o tehnologie bazată aproape exclusiv pe lumină?! Utilizarea fotonilor în loc de electroni pentru comutație promite viteze de procesare mult mai mari și eficiență energetică sporită. Acest proiect ar putea revoluționa industria semiconductorilor și a tehnologiei informației, oferind soluții pentru calculul de înaltă performanță și comunicare optică. Sper ca prin muncă, inspirație și noroc să pot contribui semnificativ la acest domeniu. Ne-am muta clar la un nou tip de civilizație, civilizația “luminii”.
Intenționez să continui explorarea frontierelor bioinformaticii și geneticii, securitate cibernetică și inteligență artificială, concentrându-mă pe dezvoltarea de noi algoritmi și metode de analiză a datelor.
Cum vedeți evoluția bioinformaticii în următorii 10 ani?
Bioinformatica va continua să joace un rol central în cercetarea biomedicală și în dezvoltarea de noi terapii. Rezultatele în inteligența artificială și învățarea automată vor permite analize mai sofisticate și interpretări poate mai precise ale datelor genetice. Vom vedea o creștere a integrării bioinformaticii cu alte discipline, cum ar fi medicina personalizată, pentru a oferi soluții de tratament adaptate individual. Această evoluție va transforma modul în care înțelegem și tratăm bolile complexe.
Vom vedea o creștere a aplicării inteligenței artificiale și învățării automate în diverse domenii. Noi direcții vor include dezvoltarea de tehnologii de interfață om-mașină, biotehnologie avansată și soluții sustenabile pentru problemele globale.
Ce mesaj aveți pentru cititorii Medica Academica?
Vă mulțumesc pentru oportunitatea de a împărtăși din experiența și perspectivele mele. Mesajul meu pentru cititori este să rămână curioși și deschiși la noi descoperiri. Într-o lume a științei în continuă schimbare, colaborarea și perseverența sunt esențiale.