Grantová agentura České republiky ve spolupráci s Lidovými novinami připravila sérii článků o základním výzkumu. Druhý díl představí výzkum českých vědců zaměřující se na dlouhověkost hmyzu. Přečíst si můžete také první díl o mikrobotech.
Před čtyřmi desetiletími vědci objevili enzym, který odsouvá dobu smrti buněk. Zdálo se, že s jeho využitím dokážou prodloužit život. I ten lidský. Dnes víme, že je to trochu složitější, ale naděje zdaleka nevymizela. I díky českým vědcům, kteří k poznání „enzymu mládnutí“ – možná překvapivě – přispívají výzkumem dlouhověkého hmyzu.
Radmila Čapková Frydrychová z Biologického centra Akademie věd ČR v Českých Budějovicích nachází předmět svého bádání na zahradě svého výzkumného ústavu – je to čtyřicet včelích úlů. Robert Hanus z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd v Praze má zase své zkoumané živočichy v laboratoři, v uměle vyrobených termitištích, pravidelně ale také vyráží na výzkum termitů po světě. Oba vědci zkoumají dlouhověkost hmyzu. Jejich společnou studii na toto téma publikoval v dubnu uznávaný mezinárodní odborný časopis Proceedings of the Royal Society B.
„Včelí dělnice i běžný samotářský hmyz žijí v dospělém věku několik týdnů či měsíců. Zato délka života včelí královny (včelaři jí říkají matka) je mnohonásobně delší. Včelí královny se mohou dožít i šesti až osmi let, i když v běžném včelstvu tomu tak nebývá. Včelaři totiž včelí matky vyměňují po dvou či třech letech za mladé, protože je známo, že výkonnost včelstev, a tedy i produkce medu, se stářím královny klesá,“ popisuje doktorka Čapková Frydrychová. „Protože v našem ústavu nechováme včely kvůli produkci medu, ale pro výzkumy, můžeme si dopřávat matky i mnohem starší než ty, které jsou k vidění v běžných produkčních včelstvech. U nich pak můžeme hledat, v čem je tajemství jejich dlouhověkosti.“
Král a královna termita druhu Prorhinotermes simplex, původem z Kuby, v doprovodu dvou dělníků (světlejší barva), vojáka (tmavší barva, velká kusadla) a larvy (bílá barva). Tento královský pár vede svou kolonii v pražské laboratoři již déle než dvacet let.
Foto: Robert Hanus
V porovnání se včelími královnami žijí králové a královny termitů ještě podstatně déle. Na rozdíl od včelích trubců, kteří jsou po oplození královny vyhnáni z úlu a odsouzeni k smrti, žije termití král spolu s královnou dlouhodobě v komůrce termitiště, z níž ostatně nedokážou vylézt, protože vyrostou a vstupní chodbičky se pro ně stanou příliš malými.
Zázračně omládnout
„Před dvaceti lety jsem souběžně studoval sociologii na filozofické fakultě a zoologii na fakultě přírodovědecké v Praze,“ líčí doktor Hanus. „Můj učitel mi říkal: To je nějaké schizofrenní, co kdybys to spojil a zkoumal společenské systémy v přírodě? Třeba společenský hmyz?“ Stalo se.
V Ústavu organické chemie a biochemie mají už téměř šedesát let kolonie termitů přivezené z Kuby. „Jako student připravující diplomku jsem tam jednoho dne přišel a vidím – termiti se nám rojí. To se stává jen jednou za několik let. Pochytali jsme tedy královny a krále, dali je v párech vždy jedna královna a jeden král do skleněné lékovky a přidali nějaké dřevo, aby měli co jíst,“ vzpomíná Robert Hanus. „Postupně jsme jim připravili jejich vlastní domečky a zvětšovali je podle potřeby. Péči o termity přebírali noví studenti. Až jednou jsem si uvědomil, že tu máme kolonie, které žijí deset, dvanáct nebo čtrnáct let – a pořád je v nich stejný král s královnou. Z nepřímých pozorování v terénu se o jejich dlouhověkosti ví. Ale my to tady máme doloženo přesnými záznamy, které vedeme. Od té doby uplynulo dalších pět let, dnes tu tedy prokazatelně máme i dvacetileté krále a královny,“ zdůrazňuje doktor Hanus.
Termitům se dříve říkalo bílí mravenci nebo také všekazi. I když se svým tělem, životem v koloniích i vytvářením velkých hnízd mravencům podobají, patří mezi šváby. Doktor Hanus nesouhlasí ani s českým pojmenováním všekazi. „Ano, lidé mají s termity někdy starosti. Třeba v jižních oblastech Spojených států, kde jsou nepůvodní a dostali se tam zřejmě s nějakým zbožím. Sežerou dřevěné domy, spořádají pražce železničních tratí a podobně. Ale drtivá většina z více než tří tisíc druhů termitů žije v tropických lesích a jsou to velmi užiteční býložravci, kteří podstatně přispívají k obnově lesních ekosystémů,“ říká.
To Radmila Čapková Frydrychová „své“ včely hájit nemusí, o jejich významu při opylování rostlin a produkci medu nikdo nepochybuje. Kromě dlouhověkosti královen je u včel nesmírně zajímavá schopnost regulovat rychlost stárnutí dělnic s ohledem na potřeby včelstva. „Když hrozí populační exploze a ve včelstvu je hodně vyvíjejících se larviček a kukel, začnou dělnice, aby uvolnily místo nadcházející generaci, stárnout rychleji. Mají tedy kratší život,“ popisuje. Pokud je naopak nastupující generace včel nedostatečná nebo je nedostatek mladých dělnic, starší dělnice mohou žít dvakrát až třikrát déle.
„V některých případech dokonce ,omládnou‘, což vidíme na biochemické či fyziologické úrovni,“ vysvětluje doktorka Čapková Frydrychová.
Avšak skutečně pozoruhodný je z pohledu délky života právě rozdíl mezi královnou (a u termitů i králem), která žije dlouhá léta, a řadovými jedinci v dané kolonii. Přitom genetická informace, tedy DNA, je u královny i krále stejná jako u dělnice nebo vojáka.
Vzrušující otázka tedy zní – jak je možné, že královna (a král) dokážou ze své genetické informace „vytáhnout“ o tolik delší život než ostatní nositelé úplně stejných genů?
Na cestě za věčným mládím
A tím se dostáváme k výzkumům, které ve světě trvají již dlouho a k nimž nyní oba zmínění čeští vědci spolu se svými kolegy přispěli právě díky zkoumání hmyzu. Ve druhé polovině 20. století už vědci dobře věděli, že jednotky dědičné informace neboli geny, v nichž jsou zakódovány všechny vlastnosti živých organismů, jsou v jádru buňky uloženy v jakýchsi „balíčcích“. Říká se jim chromozomy. Například člověk jich má 46, přičemž polovinu získá od otce a druhou polovinu od matky. A když se buňka dělí, chromozomy se musejí „překopírovat“ do nově vzniklé buňky, a to bezchybně, jinak by nastala porucha vývoje.
A pak, v sedmdesátých letech minulého století, vědci z různých koutů světa postupně objevili významný poznatek právě o tomto dělení buněk. Každý chromozom má totiž na svých koncích část zvanou telomera, kterou tvoří DNA a proteiny specifického složení. Jednou z funkcí telomer je být jakýmsi „nárazníkem“ – ochranou chromozomů před jejich zkracováním, které nastává u dělících se buněk v průběhu kopírování DNA. Pokud zkrácení chromozomů dosáhne kritické úrovně, další dělení už není možné, buňka přechází do fáze stárnutí a je také náchylnější k poškození různými chorobami. V osmdesátých letech však vědci prokázali, že zkracování chromozomů není přímočaré. Zjistili, že v některých buňkách vzniká enzym zvaný telomeráza, který se navazuje na konce telomer a délku chromozomů prodlužuje, a podařilo se jim potvrdit, že posílená aktivita telomerázy, která udržuje delší chromozomy v některých typech buněk i v lidském organismu, vede k dlouhověkosti jedince.
Samozřejmě to okamžitě vedlo k následujícímu nápadu: kdybychom dokázali telomerázu, třeba uměle vyrobenou, dodávat do více buněk, lidské tkáně by se lépe regenerovaly, a člověk by tedy byl déle mladší a zdravější! Vypadalo to, že elixír mládí je na dosah ruky.
Má to bohužel háček. Telomeráza hodně usilovně „pracuje“ v buňkách nádorových, čímž přispívá k jejich nekontrolovanému množení, o které samozřejmě nikdo nestojí. Takže se před vědci vynořily dva základní cíle. Jednak využít telomerázu pro regeneraci buněk, aniž by to v nich vyvolalo nádorové bujení. Anebo ji pojmout jako základ léčebného postupu proti rakovině – třeba její tvorbu v rakovinných buňkách narušit, a nádor tím zničit.
Na obojím se pracuje dodnes. Je to stále úkol pro takzvaný základní výzkum. Jeho posláním je v tomto případě nejdříve získat co nejvíce znalostí o telomerách a telomeráze, poznat, jak přesně v buňkách fungují, a pak bude jasnější, jak toho využít v medicíně. Základní výzkum obvykle neplatí soukromé firmy, protože pro ně bývá příliš nejistý a dlouhodobý, proto jej zpravidla financují státní instituce. Vědci své poznatky zveřejňují v odborných publikacích, odkud se o nich dozvídají další odborníci a mohou na ně navázat. Zveřejněné výsledky pak také mohou využít soukromé firmy pro své komerční technologie.
Jak to, že žijí tak dlouho? Termití králové a královny se dožívají mimořádně vysokého věku. Vědci zjišťují proč.
Při výzkumu „enzymu mládnutí“ v různých organismech vědce zajímá i to, jestli telomeráza může být jedním z faktorů dlouhověkosti i u společenského hmyzu. Do piplavé práce se pustili také čeští odborníci. „Sledovali jsme s kolegy aktivitu telomerázy v tělních buňkách včelí královny a tělních buňkách dělnic. A opravdu se ukázalo, že u královny je aktivita telomerázy mnohem větší než u dělnic. To jsme pak později viděli i při podobných pokusech u mravenců. Výsledky jsme publikovali v roce 2016,“ vzpomíná doktorka Čapková Frydrychová.
Pak se na ni obrátil doktor Hanus, že by mohli společně udělat podobný výzkum na termitech. Na projekt získali peníze od Grantové agentury ČR, které jim umožnily tři roky bádání.
Zpočátku projekt probíhal dle očekávání – rovněž v tělních buňkách termitích královen a králů byla telomeráza mnohem aktivnější než v buňkách řadových jedinců. Ale pak přišlo pořádné překvapení. „Vycházeli jsme z všeobecně převládajícího přesvědčení, že když bude telomeráza aktivní, budou se prodlužovat konce chromozomů. Ale k našemu překvapení jsme nic takového neviděli!“ zdůrazňuje doktorka Čapková Frydrychová.
„Abychom byli úplně přesní,“ navazuje doktor Hanus, „my nemůžeme s úplnou jistotou říct, že se některá telomera na konci chromozomu neprodloužila. Ale u žádné se nám to přes veškeré úsilí nepodařilo prokázat – a to je významné.“
Následně tedy vědci sledovali, jestli se buňky s vyšší aktivitou telomerázy u hmyzu více dělí, jak by se dalo čekat a jak je tomu třeba u jiných organismů. Ani to však nepozorovali.
Mozaika se teprve skládá
Co se tedy dá z výsledků, které vědci publikovali v Proceedings of the Royal Society B, vyvodit? V první řadě to, že dosavadní poznatky o „enzymu mládnutí“ nejsou univerzální. „Prokázali jsme, že královny a králové nemají nijak delší chromozomy, které by jim umožňovaly déle žít. Ve vztahu k telomeráze bude mechanismus dlouhověkosti u hmyzu zřejmě odlišný, a to, co se o telomeráze píše v učebnicích, nemusí všeobecně platit,“ zamýšlí se Robert Hanus.
„Pokud je telomeráza v buňkách králů a královen spjata s regulací dlouhověkosti, je pravděpodobné, že to bude skrze nějakou jinou její funkci, než je ta, kterou tento enzym zajišťuje obnovu délky telomer,“ navazuje Radmila Čapková Frydrychová. „Máme nějaké hypotézy, snad se nám je podaří ověřit.“
Výzkum tedy skončil prozatím tak, že vědci mají víc otázek než na začátku. V odborné literatuře se objevují vědecké zprávy také z dalších světových laboratoří, které při zkoumání telomerázy třeba u myší, ale i u lidí, dospívají k závěru, že tento enzym má rovněž další funkce, nezávislé na prodlužování telomer. Je možné, že právě tyto funkce se uplatňují při dlouhověkosti společenského hmyzu. Které to jsou?
„O tom si ještě netroufám spekulovat. Děláme základní výzkum, u něho nikdy předem nevíte, k čemu nakonec povede,“ shrnuje doktor Hanus. A doktorka Čapková Frydrychová jen dodává: „Pořád je jasné, že výzkum telomer a telomerázy má obrovský potenciál pro biologii. Základní výzkum je takové skládání mozaiky, do níž světové vědecké týmy přidávají kamínky poznatků, až z nich nakonec vznikne celkový obrázek. Sama jsem moc zvědavá, jaký v tomto případě bude a jestli jej potom dokážeme využít třeba i v medicíně.“
Zkoumání mikrosvěta usnadní vědcům průkopnická technika mikroskopického zobrazení založená na transformaci geometrické fáze světla, která je výsledkem společného projektu Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a CEITEC Vysokého učení technického v Brně. Metoda transformace geometrické fáze světla rozšířila mikroskopii o nové možnosti kvantitavního fázového zobrazení živých buněk a poskytla měření nanostruktur dříve nedostupná pro optickou mikroskopii.
Metoda zviditelnění objektů mikrosvěta, které jen slabě pohlcují a rozptylují světlo, v minulosti způsobila revoluci v optické mikroskopii a byla oceněna Nobelovou cenou. „Poslední dvě desetiletí přinesla v této oblasti další významný pokrok v podobě kvantitativní fázové mikroskopie, která dává možnost transparentní objekty, jakými jsou například živé buňky a tkáně, výpočetně rekonstruovat a kvantifikovat jejich parametry důležité pro biologii,“ uvedl Zdeněk Bouchal z katedry optiky. Společný projekt PřF UP Olomouc a CEITEC VUT Brno proto cílil na vytvoření nové platformy kvantitativní mikroskopie, později nazvané geometricko-fázová mikroskopie. Metoda využívá nové principy a technologie ovládání světla. „Chtěli jsme tímto způsobem sloučit výhody a překonat omezení dosud užívaných zobrazovacích metod,“ podotkl Zdeněk Bouchal.
Vědci se zaměřili na fázi světla, která přenáší obrazovou informaci a současně hraje zásadní roli při řízení a tvarování světla. Přes živé buňky a jiné transparentní objekty totiž světlo prochází jinou rychlostí než přes okolní prostředí. „Tím je pozměněna optická dráha světla a modulována jeho fáze, obvykle nazývaná dynamická fáze. Stejného efektu je využito u tradičních optických elementů, které díky proměnné tloušťce světlo rozdílným způsobem zpomalují a tím světelné vlny tvarují,“ uvedl Zdeněk Bouchal.
Technologie vyvíjené v posledních letech dávají možnost světelné vlny formovat zcela odlišným způsobem. Slouží k tomu geometrická (Pancharatnam-Berryho) fáze, která nezávisí na optické dráze světla, ale mění se při transformaci jeho polarizačního stavu. „Ovládání světla pomocí geometrické fáze tak nevyžaduje objemovou optiku a je realizováno v tenkých strukturách s řadou dalších výhod. Tato strategie otevřela nové experimentální možnosti a stala se základem vyvinuté geometricko-fázové mikroskopie,“ řekl Zdeněk Bouchal.
Výsledky vědeckého projektu zaměřeného na geometricko-fázovou mikroskopii byly podle Zdeňka Bouchala úspěšně testovány v několika vědeckých oblastech. „V biologickém výzkumu geometricko-fázová mikroskopie prokázala svůj potenciál pokročilým, ale rutinně proveditelným neinvazivním fázovým zobrazením, které bylo realizováno ve snadno dostupném a mimořádně stabilním jednocestném systému,“ uvedl Radim Chmelík, spoluřešitel projektu z VUT v Brně. Experimenty byly zaměřeny na měření suché hmoty buněk, klasifikaci buněk na základě morfologických parametrů a vizualizaci dynamiky živých buněk. „Takové výsledky bylo dříve možné získat jen pomocí dvoucestných systémů, které jsou velmi citlivé na vnější vlivy a mají technicky složité a nákladné provedení,“ upozornil Radim Chmelík.
Provedené experimenty podle Zdeňka Bouchala ukázaly, že princip geometricko-fázové mikroskopie je předurčen pro optickou diagnostiku struktur vytvářených v polymerních kapalných krystalech a plasmonických metapovrších. Tyto struktury totiž disponují prostorově proměnnou anizotropií, která je potřebná pro modulaci geometrické fáze světla. „Za největší přínos pro tuto oblast považujeme měření optické odezvy multifunkčních komponent vytvářených v plasmonických metapovrších, která dosahovala citlivosti až k jednotlivým nanoanténám. To bylo dříve možné jen se skenovací elektronovou mikroskopií,“ řekl Petr Bouchal z VUT, který prováděl experimenty.
Univerzálnost a mezioborový potenciál geometricko-fázové mikroskopie potvrdila její aplikace při studiu přírodních fotonických struktur. V provedeném experimentu se podařilo s vysokým prostorovým rozlišením rekonstruovat kutikulu brouků skarabeů, známých polarizačně selektivním odrazem světla. Experimentální data objasnila prostorovou strukturovanost barev v mikroskopických obrazech těchto brouků. „Nás samotné i odbornou veřejnost překvapilo zjištění, že jednotlivé buňky kutikuly vytvářejí tisíce téměř dokonalých světelných svazků mikrometrových rozměrů, známých jako nedifrakční besselovské svazky. Takové světelné svazky jsou zkoumány v optických laboratořích a náš výzkum dokumentoval jejich první výskyt v přírodě,“ podotkl Petr Bouchal.
Společný výzkumný tým byl tvořen čtyřmi vědeckými pracovníky, třemi postdoktorandy a pěti doktorandy. Výsledky vědecké práce olomouckých a brněnských badatelů byly prezentovány 10 publikacemi v impaktovaných časopisech zahrnujících Nano Letters, Nanoscale, ACS Photonics nebo Scientific Reports. Systém geometricko-fázové mikroskopie vyvinuté v projektu podpořeném GA ČR je patentově chráněn v sedmi zemích světa.
Autor: Přírodovědecká fakulta, Univerzita Palackého v Olomouci
