Vladimír Šindelář absolvoval inženýrská a doktorská studia, která se zabývala chemií polyimidů, na VŠCHT v Praze pod vedením prof. Petra Sysla. Následně strávil dohromady tři roky na postdoktorandských pobytech zaměřených na organickou syntézu a supramolekulární chemii. Nejprve působil na Heriot-Watt University ve skupině prof. Graema Cooka a poté na University of Miami ve skupině prof. Angela E. Kaifera. Od roku 2005 vede výzkumnou skupinu na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity.
Popis oceněného projektu Chirální bambusurily
Bambusurily jsou organické látky, jejichž molekula má tvar trubičky vysoké přibližně jeden nanometr. Podobá se části bambusovému stvolu, podle kterého ji pojmenoval jejich objevitel a řešitel projektu Vladimír Šindelář. Bambusurily v sobě dokážou uchovávat záporně nabité látky (anionty), a díky tomu mohou být využity k diagnostice nebo léčbě některých nemocí, například cystické fibrózy, případně pro sledování kvality některých potravin.
Vladimír Šindelář se blíže zaměřil na takzvané chirální bambusurily, jejichž molekula není totožná s jejím zrcadlovým obrazem. V rámci oceněného projektu takové bambusurily vytvořil a ukázal, že jsou schopny k sobě přednostně vázat pouze jeden z dvojice chirálních aniontů. Tím lze rozdělit dvojice aniontů a získat jen ty, které vykazují požadované vlastnosti, například vhodnou biologickou aktivitu. Díky tomu bude možné bambusurily využít například při přípravě léčiv.
Martin Pivokonský je environmentální chemik, hydrochemik a vodárenský technolog. V současnosti je ředitelem Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR a přednáší na Přírodovědecké fakultě UK. Profesně se zabývá výzkumem v oblasti znečištění a úpravy vody. Je autorem řady publikací v prestižních světových periodikách, příspěvků na mezinárodních konferencích a odborných knih. Je také tvůrcem řady technologií realizovaných na úpravnách vody, užitných vzorů, patentů a ověřených technologií.
Popis oceněného projektuVliv organických látek produkovaných fytoplanktonem na vlastnosti vloček tvořených během koagulace/flokulace při úpravě vody
Přes dvě miliardy lidí nemají přístup k nezávadné vodě. Úpravu vody na pitnou ztěžuje přemnožení sinic a jimi produkovaných organických látek, takzvaných AOM (algal organic matter) – ty například způsobují poruchy úpravy vody, komplikují odstraňování pesticidů nebo přispívají k vzniku vedlejších toxických produktů čištění.
V rámci oceněného projektu zkoumal Martin Pivokonský vliv AOM na průběh úpravy vody při různé intenzitě míchání. Zásadním přínosem projektu je zjištění, že pokud se změní intenzita míchání, nedochází ke změně velikosti vloček, které odstraňují znečišťující příměsi vody, plynule, ale skokově. Ve výsledku tak tyto podmínky rozhodují, jak bude celý proces úpravy vody účinný.
Projekt přispěl k prohloubení teoretických znalostí úpravy vody koagulací a flokulací, při níž dochází k interakci znečišťujících příměsí s látkami, které vodu upravují na pitnou. Zjištění Martina Pivokonského lze využít ke zlepšení stávajících technologií úpraven vody, a tím zajistit pitnou vodu i v případě přemnožení řas a sinic.
Ve čtvrtek 30. září budou již po osmnácté uděleny Ceny předsedy GA ČR za vynikající základní výzkum. Odborníky na dané vědní oblasti bylo nominováno 32 projektů financovaných GA ČR a ukončených v minulém roce. Jakých pět vědců cenu získá? To, se můžete dozvědět i díky živému on-line přenosu z Profesního domu Matematicko-fyzikální fakulty UK, který bude dostupný na této stránce od 14 hodin.
Cena předsedy GA ČR je udělována jako ocenění mimořádných výsledků dosažených při řešení grantových projektů ukončených v předchozím roce. Na základě doporučení několika stovek vědců bylo do užšího výběru na Cenu předsedy GA ČR za rok 2021 nominováno 32 projektů. Již příští čtvrtek proběhne slavnostní udělení Ceny předsedy pěti vybraným laureátům jako ocenění jejich projektů z pěti oblastí základního výzkumu: technických věd; věd o neživé přírodě; lékařských a biologických věd; společenských a humanitních věd a zemědělských a biologicko-environmentálních věd.
Kdo Cenu z uvedených nominovaných vědců získá? Podívejte se na živý on-line přenos předávání Ceny předsedy GA ČR z Profesního domu, kde budou laureáti vůbec poprvé představeni. Přenos poběží ve čtvrtek 30. září 2021 od 14 hod.
Seznam nominovaných řešitelů a projektů na Cenu předsedy GA ČR 2021
prof. Mgr. Tomáš Albrecht, Ph.D., Ústav biologie obratlovců AV ČR, v. v. i.
název projektu: Latitudinální a altitudinální trendy v pace-of-life syndromech Afrotropických a Evropských pěvců
prof. RNDr. Zdeněk Bouchal, Dr., Přírodovědecká fakulta UPOL
název projektu: Nové možnosti kvantitativního fázového zobrazení dosažené průkopnickými technologiemi pro transformaci geometrické fáze světla
prof. RNDr. Viktor Brabec, DrSc., Biofyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
název projektu: Ovlivnění rezistence nádorových buněk k chemoterapii s cílem obnovit jejich citlivost k novým, existujícím a dosud neúspěšným metalofarmakům
prof. Mgr. Marek Eliáš, Ph.D., Přírodovědecká fakulta OU
název projektu: Temná strana biologie plastidů: evoluce a funkce leukoplastů u řas
doc. RNDr. František Gallovič, Ph.D., Matematicko-fyzikální fakulta UK
název projektu: Bayesovská analýza parametrů zemětřesení: kinematické a dynamické modely zdroje konečných rozměrů
doc. Ing. Pavel Jelínek Ph.D., Přírodovědecká fakulta UPOL
název projektu: Formovaní kovalentních molekulárních komplexů na površích pomocí světlem řízených chemických reakcí
prof. Ing. Igor Jex, DrSc., Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT
název projektu: Fotonické kvantové sítě
Mgr. Petr Kadlec, Ph.D., Filozofická fakulta OU
název projektu: Vzdělání, hospodářství a společnost 1848–1914: Socioekonomické souvislosti rozvoje profesně-vzdělávací infrastruktury v rakouském Slezsku
doc. RNDr. Ing. Martin Kalbáč, Ph.D., Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, v. v. i.
název projektu: Chytré póry v atomárně tenkých membránách z dvojdimenzionálních krystalů
doc. JUDr. David Kosař, Ph.D., LL. M., J. S. D., Právnická fakulta MU
název projektu: Beyond Compliance-Implementace rozhodnutí mezinárodních lidskoprávních těles na národní úrovni
prof. RNDr. Antonín Kučera, Ph.D., Fakulta informatiky MU
název projektu: Algoritmy pro diskrétní systémy a hry s nekonečně mnoha stavy
RNDr. Zdeněk Lánský, Ph.D., Biotechnologický ústav Akademie věd ČR
název projektu: In vitro rekonstituce mitochondriálního transportního komplexu
doc. Ing. Mgr. Martin Lux, Ph.D., Sociologický ústav AV ČR, v. v. i.
název projektu: Rizika a důsledky využití investic domácností do bydlení pro zvýšení příjmů v důchodovém věku
RNDr. Jiří Macas, Ph.D., Biologické centrum AV ČR, v. v. i.
název projektu: Využití nových modelů a technologií k objasnění determinace centromer u rostlin
prof. Ing. Petr Němec, Ph.D., Fakulta chemicko-technologická UPCE
název projektu: Pokročilé metody přípravy tenkých vrstev chalkogenidů a jejich modifikace
prof. Dr. Ing. Petra Patáková, Fakulta potravinářské a biochemické technologie VŠCHT
název projektu: Vztah mezi efluxem butanolu a tolerancí k butanolu u klostridií
doc. RNDr. Martin Pivokonský, Ph.D., Ústav pro hydrodynamiku AV ČR, v. v. i.
název projektu: Vliv organických látek produkovaných fytoplanktonem na vlastnosti vloček tvořených během koagulace/flokulace při úpravě vody
PhDr. Lumír Poláček, CSc., Archeologický ústav AV ČR, Brno, v. v. i.
název projektu: Životní styl a identita velkomoravské aristokracie: archeologická a bioarcheologická analýza dokladů nejvyšších elit v Mikulčicích
doc. Mgr. Kamil Postava, Dr., Fakulta elektrotechniky a informatiky VŠB-TUO
název projektu: Pokročilé spin-fotonické a kvantově nelineární zdroje světla
prof. MUDr. Jiří Raboch, DrSc., 1. lékařská fakulta UK
název projektu: Nové krevní biomarkery pro včasnou diagnostiku, prognózu a průběh Alzheimerovy nemoci
doc. PhDr. Marie Rakušanová, Ph.D., Filozofická fakulta UK
název projektu: Hypnotizér moderního malířství. Bohumil Kubišta a neklid raných evropských avantgard
doc. Jakub Sirovátka, Dr. phil., Teologická fakulta JU
název projektu: Proměny vztahu etiky a náboženství v díle Immanuela Kanta
prof. Ing. Peter Šebo, CSc., Mikrobiologický ústav AV ČR, v. v. i.
název projektu: Interakce původce černého kašle s respiračním epitelem
prof. Mgr. Klára Šeďová, Ph.D., Filozofická fakulta MU
název projektu: Vztah mezi charakteristikami výukové komunikace a vzdělávacími výsledky žáků
Ing. Hana Šimonová, Ph.D., Fakulta stavební VUT
název projektu: Pokročilý popis šíření trhlin v kompozitech na bázi alkalicky aktivované matrice
prof. Ing. Vladimír Šindelář, Ph.D., Přírodovědecká fakulta MU
název projektu: Chirální bambusurily
Ing. Helena Škutková, Ph.D., Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT
název projektu: Výkonnostní techniky pro sestavování a anotaci bakteriálního genomu využívající číslicové zpracování genomických signálů
doc. RNDr. Jan Šťovíček, Ph.D., Matematicko-fyzikální fakulta UK
název projektu: Kvadratické formy a numerační systémy nad číselnými tělesy
prof. Abigail Tucker, Ústav experimentální medicíny AV ČR, v. v. i.
název projektu: Určení buněčného osudu v zubní plakodě: výzkum signálních faktorů, které determinují předurčení osudu buněk v časné ústní dutině
prof. MUDr. Ladislav Vyklický, DrSc., Fyziologický ústav AV ČR, v. v. i.
název projektu: Molekulární, buněčné a behaviorální účinky steroidů působících na NMDA receptorech
RNDr. Anna Vymazalová, Ph.D., Česká geologická služba
název projektu: Experimentální a mineralogický výzkum vybraných chalkogenidů a slitin Pt-kovů
prof. RNDr. Michaela Wimmerová, Ph.D., Přírodovědecká fakulta MU
název projektu: Lektiny a jejich úloha v interakci patogen/hostitel a buněčném rozpoznávání
Před deseti lety získal ve fotovoltaice nejčastěji užívaný polovodič křemík silného konkurenta – organicko-anorganické halogenidové perovskity. Od roku 2012 dokázali vědci zvýšit jejich fotovoltaickou účinnost na hodnotu přesahující 25 procent, zatímco u křemíku trval nárůst na stejnou hodnotu více než 60 let. Jak je možné, že tyto materiály dosáhly takto vysokých účinností za tak krátký čas? Martinu Ledinskému z Fyzikálního ústavu Akademie věd se díky Juniorskému grantovému projektu GA ČR podařilo dokázat, že defekty ve struktuře těchto materiálů nemají zásadní dopad na jejich optoelektronické vlastnosti, a tedy ani na účinnost fotovoltaické přeměny energie.
V čem spočívá výhoda perovskitů oproti křemíku?
Nedokonalosti krystalové mříže, takzvané defekty, jsou jedním z největších problémů fotovoltaiky, protože omezují účinnost fotovoltaického článku. U polovodičů, jako jsou křemík, arsenid gallia nebo germanium, je pro výrobu účinných solárních článků nutné připravit téměř dokonalý monokrystal. Monokrystal je obvykle velmi pomalu tažen z roztaveného materiálu při teplotách převyšujících 1000 °C. Jeho příprava je tedy energeticky velmi náročná.
Když se před deseti lety objevila pro fotovoltaiku úplně nová skupina polovodičů, halogenidových perovskitů, vědci z tohoto oboru velmi rychle poznali, že tyto materiály v sobě ukrývají obrovský potenciál. Důvod byl možná trochu překvapivý, ukázalo se totiž, že velmi dobře svítí, například v LED struktuře. To je znak vysoké kvality polovodiče a dobrý předpoklad pro excelentní výsledky ve fotovoltaice.
Halogenidové perovskity jsou připravovány za relativně velmi nízkých teplot 60 až 90 °C, což je velmi výhodné z hlediska energetických nákladů. Navíc je potřeba jen necelý mikrometr tenká vrstva a to je téměř tisíckrát méně materiálu než v případě křemíku. Ale právě nízká teplota vede k materiálům s velmi vysokou hustotou defektů, která je u perovskitů o několik řádů vyšší v porovnání s křemíkovým monokrystalem. Přesto všechna měření ukazují na velmi kvalitní materiál, který defekty významně neomezují.
Martin Ledinský, řešitel projektu
Čím to je, že u perovskitů nevadí defekty, a jsou vhodné pro fotovoltaiku?
Zásadní pro pochopení defektů v halidových perovskitech je pojem elektricky aktivní defekt, který jsme v našich pracích zavedli. Foton slunečního světla pohlcený v polovodiči v solárním článku vygeneruje elektron ve vodivostním pásu a zanechá ve valenčním pásu odpovídající díru, která se chová jako kladný náboj. Velká většina defektů v halidových perovskitech s těmito volnými nosiči náboje vůbec neinteraguje a především neumožňuje jejich zpětnou rekombinaci. V důsledku toho se elektrony a díry mohou v perovskitech volně pohybovat na vzdálenosti několika stovek nanometrů, což jsou vzdálenosti zcela dostačující pro efektivní fotovoltaickou přeměnu. Takovéto defekty potom nazýváme elektricky neaktivními defekty. Důsledkem jejich neaktivity je vysoká účinnost luminiscence. Při osvětlení tyto defekty dokonce migrují materiálem a zastavují se až na hranicích zrn, což je jeden z čisticích mechanismů snižující hustotu defektů. Halidové perovskity se tedy chovají jako velmi kvalitní polovodiče, ačkoli ve skutečnosti mají defektů požehnaně.
Organicko-anorganické halogenidové perovskity, které se využívají pro fotovoltaiku, zkoumají desetitisíce vědců. Jak se vám podařilo objasnit jednu z jejich zásadních vlastností?
Nosiče náboje v polovodičích interagují jak s defekty, tak s kmity mříže – fonony. Rozlišení mezi těmito dvěma efekty je netriviální, ale zásadní. Zatímco interakce s fonony je nevyhnutelná materiálová vlastnost, defektní interakci se dá předcházet, například přípravou kvalitnějšího materiálu – jako je tomu u krystalického křemíku.
Prvotní nápad na experiment, který by oba vlivy odlišil, vznikl během debaty s izraelským kolegou Davidem Cahenem o možném významu výsledků pocházejících ze studia teplotní závislosti absorpčních spekter těchto materiálů. Pro studium defektů jsme si vybrali materiály připravované kolegy ze Solárního centra Technické a vědecké univerzity krále Abdalláha (KAUST). Tato spolupráce nám zajistila nejkvalitnější dostupné vzorky, které mají po implementaci do solárních článků vysoké účinnosti. Na těchto vzorcích jsme měřili fotoluminiscenci halidových perovskitů při různých teplotách. Jak se materiál chladil, ubývalo interakcí nosičů náboje s mřížkou, resp. s fonony, ale příspěvek defektů v materiálu zůstával beze změny. Následkem toho se výrazně měnilo fotoluminiscenční spektrum a z jeho závislosti na teplotě jsme určili, nakolik elektron interaguje s kmity krystalické mříže a nakolik s defekty. Zjistili jsme, že elektrony mnohem více interagují s kmity mříže než se strukturními defekty, a v porovnání s krystalickým křemíkem je interakce s defekty dokonce výrazně nižší, ačkoli na samotný počet defektů halogenové perovskity jednoznačně vedou.
Z našich výsledků vyplývá, že nemá význam pokoušet se o výrobu solárních článků z monokrystalů, ale důležitější je kontrolovat povrch a hranice zrn halidových perovskitů.
Prosadí se perovskity v konkurenci krystalického křemíku?
Porovnání s krystalickým křemíkem je samozřejmě nutné, důležité a do jisté míry jej lze vnímat jako konkurenci. Ale zdá se, že křemík bude v blízké budoucnosti spíše partnerem halidových perovskitů v takzvaných tandemových solárních článcích. Pokud umístíme dva solární články s vhodnými vlastnostmi nad sebe, mohou využívat sluneční záření efektivněji, než když jsou použity jednotlivě. Již dnes jsou dvojčlánky perovskitu a křemíku výhodnější než jejich jednotlivé komponenty. Rekordní účinnost těchto dvojčlánků dosahuje již téměř 30 procent. Proto se tato kombinace zkoumá nejen v laboratořích, ale i ve výzkumných centrech fotovoltaických firem po celém světě. Budoucnost je tedy zřejmě v kombinaci těchto dvou materiálů, i když z pozice halidových perovskitů je nutný ještě velký skok kupředu. Nestačí jen vyrobit účinný perovskitový článek, je také nutné, aby takto vydržel po dobu alespoň 30 let stejně jako křemíková fotovoltaika. To je jedna z navazujících fotovoltaických výzev a téma pro další výzkum.
Grantová agentura České republiky (GA ČR) vyhlašuje výzvu pro podávání projektů na principu hodnocení Lead Agency s předpokládaným počátkem řešení v roce 2023. Výzva se týká projektů financovaných ve spolupráci s polskou agenturou National Science Centre (NCN) v rámci iniciativy Weave. V této výzvě vystupuje polská agentura NCN jako Lead Agency, tedy hodnotí návrhy projektů a GA ČR výsledky hodnoticího procesu přebírá.
Přihláška
Soutěžní lhůta začíná 15. 9. 2021. Českou část přihlášky je možné podávat nejpozději do 22. 12. 2021, tedy do 7 dnů po oficiálním deadlinu 15. 12. 2021 (do 16:00), který stanovila pro polské uchazeče agentura NCN. Čestná prohlášení/prohlášení o způsobilosti zasílejte do datové schránky a8uadk4 do výše uvedeného termínu podání české části přihlášky, jako předmět zprávy uveďte „LA – způsobilost“.
Pravidla pro podávání návrhů projektů a formuláře čestných prohlášení k prokázání způsobilosti naleznete níže v příloze nebo v záložce „Zadávací dokumentace“.
Upozorňujeme, že nesoulad informací na české a polské straně v počtu členů týmů a jejich zařazení včetně výše požadovaných mezd nebo v jiných uvedených informacích může na straně NCN být důvodem k vyřazení projektu z formálních důvodů.
Projekty jsou max. tříleté.
Souběhy návrhů projektů
Pro souběhy návrhů projektů, ve kterých vystupuje stejná osoba navrhovatele nebo spolunavrhovatele, platí pravidlo stanovené v čl. 3 odst. 14 Pravidel s tím rozdílem, že projekty podané do této výzvy se budou započítávat do maximálního počtu návrhů projektů podaných do výzev s předpokládaným počátkem řešení v roce 2023.
Návrhy projektů podané do této výzvy se nebudou započítávat do maximálního počtu návrhů projektů podaných do výzev s předpokládaným počátkem řešení v roce 2022.
I ve třetím dílu seriálu se můžete seznámit s řešitel projektů JUNIOR STAR. Tuto grantovou soutěž vypsala Grantové agentura České republiky (GA ČR) poprvé v loňském roce. Celkem podpořila 30 projektů z více než tří stovek. Na projekty, které prošly výběrovým procesem výhradně zahraničních odborníků, získají začínající vědci až 25 milionů korun.
Díky soutěži JUNIOR STAR získávají vědci nejdéle do 8 let od ukončení doktorského studia možnost se vědecky osamostatnit a případně i vybudovat novou vědeckou skupinu s moderním vybavením. Soutěž je určena pro zkušené začínající mladé vědce s významnou zahraniční zkušeností. Tu mohou uchazeči v dalších letech získat například i díky letos nově vyhlášené soutěži POSTDOC INDIVIDUAL FELLOWSHIP.
Další podpořené projekty naleznete v prvním a druhém dílu seriálu. Jeho pokračování můžete očekávat v dalších týdnech.
POKROČILÉ STRUKTURY PRO TEPELNOU IZOLACI V EXTRÉMNÍCH PODMÍNKÁCH
Ing. Mohanapriya Venkataraman, Ph.D., Fakulta textilní Technické univerzity v Liberci
„Pocházím z Indie, kde je oproti Česku teplé podnebí, a proto mi bývá občas chladno. Díky tomu jsem si uvědomila, jak důležitý je náš výzkum, jehož zásluhou vzniknou materiály, které ochrání lidi před extrémními klimatickými podmínkami.“
Mohanapriya Venkataraman si v rámci projektu JUNIOR STAR klade za cíl popsat mechanismus přenosu tepla a vytvořit systém pro konstrukci tepelně izolačních vrstev.
„Hledám nové způsoby, jak zajistit lidem komfort v chladných podmínkách. Zkoumám nové typy materiálů a technik, které poskytnou zvýšenou ochranu v extrémních podmínkách,“ říká vědkyně, která původně pracovala pro známou oděvní společnost Victoria´s Secret. Po několika letech si však uvědomila, že by ji více naplňovalo věnovat se výzkumu, který ji přivedl z rodné Indie až do České republiky na Fakultu textilní Technické univerzity v Liberci, kde působí dodnes.
Vědkyně se s týmem zabývá tepelným chováním vysoce výkonných textilií. V rámci projektu vyvine nové materiály, metodiku vytváření tepelně izolačních vrstev a také vybuduje speciální měřicí tunel pro měření celkových tepelných ztrát textilií v oblastech pod 0°C. Tento přístroj bude důležitým nástrojem pro další vědce, protože současná zařízení jsou založena na měření za standardních klimatických podmínek, a proto nejsou použitelná pro extrémní teploty.
Výsledky projektu přispějí k vývoji lehčího a méně objemného oblečení, které poskytne lepší ochranu v extrémním počasí – zejména vojákům a sportovcům ve vysokých nadmořských výškách.
LOGICKÁ STRUKTURA INFORMAČNÍCH KANÁLŮ
Mgr. Vít Punčochář, Ph.D., Filosofický ústav Akademie věd České republiky
„Projekt přispěje k lepšímu porozumění pojmu informace, který podstatně ovlivňuje charakter současné informační společnosti.“
Projekt JUNIOR STAR propojuje základní filosofické otázky se zajímavými matematickými problémy. Matematika a filosofie jsou vnímány jako velmi odlišné disciplíny, avšak pro tento projekt je matematický přístup stejně nezbytný jako filosofický. Na jedné straně stojí pozoruhodné abstraktní matematické modely informace v podobě tzv. systémů substrukturálních logik. Na druhé straně vyvstává otázka, jak přesně se tyto matematické modely vztahují k realitě mimo obor matematiky a jaká je jejich sféra aplikovatelnosti. Tato otázka představuje složitý filosofický problém, který zatím není vyřešen. Ambiciózní projekt si klade za cíl k tomuto řešení výraznou měrou přispět a pokusit se tak objasnit pojem informace.
„Zkoumám velmi abstraktní téma, které prostupuje všemi aspekty našeho života, jelikož se týká všudypřítomného pojmu informace. Informace je něco, co nám umožňuje překračovat naši bezprostřední zkušenost. Například z pohledu na stopu v písku získáme informaci o předchozí přítomnosti člověka, z pohledu na inkoust na novinovém papíře získáme informaci o událostech odehrávajících se tisíce kilometrů daleko. Schopnost těžit z charakteru bezprostředně dané situace informace o tom, co se odehrává mimo rámec této situace, je zcela klíčová pro naše přežití,“ říká Vít Punčochář z Filosofického ústavu Akademie věd České republiky.
V dnešní době člověk využívá velké množství technologických nástrojů pro práci s informacemi, aniž by měl hluboký vhled do podstaty informace. Podpořený projekt přinese důležité poznatky, díky kterým lépe porozumíme tomuto základnímu pojmu, na kterých současná globální informační společnost stojí.
OBJASNĚNÍ INTERAKCE MEZI NITRIFIKACÍ A OXIDACÍ METANU A NÁSLEDNÉ EKOLOGICKÉ DOPADY
Dr. Anne Daebeler, Biologické centrum Akademie věd České republiky
„Zkoumáme dvě skupiny interagujících všudypřítomných mikrobů, které jsou přímo spojeny s globální změnou. Hlubší poznání této interakce nám pomůže lépe chránit naši planetu před změnami klimatu.“
Podpořený projekt se zaměřuje na dvě skupiny mikrobů – metanotrofy a nitrifikátory. Ty jsou odpovědné za přeměnu reaktivního dusíku a oxidaci metanu, a jsou tak přímo spojeny s globální změnou klimatu. Metanotrofy mohou zabránit emisím skleníkových plynů „požíráním“ metanu, zatímco nitrifikátory obvykle způsobují globální změnu tím, že produkují skleníkové plyny a znečišťují prostředí (např. půdu, vodu a sediment) reaktivním dusíkem.
Řešitelka projektu předpokládá, že vzájemné interakce mezi těmito dvěma skupinami významně ovlivňují rychlost těchto procesů.
„Vždy mě fascinoval obrovský dopad malých forem života, které nelze spatřit pouhým okem. Mikrobi jsou nesmírně rozmanití a vyskytují se všude kolem nás, avšak my toho o jejich interakcích víme prozatím velmi málo. Proto chci zkoumat jejich povahu a zjistit, jaký mají ekologický dopad na planetu Zemi,“ popisuje svůj výzkum Anne Daebeler z Výzkumné infrastruktury SoWa Biologického centra AV ČR.
Projekt přinese důležité poznatky, které lze využít k lepšímu modelování procesů globálních změn a také k vývoji ekologičtějších zařízení a postupů v zemědělství nebo při úpravě vody. Tento projekt se zaměří na prozkoumané vzájemné souvislosti mezi cykly uhlíku a dusíku, což pomůže předvídat i zmírňovat změny klimatu, a chránit tak ekosystémy Země.
Na konci minulého roku byla ve spolupráci se Science Europe spuštěna iniciativa Weave, která do roku 2025 propojí dvanáct evropských agentur financujících základní výzkum. Tato iniciativa umožní snáze podporovat excelentní mezinárodní bilaterální i trilaterální výzkumné projekty. Do iniciativy Weave byla zahrnuta již existující partnerství GA ČR s rakouskou, německou, polskou, švýcarskou a slovinskou agenturou. V letošním roce GA ČR navázala díky Weave partnerství s lucemburskou agenturou a s dalšími agenturami se propojí v následujících letech.
Prvním projektem financovaným GA ČR v rámci iniciativy Weave se stane projekt „Vis4Schools: Podpora gramotnosti vizualizace informací ve školách“, jehož řešitelkou na české straně bude Dipl-Ing. Dr. Simone Kriglstein z Fakulty informatiky Masarykovy univerzity. Tříletý projekt budou společně řešit vědci z České republiky a Rakouska. Financování české části projektu se ujme GA ČR, zatímco náklady rakouských vědců budou financovány z rozpočtu rakouské agentury Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF).
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
Abychom poskytli co nejlepší služby, používáme k ukládání a/nebo přístupu k informacím o zařízení, technologie jako jsou soubory cookies. Souhlas s těmito technologiemi nám umožní zpracovávat údaje, jako je chování při procházení nebo jedinečná ID na tomto webu. Nesouhlas nebo odvolání souhlasu může nepříznivě ovlivnit určité vlastnosti a funkce.
Funkční
Vždy aktivní
Technické uložení nebo přístup je nezbytně nutný pro legitimní účel umožnění použití konkrétní služby, kterou si odběratel nebo uživatel výslovně vyžádal, nebo pouze za účelem provedení přenosu sdělení prostřednictvím sítě elektronických komunikací.
Předvolby
Technické uložení nebo přístup je nezbytný pro legitimní účel ukládání preferencí, které nejsou požadovány odběratelem nebo uživatelem.
Statistiky
Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro statistické účely.Technické uložení nebo přístup, který se používá výhradně pro anonymní statistické účely. Bez předvolání, dobrovolného plnění ze strany vašeho Poskytovatele internetových služeb nebo dalších záznamů od třetí strany nelze informace, uložené nebo získané pouze pro tento účel, obvykle použít k vaší identifikaci.
Marketing
Technické uložení nebo přístup je nutný k vytvoření uživatelských profilů za účelem zasílání reklamy nebo sledování uživatele na webových stránkách nebo několika webových stránkách pro podobné marketingové účely.
Martin Ledinský, řešitel projektu
Jak to, že žijí tak dlouho? Termití králové a královny se dožívají mimořádně vysokého věku. Vědci zjišťují proč.