Grantová agentura České republiky ve spolupráci s Lidovými novinami připravila sérii článků o základním výzkumu. První se zaměřil na výzkum mikrobotů, na kterém se významně podílejí za podpory GA ČR i čeští vědci.
Ponorka o velikosti bakterie, která řízeně proplouvá lidským tělem a je schopna tam uskutečnit lékařské zákroky, zůstává zatím jenom snem. Ale výzkumníci jsou stále blíž k jeho uskutečnění. I díky české vědě.
Bylo to v roce 1966, když ve Spojených státech natočili dvěma Oscary oceněný film Fantastická cesta. Nejen historikové sci-fi, ale i seriózní výzkumníci v oboru robotiky jej dodnes považují za vizionářský počin.
Film se odehrává v době studené války, kdy se západní i východní experti snaží zmenšit předměty, ale také miniaturizovat lidi (jasně, to je úlet, ale je to jen film…). Velkých úspěchů v této oblasti dosáhl československý vědec Jan Beneš. Se svými poznatky utíká na Západ, východní špioni se jej pokusí zabít (to je bohužel realistické i dnes) a doktor Beneš zůstává ležet v kómatu.
Do mozku se mu dostala nebezpečná krevní sraženina, která se nedá běžnými medicínskými postupy odstranit. A tak mu na pomoc vyráží ponorka, vhodně zmenšená včetně pětičlenné lidské posádky uvnitř, takže zabírá velikost mikrobu a dá se do těla vpravit injekční stříkačkou. Z jakéhosi důvodu však v tomto stavu vydrží jen hodinu, pak se zase zvětší. Jak miniaturizaci zajistit trvale, ví jenom doktor Beneš, ale ten to říct nemůže, když je v kómatu a teprve se ho pokoušejí zachránit. Ponorka proplouvá lidským tělem, překonává jeho nástrahy, posádka bojuje i se špionem mezi sebou. Nakonec správní chlapci odstraní sraženinu pomocí laseru a uniknou z vědcova těla slzným kanálkem přes oko dřív, než se stačí zase zvětšit, zato ponorku i se zrádcem spolkne a zničí bílá krvinka.
Podivnosti mikrosvěta
„Co tehdy bylo naprostou fikcí, se dnes stává jasnou vizí pro medicínskou terapii, při níž se mikroroboti budou využívat pro dodání léku do organismu, pro zobrazování vnitřku těla i pro malé chirurgické operace,“ soudí v komentáři pro odborný časopis Science Robotics profesor Holger Stark z Technické univerzity v Berlíně. Jeho komentář hodnotí výzkumnou práci publikovanou v témže uznávaném odborném periodiku a věnovanou možnostem řízení pohybu titěrných objektů – tedy vlastně i potenciálních budoucích mikrorobotů.
Jedním z autorů zmíněné studie je také český vědec. Na rozdíl od filmového doktora Beneše však naštěstí neleží v kómatu a jeho úkolem není zmenšovat předměty z makrosvěta, nýbrž matematicky popsat, co se v mikrosvětě děje.
Tímto vědcem je teoretický fyzik Viktor Holubec, spolupracující s výzkumníky z Lipské univerzity, kde působil po získání doktorátu tři a půl roku jako držitel prestižního německého Humboldtova stipendia. Nyní šestatřicetiletý doktor Holubec pracuje na Matematicko-fyzikální fakultě UK v Praze a jeho práci z velké míry financuje Grantová agentura ČR.
„Zkoumáním pohybu malých částic jsem se zabýval už v rámci bakalářské, pak magisterské práce a také doktorské práce,“ říká. Pochopitelně nešlo o „opravdové“ miniaturní ponorky se strojovnou a posádkou uvnitř. Viktor Holubec se podílí na výzkumu mikroskopických částeček o průměru asi třicetiny tloušťky lidského vlasu plovoucích ve vodě. Mohou být předobrazem budoucích mikroskopických ponorek, ale také třeba současných bakterií – o možnostech jejich pohybu by vědci také rádi věděli víc.
Takto malé objekty, měřené v mikrometrech, tedy tisícinách milimetru, totiž patří do takzvaného brownovského světa. Pojmenování vychází ze jména skotského přírodovědce Roberta Browna, který před dvěma stoletími popsal, jak se hýbou pylová zrnka nebo částice prachu ve vodě. Říká se tomu Brownův pohyb a je odlišný od pohybu větších objektů v makrosvětě (a dnes víme, že se liší i od pohybu subatomárních částic ve světě kvantové fyziky).
Malá částice, třeba bakterie ve vodě, je součástí brownovského světa. V něm do ní a do sebe navzájem stále narážejí molekuly vody, které se pohybují chaoticky. Pokud bakterie aktivně neplave, je v důsledku těchto nárazů náhodně vláčena prostorem. „Totéž platí pro částice, které zkoumáme. Když ji zvenčí,popoženeme‘, pohybuje se požadovaným směrem, ale hned jak působení vnější síly skončí, částice směr ztratí a přejde na náhodný pohyb ovlivňovaný nárazy molekul vody,“ popisuje doktor Holubec.
Doháněná fantazie. Americký film Fantastická cesta (Fantastic Voyage) režiséra Richarda Fleischera z roku 1966 vzbudil zájem myšlenkou titěrné ponorky, která proplouvá lidským tělem – na tomto snímku mozkem. Vědci věří, že něčeho takového opravdu dosáhnou.
Bůh Janus se špatně řídí
Řídit mikroskopické částice tak, aby cíleně proplouvaly kapalinou, se snaží vědci po celém světě. Skupinu, s níž spolupracuje Viktor Holubec, vede profesor Frank Cichos z Lipské univerzity. Výzkumníci zde používají pracovní plošinu o velikosti zhruba čtyř psacích stolů, na níž je umístěn optický mikroskop, laser a zrcadla usměrňující jeho paprsky. Pokusná plocha má velikost pouhého sklíčka do mikroskopu. Pod ním je trocha vody, v níž plavou zmíněné mikročástice. Energii pro pohyb jim dodávají laserové impulzy. Počítač vyhodnocuje snímky pořizované v mikroskopu jednou za 180 milisekund a zjišťuje, kam se částice pohybují. Podle toho řídí následující záblesk laseru.
Částice jsou zpravidla z polystyrenu a pokryté zlatem. To je důležité, protože právě zlato se laserovým impulzem rozehřeje, a tím způsobí pohyb vody od zahřátého místa, čímž se částice posouvá. Tým profesora Cichose v minulosti používal a některé jiné výzkumné skupiny dosud používají polystyrenové částice, které jsou na jedné své polovině pokryty nepatrnou vrstvičkou zlata. Podle římského boha Januse, jenž býval zobrazován se dvěma tvářemi, se jim říká Janusovy částice. Mají ovšem nevýhodu – impulzy energie vedou k pohybu částice v požadovaném směru, jen pokud náhodný pohyb částici tímto směrem natočí.
„Naše skupina začala asi před třemi lety jako první používat částice pokryté malinkými, ale navzájem nepropojenými částečkami zlata,“ vysvětluje Viktor Holubec. „Laser tak může kdykoli zamířit na tu nejvýhodnější zlatou plošku a řídit pohyb částice mnohem efektivněji.“
Jenomže ani tak se zpočátku laserem poháněné částice nepohybovaly podle očekávání. Po impulzu energie mířily trochu jiným směrem, než měly. Výzkumníci se tedy snažili pochopit, jak je to možné, což byla do velké míry práce teoretického fyzika Holubce.
„Nakonec jsme na to přišli. Počítač totiž vyhodnotil mikroskopický snímek, který ukazoval umístění částice, a podle toho určil, kam poslat laserový impulz, aby částici dále posunul. To trvalo 180 milisekund. Takto kratičký časový úsek kolegové považovali za zanedbatelný, ale ukázalo se, že není,“ objasňuje doktor Holubec. „Když jsme všechno znovu propočítali, zjistili jsme, že i tak nepatrné zpoždění hraje v brownovském světě roli. Okolní prostředí stačí za tu chvilku s částicí pohnout a ona pak po impulzu energie zamíří pozměněným směrem.“
Viktor Holubec zdůrazňuje, že právě poznatek o roli zpoždění mezi počítačovým zpracováním informace o poloze částice a spuštěním laseru je významným výsledkem jejich výzkumu publikovaného v časopise Science Robotics. „Zjistili jsme, že k tomu, aby se částice dostala nejrychleji z bodu A do bodu B, není nejlepší ta nejvyšší rychlost, nýbrž rychlost nižší, ale přizpůsobená velikosti zpoždění při zpracování dat. Tento poznatek je významný i pro další objekty, které se v brownovském světě pohybují,“ objasňuje Viktor Holubec.
To však není zdaleka jediný přínos jejich výzkumu. „Částice, s nimiž pracujeme, nedokážou samy přijímat a zpracovávat informace ze svého okolí. Jejich pohyb řídíme zvenčí, ale využíváme k tomu metod umělé inteligence,“ konstatuje vedoucí týmu Frank Cichos. V tomto případě je to takzvané zpětnovazební učení (reinforcement learning). Při něm jde o to, že počítač, který řídí laser, a tedy pohyb částic, se díky algoritmu strojového učení sám učí, jak úkol nejlépe zvládat. Je to celosvětově poprvé, kdy výzkumníci použili tuto metodu umělé inteligence právě pro ovládání mikroskopických částeček v brownovském světě.
Pochopit chování bakterií
Výsledkem by mělo být, že člověk pouze zadá úkol dopravit částice do určitého místa, a propojený systém počítače, mikroskopu a laseru už zařídí, aby se tam skutečně dostaly za nejkratší dobu. Jde tedy o další krok k budoucím mikrorobotům plovoucím lidským tělem?
„Ano i ne,“ říká Viktor Holubec. „Vývoj tím směrem určitě jde, jenom je otázka, jak dlouho to ještě bude trvat. Třeba náš pohon částic pomocí laseru určitě nepůjde v lidském těle použít, nedokážu si představit, jak bychom do něj laserem svítili. Naše poznatky o pohybu mikroskopických částic však mohou být použitelné pro roboty s jiným pohonem. Ale také pro poznání mikrosvěta.“
To je podstata takzvaného základního výzkumu, jehož cílem není okamžitě přijít s vynálezem bezprostředně využitelným v praxi, nýbrž odhalovat zákonitosti fungování našeho světa. O získaných poznatcích doktor Holubec říká, že za nejvýznamnější považuje to, že pomáhá pochopit, co jsou klíčové ingredience prostředí, s nimiž se v lidském těle musejí vypořádat třeba bakterie – obdobně velké jako částice, které vědci zkoumali.
„Naše experimenty nám pomáhají lépe pochopit, proč bakterie dělají to, co dělají. Ony také musejí nějak optimalizovat svůj pohyb v mikrosvětě. Vždycky chvilku plavou, pak se zastaví a náhodně otáčejí, pak zase chvilku plavou. Anebo spermie: ty mají obdobnou velikost a ve stejném brownovském prostředí dokážou, poháněny svým bičíkem, velmi přesně mířit ke svému cíli – vajíčku,“ líčí doktor Holubec.
Takovéto výzkumy však nefinancují soukromé firmy, protože není předem jasné, k čemu při nich vědci dospějí a jak získané poznatky nakonec využijí. V Česku tedy základní výzkum financuje zejména Grantová agentura ČR. „Měli jsme štěstí, zatím jsme dostali všechny granty, o které jsme žádali, s jedinou výjimkou, ale i ten grant jsme pak získali o rok později,“ vzpomíná Viktor Holubec. „Pro financování výzkumu na univerzitě jsou granty klíčové, bez nich bychom nemohli dělat to, co děláme.“
Jeho nynější grant má hodnotu pět milionů korun na tři roky. Z něj dostává svůj plat, platí technické pomůcky i cestování do Německa či zvaní německých vědců do Prahy. „Tyto přímé kontakty se kvůli covidu hodně zkomplikovaly, snad se to brzy zlepší. Bez osobního setkávání je ve výzkumu všechno mnohem složitější,“ povzdechne si.
Dokážeme to
Přestože je při hodnocení dosavadních výsledků opatrný, myšlenka na mikroponorky cíleně putující lidským tělem doktora Holubce neopouští. Vidina, že se takto dopraví lék přesně na místo v těle, kde je zapotřebí, anebo že mikrorobot provede v těle požadovaný chirurgický zákrok, je podle něj zcela realistická, i když ještě nevíme, jak ji naplnit.
„Doprava molekul léku připevněných na vhodnou částici je určitě proveditelná. Chirurgická operace je složitější. Je obtížné si představit, že mikrorobot bude vybaven nějakými nástroji. Spíše předpokládám, že takový zákrok bude provedený chemicky, nějakou sloučeninou, která ve tkáni záměrně zničí to, co by jinak muselo být odstraněno skalpelem,“ zamýšlí se. Hodně nejasnou otázkou zůstává, zda mikroroboti budou někdy uplatnitelní třeba při řízení chemických reakcí v průmyslových výrobních procesech.
Na rozdíl od filmové mikroponorky zmíněné v úvodu tohoto článku, která měla lodní šroub, uvnitř strojovnu a vůbec všechno potřebné k ovládání vlastního pohybu, jsou částice používané v současných pokusech řízeny zvenčí. Do částice o velikosti třicetiny průměru vlasu lidé nedokážou ještě vložit stroj, který by ji poháněl.
„To platí dnes. Ale víme, že titěrné přirozené organismy, bakterie nebo třeba spermie se dokážou pohybovat samy. Takže to jednou musíme zvládnout i my při konstrukci mikrorobotů,“ tvrdí doktor Holubec. „Možná bude zpočátku nejvhodnější cestou přeprogramovat genetický kód mikroorganismů, aby se daly řídit. Ale nakonec jistě sestrojíme i mikroroboty schopné pohybovat se a plnit úkoly i bez vnějšího zásahu. Když to dokážou spermie, dokáže to i robot.“
Jedním z autorů studie je český vědec, na rozdíl od filmového doktora Beneše neleží v kómatu a jeho úkolem není zmenšovat předměty, ale popsat, co se děje v mikrosvětě „Víme, že titěrné přirozené organismy, bakterie nebo třeba spermie se dokážou pohybovat samy. A co dokáže spermie, musí časem dokázat i mikrorobot.“
Bez posádky. Ve filmové mikroskopické ponorce byla i tajuplně zmenšená lidská posádka – na snímku zrovna provádí výsadek v plicích. Reálně vyvíjené mikroskopické ponorky budou zřejmě také řízené lidmi a počítači, ale zvenčí.
Minirobot se provrtá do nádoru
Česká republika je přímo rájem vědců, kteří vytvářejí titěrné roboty. Některé mají podobu zrnka pylu poháněného jako torpédo, jiné by měly být schopné provrtat se do nádoru jako droboučký vrut a zničit jej.
Pylové zrnko je malinké, lehké, plave na vodě, je snadno dostupné a levné. Dá se tedy použít jako šikovný základ pro vytvoření velké „flotily“ plovoucích mikrorobotů. Vědci na jednu stranu očištěného pylového zrnka přilípnou nepatrnou vrstvičku platiny a zrnka vhodí do vody. Do ní přidají peroxid vodíku. Ten se vlivem platiny rychle rozkládá na vodu a kyslík, vznikají bublinky a zrnko ženou dopředu jako torpédo.
Výzkumníci používají pyl pampelišky, borovice, lotosu, slunečnice či máku. Má přirozenou schopnost do sebe vsakovat rtuť, takže čistí životní prostředí.
Tak vypadá jeden z experimentů vědců, které vede sedmačtyřicetiletý profesor Martin Pumera. Vystudoval Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy v Praze a osmnáct let působil na univerzitách v zahraničí – v USA, Singapuru či Japonsku. V roce 2017 se vrátil do Česka, nyní je profesorem na pražské Vysoké škole chemicko-technologické a na Středoevropském technologickém institutu (CEITEC) Vysokého učení technického v Brně.
Jeho týmy, do nichž se mu podařilo získat řadu vědců ze zahraničí, se zabývají využitím nanomateriálů (látek o velikosti nanometrů, tedy miliontin milimetru) a také miniaturními roboty.
Raketový motor pro mikrotrubičku
Mikroroboty z pylového zrnka, jejichž výboj profesor Pumera s kolegy popsal loni v odborném časopise Advanced Functional Materials, jsou už starším pojetím. „Jejich pohyb nemůžete řídit, prostě je nasypete do vody, ony tam rejdí všemi směry, navážou na sebe rtuť a vy je pak naberete a z vody odstraníte,“ popisuje Martin Pumera možnosti jejich využití. Samozřejmě je nutné zvolit nasazení v takovém prostředí, v němž by poněkud žíravý peroxid vodíku nevadil.
Oproti tomu mikroponorka, kterou tým profesora Pumery představil letos na jaře v odborném periodiku Small, už reprezentuje vyšší ligu. Také je zamýšlená třeba na odstraňování toxického odpadu z vody. Má tvar trubičky, která je dlouhá asi deset mikrometrů (setinu milimetru) a obsahuje tři vrstvy.
Ve vnitřní vrstvě je sulfid kademnatý, jenž na světle rozkládá okolní vodu. Výsledek je podobný raketovému motoru – z jednoho konce trubičky proudí protony vzniklé rozkladem vody a trubička se tedy pohybuje v opačném směru rychlostí asi 15 mikrometrů za sekundu. Ve střední vrstvě trubičky jsou pak nanočástice železa. Výzkumníci proto mohou slabým magnetickým polem řízeně otáčet trubičku podobně jako střelku kompasu, takže mikroponorka se natáčí požadovaným směrem a „raketový motor“ ji tam pohání. A vnější vrstva obsahuje oxid titaničitý, který na světle umožňuje reakce rozkládající znečišťující chemikálie.
Tato mikroponorka je tedy už zvenčí řiditelná: světlo spouští „raketový motor“, jehož palivem je okolní voda, a magnetické pole určuje směr pohybu. Když nesvítí světlo, mikroponorka se zastaví.
V květnu proto zahájil profesor Pumera nový, čtyřletý projekt, v němž usiluje o vytvoření titěrných robotů schopných pohybovat se v lidském těle. „Samozřejmě je v této fázi nebudeme používat na lidech,“ zdůrazňuje. „Od lékařů dostaneme opravdové lidské rakovinné nádory vyoperované pacientům a na nich budeme v laboratoři ověřovat možnosti našich mikrorobotů. Bude to větší krok k reálnému prostředí, než jaký se komu zatím podařil,“ dodává.
V tomto případě vědci chtějí využít mikroroboty ve tvaru vrutů. Vzorek tkáně s vloženým mikrorobotem se vsune do tunelu v přístroji, jenž je jakousi zmenšenou verzí magnetické rezonance používané v nemocnicích. Elektromagnetické cívky, které tunel obklopují, vytvoří proměnné magnetické pole.
„V něm jsme schopni velmi citlivě řídit otáčení mikrorobotu tak, aby se provrtal nádorovou tkání na požadované místo. Předpokládáme, že k němu přilípneme lék, a ten se tak dopraví přímo na místo, kde by měl účinkovat,“ popisuje profesor Pumera.
Projekt je teprve v začátcích. Kromě Vysoké školy chemicko-technologické se na něm podílejí také 1. lékařská fakulta Univerzity Karlovy, Lékařská fakulta Masarykovy univerzity, pražská Fakultní nemocnice v Motole a také Lékařská fakulta Harvardovy univerzity v USA.
Investice se nakonec vrátí
„Když lidé slyší o našem výzkumu, mívají přehnané představy. Určitě víme, že naše poznatky se do nemocnic nedostanou za pět let. Věřím, že dokážeme změnit léčbu různých nemocí, ale i když se všechno bude dařit, lékaři je využijí nejdřív za deset patnáct let,“ upozorňuje profesor Pumera. Vysvětluje, že takto dlouhodobé projekty si málokterá soukromá firma může dovolit. Proto se na nich podílejí vědecké týmy ze světa a získávají na ně peníze od veřejných institucí.
„My teď máme granty, tedy finanční prostředky na výzkum mikrorobotů a nanomateriálů, z fondů Evropské unie, od Grantové agentury ČR a ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy. Jsou to dlouhodobé investice, které se ale lidstvu nakonec mnohonásobně vrátí,“ říká Martin Pumera s jistotou.
Autor: Josef Tuček
Grantová agentura České republiky (GA ČR) v loňském roce podpořila 30 projektů, které jako první uspěly v grantové soutěži JUNIOR STAR. Na projekty vědci získali od GA ČR až 25 milionů korun. Cílem JUNIOR STAR je zlepšit začínajícím vědcům podmínky pro výzkum v České republice.
Projekty JUNIOR STAR jsou zaměřeny na podporu excelentního základního výzkumu. Poskytují příležitost začínajícím vědcům dosáhnout vědecké samostatnosti a případně i vybudovat novou vědeckou skupinu s moderním vybavením. Řešitelé a řešitelky byli vybráni výhradně zahraničními odborníky na základě několikakolového výběrového procesu. Granty jsou určeny badatelům, kteří dokončili doktorát maximálně před osmi lety, již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají za sebou významnou zahraniční zkušenost.
Pokračujeme v seriálu, v kterém vás pravidelně seznamujeme s podpořeným projekty JUNIOR STAR. V druhém díle můžete nahlédnout pod pokličku dalších unikátních vědeckých projektů.
ÚLOHA AIRE-PRODUKUJÍCÍCH ILC3 BUNĚK V REGULACI TH17 ODPOVĚDI
Mgr. Jan Dobeš, Ph.D., Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy
„Čím více budeme rozumět jednotlivým procesům imunitního systému a tomu, jak do sebe zapadají, tím lépe jsme schopni efektivněji cílit léčbu v případě, že náš imunitní systém z nějakého důvodu funguje špatně nebo reaguje neadekvátně.“
Jan Dobeš zkoumá s týmem tzv. antigen prezentující buňky (APC). Jde o skupinu bílých krvinek imunitního systému, které rozhodují o aktivaci obrany našeho těla při napadení patogeny, jako jsou bakterie, viry nebo kvasinky. Tyto buňky si můžeme představit jako velitele, kteří rozhodují o správném způsobu obrany proti nepříteli. Rozdávají detailní příkazy dalším buňkám imunitního systému, dodají popis nepřítele a rozhodnou, jakým způsobem proti nepříteli bojovat.
„Snažím se nahlédnout do mysli těchto malých generálů a přijít na to, jakým způsobem instruují své podřízené jednotky a vedou je ke zničení infekce. Dále zjišťuji, co je vede k tomu, že se občas spletou, což může vést k velmi nepříjemným důsledkům,“ přibližuje předmět výzkumu Jan Dobeš z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.
Projekt JUNIOR STAR by měl přinést zjištění, jak fungují rozhodovací mechanismy buněk imunitního systému v případě obrany proti patogenům a jak mohou stejné procesy vést ke vzniku autoimunitních onemocnění.
Mgr. Jan Dobeš, Ph.D.
KINÁZY V BUNĚČNÉM MEMBRÁNOVÉM TRANSPORTU: KLÍČOVÝ CÍL PRO VÝVOJ ÚČINNÝCH LÉČIV
Ing. Zuzana Kadlecová, Ph.D. – Lékařská fakulta Masarykovy univerzity
„Cílem projektu je objasnit roli enzymů při přijímání potravy buňky, což povede k lepšímu porozumění základních fyziologických procesů v těle.“
Endocytóza je aktivní proces, kterým buňka přijímá materiál ze svého vnějšího prostředí, a to včetně látek, které jsou příliš velké na volné projití membránou.
Přesto, že endocytóza hraje zásadní roli ve fyziologických dějích i proto, že díky ní buňka získává látky potřebné pro její vývoj, základní výzkum doposud přinesl překvapivě jen velmi málo poznatků o její molekulární regulaci. Ta spočívá v řízení buněčných procesů na molekulární úrovni, které závisí na interakci a působení biomakromolekul, jež se takto navzájem ovlivňují. Spolupráce mezi biomakromolekulami rozhoduje o jejich přesném umístění v buňce, funkci a vlastnostech, což vede ke správnému a rychlému vykonání daného úkolu.
„Mojí vizí je porozumět roli kináz neboli enzymů v endocytóze a následkům jejich deaktivace. Zaměřuji se na kinázy NAK, které jsou spojovány s řadou patologických procesů, jako je například jedna z nejhůře léčitelných bolestivých stavů – neuropatická bolest nebo virální infekce. Konkrétní molekuly, které zavádějí zbytky kyseliny fosforečné do NAK, tedy NAK fosforylují a ovlivňují jejich funkci, zůstávají velkou neznámou. Očekávám, že naše výsledky objasní konkrétní mechanismy terapeutického využití těchto kináz,“ říká Zuzana Kadlecová, která se svým týmem na Univerzitě v Cambridge přišla s velmi zajímavým zjištěním, že endocytóza je buňkou regulována. Tím vyvrátila dosavadní hypotézu, že tento proces probíhá spontánně. Díky podpoře GA ČR vědkyně naváže na svůj předchozí úspěšný výzkum.
Výzkumný projekt Zuzany Kadlecové přináší nové poznatky, díky kterým lépe porozumíme základním fyziologickým procesům v těle. Výsledky objasní konkrétní mechanismy terapeutického využití těchto kináz, které umožní vývoj nových léčebných postupů nebo protinádorových látek.
Ing. Zuzana Kadlecová, Ph.D.
MAPOVÁNÍ CHEMODIVERZITY PEPŘOVNÍKOVÝCH ROSTLIN POMOCÍ NOVÉ GENERACE PLATFORMY MZMINE
Mgr. Tomáš Pluskal, Ph.D., Ústav organické chemie a biochemie AV ČR
„Pomocí unikátní softwarové platformy MZmine zmapujeme chemickou rozmanitost produktů látkové přeměny metabolismu pepřovníkových rostlin a zjistíme, jakými mechanismy pepřovníky molekuly produkují na úrovni genů a proteinů.“
Projekt JUNIOR STAR Tomáše Pluskala se zaměřuje na vývoj nových výpočetních analytických metod, zejména vylepšení softwarové platformy MZmine, kterou původně vytvořil během doktorského studia. Tato unikátní platforma je hojně využívána vědci po celém světě pro analýzu dat z hmotnostní spektrometrie.
„Mým cílem je rozšířit MZmine o moduly pro identifikaci přírodních látek pomocí nejnovějších technik v oboru. Tyto nástroje budeme poté aplikovat na rostliny z čeledě pepřovníkovitých, která obsahuje asi 3600 druhů a je známá právě rozmanitostí svých metabolitů, což jsou produkty látkové přeměny metabolismu, z nichž mnoho má popsané léčivé účinky. Mezi pepřovníky patří kromě známého koření také např. psychoaktivní kava – pepřovník opojný nebo pippali – pepřovník dlouhý, který se používá v ajurvédské medicíně v Indii,“ představuje výzkum Tomáš Pluskal z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky (ÚOCHB), který původně studoval informatiku na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy.
Po ukončení studií se Tomáš Pluskal rozhodl díky své zálibě v bojových uměních vycestovat do Japonska. Zde se mu naskytla příležitost věnovat se molekulární biologii ve výzkumném institutu na Okinawě, která ho natolik zaujala, že se se rozhodl této oblasti i nadále věnovat. Po absolvování postdoktorální stáže na Massachussettském technologickém institutu v Cambridge otevřel vlastní laboratoř na ÚOCHB, kde se nyní snaží propojit nejnovější experimentální a výpočetní přístupy k biochemii přírodních látek. Takto získané znalosti se následně dají využít pro cílenou produkci vzácných molekul pomocí biosyntetických nástrojů.
Očekává se, že softwarové platformy a nástroje, které budou vyvinuty v rámci projektu, budou mít širší přínos pro zkoumání i jiných organismů, a to včetně živočichů.
Mgr. Tomáš Pluskal, Ph.D. (foto: Tomáš Belloň /ÚOCHB)
ROLE INSTITUCIONÁLNÍCH FAKTORŮ A INFORMACÍ NA TRZÍCH VEŘEJNÝCH ZAKÁZEK
Bc. Vítězslav Titl, M.Sc., Ph.D., Právnická fakulta Univerzity Karlovy
„Výzkum se zabývá především empirickou analýzou trhu veřejných zakázek, jehož výsledky povedou k vyšší efektivitě nebo úsporám ve veřejném sektoru.“
Výzkumný projekt Vítězslava Titla se zabývá efektivitou trhu veřejných zakázek. Konkrétně se zaměřuje na tři aspekty efektivity veřejných zakázek, které doposud nebyly detailně akademicky zkoumány: zakázky pouze s jedním soutěžícím, vliv cíleného informování firem o veřejných zakázkách a vliv veřejného dohledu a online monitoringu ve veřejných zakázkách.
„V České republice je obrovský podíl zakázek pouze s jedním uchazečem, který je výrazně vyšší než ve vyspělých západních zemích. Ve výzkumu se pokusím zjistit, jestli a jak moc tato situace snižuje efektivitu a jak mohou zadavatelé změnit svoje chování, aby se tento podíl snížil a zvýšila se konkurence ve veřejných zakázkách. Budu hledat důvody, proč se firmy neúčastní veřejných zakázek a jak to změnit.
Dalším tématem, kterým se zabývám, je role veřejnosti při dohledu nad trhem veřejných zakázek v rozvojových zemích. Zajímá mě, jaké podmínky musí být splněny, aby transparentnost trhu veřejných zakázek umožnila veřejnosti efektivně kontrolovat tento trh veřejných zakázek tak, aby se fungování tohoto trhu zlepšilo,“ doplňuje vědec, který se díky podpoře GA ČR vrátil po sedmi letech působení v Belgii a Holandsku zpět do České republiky.
Cílem projektu JUNIOR STAR je přispět k pochopení rozsahu neefektivity na trzích veřejných zakázek a návrh veřejných politik, které povedou k vyšší efektivitě anebo úsporám pro veřejný sektor.
Bc. Vítězslav Titl, M.Sc., Ph.D.
Již sto let fascinuje fyziky i matematiky Einsteinova obecná teorie relativity. Ta je často označována jako nejkrásnější ze všech existujících fyzikálních teorií.
Einsteinova teorie gravitace má významné astrofyzikální důsledky. Například z ní vyplývá existence gravitačních vln, kosmologické expanze vesmíru anebo černých děr ― oblastí prostoru, ve kterých je prostor a čas zakřiven takovým způsobem, že z nich nic nemůže uniknout, dokonce ani světlo. Tato témata jsou již řadu let předmětem zkoumání prof. RNDr. Jiřího Podolského, CSc., DSc., z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. V poslední době se zabývá i přesným řešením rovnic teorie kvadratické gravitace, která přirozeně zobecňuje Einsteinovu teorii. A to bylo i tématem jeho projektu podpořeného Grantovou agenturou České republiky.
Hledání nerotující černé díry
Rovnice kvadratické gravitace jsou z matematického hlediska ještě mnohem složitější než Einsteinovy rovnice. Je velmi obtížné najít jejich přesná, explicitní řešení. „Dosavadní práce mnoha autorů se téměř vždy omezovaly jenom na přibližná, aproximativní řešení, anebo na jejich numerická řešení pomocí počítačů. My se ale dlouhodobě soustředíme na hledání a fyzikální analýzu exaktních řešení gravitačních rovnic, protože jen ty umožnují činit nezpochybnitelné závěry o fyzikálních důsledcích dané teorie,“ říká profesor Jiří Podolský.
Jeho tým se pustil do hledání nejjednodušší nerotující černé díry, která má dokonale sférickou symetrii. To se mu podařilo. „Našli jsme zobecnění slavného Schwarzschildova řešení z roku 1915, což je unikátní a jediné možné sférické vakuové řešení v Einsteinově teorii gravitace. My jsme ale rigorózně dokázali, že v obecnější teorii kvadratické gravitace je třída sférických černých děr mnohem širší,“ vysvětluje prof. Podolský.
„Schwa-Bachova“ černá díra
Prvním klíčovým krokem týmu profesora Podolského bylo přeformulovat složité rovnice do jednodušší podoby pomocí tzv. Bachova tenzoru. Druhým pak bylo použití úplně nového tvaru sférické metriky, který umožňuje Bachův tenzor snadno vyjádřit. Díky tomu se obecně nesmírně komplikované rovnice kvadratické gravitace zredukovaly na dvě krátké diferenciální rovnice pro dvě neznámé funkce jediné proměnné. Ve třetím kroku pak tým tyto rovnice kompletně vyřešil pomocí řad.
„Při tom se ukázalo, že existuje několik různých typů řešení. Tím jsme objevili nejenom zmíněné zobecnění klasické Schwarzschildovy černé díry (nazvali jsme ji Schwarzschildova−Bachova černá díra, familiárně prostě jen Schwa−Bach), ale také několik úplně nových a dosud neznámých tříd sférických řešení ve zcela obecné teorii kvadratické gravitace,“ uvádí profesor Podolský.
Podle výzkumníků může nově objevený typ černé díry pomoci lepšímu pochopení kvadratických korekcí Einsteinovy teorie nebo k testování teorií kvantové gravitace a sjednocených interakcí.
Od teorie k reálné astrofyzice a fyzice vysokých energií
„Naše výsledky jsou ryze teoretického charakteru, spadají do základního výzkumu gravitace. Existují ale jasné styčné body směrem k reálné astrofyzice a kosmologii, která dnes experimentálně studuje černé díry, jimi generované gravitační vlny i zrychlené rozpínání vesmíru způsobené temnou energií. A také k fyzice vysokých energií, částicové fyzice, kvantové teorii pole a superstrun,“ říká Jiří Podolský. Podle něho se jimi nalezená řešení mohou v budoucnu uplatnit i při testování kvantové gravitace a teorií sjednocených interakcí.
„Kvadratická gravitace totiž je ― na rozdíl od Einsteinovy obecné relativity ― renormalizovatelná, neboli v principu je snazší najít její kvantovou verzi a propojit ji s kvantovými poli hmoty,“ dodává profesor Jiří Podolský.
prof. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc. (*1963)
Vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy, kde od té doby nepřetržitě působí na Ústavu teoretické fyziky. V letech 1990–91 studoval v USA na University of New Mexico, habilitoval se 2001 a v roce 2011 byl na MFF UK jmenován profesorem. Zabývá se relativistickou fyzikou, zejména studiem přesných prostoročasů v Einsteinově obecné teorii relativity a v kvadratické gravitaci, které popisují gravitační vlny, černé díry nebo kosmologické modely. Je autorem či spoluautorem více než 100 původních prací v mezinárodních odborných časopisech a dvou vědeckých monografií. Získal několik ocenění, mj. Cenu Bolzanovy nadace (1998) a Cenu děkana MFF UK za nejlepší monografii (2009) za knihu Exact Space-Times in Einstein’s General Relativity vydanou Cambridge University Press. Přeložil 16 populárně-naučných knih z oblasti teoretické fyziky a astronomie. Působil také jako odborný poradce desetidílného seriálu Génius: Einstein z produkce National Geographic, který se v letech 2016–17 natáčel v Česku.
Snímek z elektronového mikroskopu, na kterém lze vidět strukturu mikromletého betonového recyklátu. Ze snímku je patrná velikost zrn, která jsou sto- až tisíckrát menší než zrna původní frakce s velikostí do 1 mm.
Snímek z elektronového mikroskopu, kde lze vidět zapojení mikromletého betonového recyklátu do struktury vyrobené cementové pasty. Betonový recyklát v tomto případě plní funkci mikroplniva a vyplňuje porézní strukturu.
Snímky z elektronové mikroskopie, kde lze vidět vliv progresivní technologie mikromletí. Na obrázku A) lze vidět původní beton před recyklací a na obrázku B) lze vidět mikromletý betonový recyklát.
Ukázka obrazové analýzy pro popis tvaru částic mikromletého betonového recyklátu, která byla použita pro popis vlivu různého způsobu mikromletí. Na snímku lze vidět původní snímek z elektronové mikroskopie (A), následně byla jednotlivá zrna zvýrazněna (B) a pomocí software nahrazena elipsami (C), která nejlépe popisuje tvar zrna. Z parametrů elipsy byl následně stanovený tvarový součinitel pro upravený betonový recyklát.
Odebrání sedimentu ze dna Popradského plesa
Práce týmu doc. Kuneše na Prášilském jezeře na Šumavě
doc. RNDr. Petr Kuneš, Ph.D., vystudoval biologii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. Doktorát se zaměřením na paleoekologii vegetace v pozdním glaciálu a časném holocénu obhájil v roce 2008 na katedře botaniky. Od 2009 do 2011 se jako postdoktorand na Department for Geoscience, Aarhus University zabýval minulými interglaciály. Na katedře botaniky PřF UK se nyní zabývá výzkumem a výukou v oblasti kvartérní paleoekologie a historie krajiny.
