Projekt financovaný Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) navázal na jednu z největších výzev stavebnictví: cementářský průmysl sice postupně snižuje emise, stále však výrazně přispívá ke globální produkci oxidu uhličitého. Zatímco hrubé frakce recyklovaného betonu nacházejí uplatnění poměrně snadno, podsítné frakce představují problematický odpad.
Ambice vědců z Českého vysokého učení technického v Praze (ČVUT) a Vysoké školy chemicko-technologické (VŠCHT) byla proto jasná: ukázat, že právě tyto jemné částice lze spojit a proměnit v materiál s užitnou hodnotou a současně otevřít cestu k ukládání uhlíku v pevné fázi.
Biocementace jako cesta k novému materiálu
Vědci využili mikrobiálně indukované srážení uhličitanu vápenatého (microbially induced calcite precipitation – MICP), kdy mikroorganismy za specifických podmínek tvoří krystaly uhličitanu vápenatého (CaCO3), které tyto jemné frakce spojí v pevný kompozitní vzorek.
Vědecky šlo o neprobádané území: v dostupné literatuře nebyla technologie MICP pro vázání nejjemnějších částic odpadního betonu popsána, přesto dosavadní poznatky z biocementace dávaly naději, že lze propojit cirkulární ekonomiku stavebních materiálů s biotechnologií.
Podsítné frakce vyseparované při třídění recyklátu.
Mezioborový výzkum ČVUT a VŠCHT
Náplní tříletého výzkumného projektu byla komplexní agenda rozdělená do čtyř vzájemně provázaných okruhů. Na Fakultě potravinářské a biochemické technologie VŠCHT pod vedením doc. Ing. Hany Stiborové, Ph.D., probíhal výběr vhodných bakteriálních kmenů, optimalizace kultivačních podmínek a sledování vlivu různých metabolických drah na tvorbu CaCO3 v suspenzích podsítných frakcí recyklovaného betonu.
Na Fakultě stavební ČVUT pod vedením hlavního řešitele projektu, doc. Ing. Václava Nežerky, Ph.D., probíhala mikrostrukturální a mechanická charakterizace vzniklých konglomerátů − od elektronové mikroskopie a fázové analýzy přes nanoindentaci až po makroskopické tlakové a lomové zkoušky a následné mikromechanické modelování. Mezi oběma týmy průběžně proudily vzorky, data i interpretace, takže biologické experimenty neprobíhaly izolovaně od materiálového hodnocení, ale tvořily jeden společný výzkumný příběh.
Spolupráce mezi katedrami a mezi oběma univerzitami se ukázala jako klíčová pro pochopení problematiky v celé její hloubce. Mikrobiologové z VŠCHT přinášeli zkušenosti s kultivací bakterií, identifikací kmenů a hodnocením například ureasové či karbonátanhydrasové aktivity; materiáloví inženýři a odborníci na mikroskopii z Fakulty stavební ČVUT se zabývali vztahem mezi mikroskopickými ději a pevností připravovaných vzorků. Materiál pro experimenty dodaly společnosti ENVISAN GEM, a.s., a Moravostav družstvo, což umožnilo testovat postupy na reálném odpadu, nikoli jen na laboratorních modelových směsích.
Od ureolytických bakterií k ekologičtějším procesům
Projekt postupně přinesl výsledky, které v několika směrech překonaly původní očekávání. V počátcích se práce soustředila na ureolytické bakterie, zejména Sporosarcina pasteurii, a prokázala, že proces MICP dokáže zvýšit obsah uhličitanu vápenatého, snížit porozitu a zlepšit tuhost materiálu až na úroveň přibližně pětiny tuhosti pórobetonu.
Postupně se však ukázalo, že perspektivnější cestou jsou zejména fakultativně anaerobní kmeny Alkalihalophilus pseudofirmus a Sutcliffiella cohnii využívající metabolickou dráhu oxidace organických sloučenin. Tyto organismy nejen podporují srážení CaCO3, ale v materiálech bohatých na síru významně urychlují a podporují tvorbu Aft fází, zejména ettringitu a thaumasitu, které výrazně zvyšují soudržnost konglomerátu. Tento posun směrem od ureolytických procesů má i praktický ekologický význam, neboť se nepodílí na produkci a uvolňování amoniaku do okolí.
Vzorek bloku z recyklátu zpevněného pomocí produktů vytvořených bakterií Sutcliffiella cohnii.
Mikrostruktura, mechanické vlastnosti a modelování
Tým na ČVUT paralelně detailně mapoval mikrostrukturu cementovaných vzorků pomocí SEM, EDS, XRD, TGA a nanoindentace a propojil experimentální data s mikromechanickým modelem. Ten dokázal vysvětlit vztah mezi poklesem porozity a růstem efektivního Youngova modulu a ověřil, že pozorované trendy tuhosti lze predikovat z parametrů mikrostruktury.
Výstupy projektu a cesta k dalšímu rozvoji technologie
Součástí výstupů se staly také přehledové a metodické publikace, které shrnují možnosti využití bakterií při recyklaci nejjemnějších frakcí betonového odpadu, a práce s hodnocením environmentálních přínosů včetně spolupráce se Salfordskou univerzitou či Univerzitou Johannese Gutenberga v Mohuči na analýze životního cyklu a charakterizaci mikrostruktury materiálů.
V průběhu řešení vzniklo devět recenzovaných publikací v impaktovaných časopisech a ve sbornících mezinárodních konferencí, mezi nimiž vynikají zejména články v časopisech Cement and Concrete Composites, Powder Technology, Journal of Cleaner Production či Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. Závěrečné hodnocení GA ČR projekt označilo za excelentní a potvrdilo, že cíle projektu byly naplněny.
Úspěchy projektu nespočívají jen v počtech publikací a citací. Podařilo se vybudovat stabilní mezioborový tým, zapojit doktorandy a studenty do řešení reálné aplikační problematiky, navázat zahraniční spolupráci s odborníky na MICP a otevřít předběžný dialog s průmyslovým partnerem o možnostech dalšího škálování technologie. Projekt tak přinesl nejen laboratorní důkaz konceptu, ale i argumentaci pro podpoření dalšího výzkumu v oblasti recyklačních technologií, které odpovídají národním prioritám VaVaI v oblasti environmentálně šetrných materiálů a nových recyklačních postupů.
Úvodní obrázek: Krystaly kalcitu a aragonitu na povrchu zrn jemných frakcí odpadního betonu.
Grantová agentura České republiky (GA ČR) podpoří ve spolupráci s partnerskými agenturami z Polska, Německa a Rakouska 22 nových mezinárodních projektů. Jeden z nich bude trilaterální a propojí vědecké týmy z České republiky, Polska a Rakouska.
Návrhy projektů byly hodnoceny formou Lead Agency, kdy hodnocení provádí pouze jedna ze zapojených agentur a ostatní agentury od ní hodnocení přebírají. U polsko-českých projektů a trilaterálního projektu byla hodnoticí agenturou polská agentura Narodowe Centrum Nauki (NCN), u německo-českých projektů německá Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). Každá ze zapojených agentur financuje náklady vědců ze své země.
Německo-české projekty budou zahájeny 1. října 2026, polsko-české projekty a trilaterální projekt 1. ledna 2027. Doba řešení všech projektů je tři roky.
Tyto a další mezinárodní spolupráce probíhají díky iniciativě WEAVE, která vznikla s cílem odstranit bariéry přeshraniční vědecké spolupráce a propojit evropské agentury podporující základní výzkum.
Informace o dalších podpořených mezinárodních projektech budou zveřejňovány po jejich schválení všemi zúčastněnými agenturami.
U projektů s počátkem řešení v roce 2027 je rozhodnutí o financování přijato s podmínkou, že zákonem o státním rozpočtu České republiky na rok 2027 budou Grantové agentuře České republiky přiděleny účelové prostředky ve výši schválené Radou pro výzkum, vývoj a inovace a vládou ČR. V případě přidělení účelových prostředků v nižší výši nebo z jiných zákonných důvodů si Grantová agentura České republiky vyhrazuje právo poskytnutí podpory na některé výše uvedené grantové projekty omezit nebo podporu na některé tyto grantové projekty neposkytnout.
Pro snížení administrativní zátěže budou některé údaje předvyplněny z databáze projektů GA ČR. Jedná se zejména o:
jméno a příjmení řešitele/řešitelky,
pohlaví,
instituci / pracoviště,
číslo projektu,
název projektu,
oborový panel.
V dotazníku budete dále požádáni o informace týkající se dopadů projektu, jejich oblasti, cesty od výsledku projektu k dopadu, časového odstupu dopadu, návaznosti na další projekty a případně o doplnění ORCID a roku udělení Ph.D. nebo ekvivalentní kvalifikace.
Dobrovolnost účasti
Účast v tomto šetření je dobrovolná. Vyplnění dotazníku můžete kdykoliv přerušit. Nevyplnění dotazníku nebude mít žádný vliv na Vaše současné ani budoucí vztahy s GA ČR, hodnocení projektů ani možnost ucházet se o podporu GA ČR.
Odesláním vyplněného dotazníku potvrzujete, že jste se seznámil/a s informacemi o účelu šetření a zpracování údajů a že souhlasíte s využitím poskytnutých odpovědí pro uvedené analytické a evaluační účely.
Přínosy šetření
Šetření umožní GA ČR lépe popsat a vyhodnotit širší společenské, ekonomické, akademické a další dopady základního výzkumu. Výsledky mohou přispět ke kvalitnější komunikaci přínosů základního výzkumu vůči odborné i širší veřejnosti a k dalšímu rozvoji analytické a evaluační činnosti GA ČR.
Rizika šetření
Rizika spojená s účastí v šetření nepřesahují rizika běžné administrativní nebo kancelářské činnosti. Hlavní potenciální riziko souvisí se zpracováním osobních údajů a informací o projektech. Toto riziko bude minimalizováno omezením přístupu k datům pouze na pověřené pracovníky GA ČR, zabezpečením dat a používáním výsledků především v souhrnné podobě.
Ochrana a využití dat
Získaná data budou využita výhradně pro analytické, evaluační, koncepční a komunikační účely GA ČR. Přístup k individuálním odpovědím budou mít pouze pověření pracovníci GA ČR, případně osoby zpracovávající data na základě pokynů GA ČR a za podmínek zajišťujících ochranu osobních údajů.
Výstupy ze šetření budou zpravidla prezentovány v agregované podobě, tedy tak, aby nebylo možné identifikovat konkrétního respondenta. Pokud by měly být v budoucnu využity konkrétní textové odpovědi nebo příklady dopadů způsobem, který by mohl vést k identifikaci osoby, projektu nebo instituce, budou před zveřejněním upraveny, anonymizovány nebo bude vyžádán zvláštní souhlas, pokud to bude relevantní.
Osobní údaje nebudou využity k jiným účelům, než které souvisejí s tímto šetřením a analytickou činností GA ČR.
Správcem osobních údajů zpracovávaných v souvislosti s tímto dotazníkovým šetřením je Grantová agentura České republiky, se sídlem Evropská 2589/33b, 160 00 Praha 6.
V případě dotazů ke zpracování údajů nebo k tomuto šetření se můžete obrátit na:
Ondřej Lukeš, e-mail: ondrej.lukes@gacr.cz, Oddělení analýz a evaluací
Zhoubný kožní melanom je jednou z nejagresivnějších onkologických diagnóz – jen v Česku si ji každoročně vyslechne kolem 2500 pacientů. Jeho výzkumu se i za podpory Grantové agentury České republiky dlouhodobě věnuje Mgr. Stjepan Uldrijan, CSc. z Biologického ústavu Lékařské fakulty Masarykovy univerzity.
Po několika letech testování mohl se svým týmem konečně zveřejnit studii popisující význam proteinového komplexu eIF4F v nádorových buňkách, a to, jakým způsobem ovlivňuje signální dráhu ERK, tedy proces, který řídí jejich růst a dělení. Publikoval ji jeden z nejcitovanějších vědeckých žurnálů, Proceedings of the National Academy of Sciences, což jen dokládá, jak zásadním přínosem pro budoucí vývoj léčiv může práce brněnských vědců být.
Ve svém výzkumu jste se věnovali proteinovému komplexu eIF4F v kožních melanomech. Souvislost mezi ním a růstem nádorových buněk byla popsána už před lety. Na co přesně jste se tedy nově zaměřili?
Vědělo se o tom, že eIF4F se nějak podílí na rezistenci melanomových buněk vůči léčbě, ale ten mechanismus úplně jasný nebyl. A protože současná léčba cílí na signální dráhu ERK, která je důležitá pro dělení nádorový buněk, zaměřili jsme se právě na ni. Zjistili jsme, že aktivita této dráhy se výrazně mění, když komplex eIF4F nefunguje. Jinými slovy: aktivita eIF4F je nezbytná k tomu, aby se správně nastavila aktivita signální dráhy ERK, která pohání dělení nádorových buněk. Naše zjištění tak je nadstavbou k dosavadním znalostem o regulaci signální dráhy v melanomu, ale zdá se, že docela důležitou. (usměje se)
Aktivita eIF4F řídí intenzitu signalizace ERK u melanomu. Model popisující úlohu eIF4F při udržování optimálního signálního toku dráhy ERK a mechanismus hyperaktivace ERK v melanomových buňkách nesoucích onkogenní mutace BRAF a NRAS v reakci na nízkomolekulární inhibitory eIF4F
Jak funguje signální dráha ERK u normálních buněk a jak se proměňuje u těch nádorových?
Normální buňky mají aktivitu dráhy ERK nízkou a teprve až dostanou signál ve formě tzv. růstového faktoru, tak tu dráhu „zapnou“ a můžou se rozdělit. Nádorová buňka má však v dráze mutace, které ji aktivují hodně – třeba stonásobně oproti normálním buňkám – takže pak stále rostou bez ohledu na tyto růstové faktory. Dlouho se mělo za to, že čím je dráha aktivnější, tím víc se budou nádorové buňky dělit. Náš výzkum ale ukazuje, že to tak úplně neplatí, že to je, jak se říká česky, „vocaď pocaď“. Když je dráha moc nízká, tak nádor neroste, a naopak, když je moc vysoká – jako u zmutovaných buněk – a zároveň jí chybí brzda v podobě eIF4F, tak její aktivita vystřelí o mnoho řádů výš.
Je správný předpoklad, že když se naučíme regulovat eIF4F, budeme moct regulovat i aktivitu signální dráhy?
Ukazujeme, že to možné je. Nám jde primárně o to, aby nádorové buňky nerostly. Tedy o to najít látku, která bude fungovat jako léčivo tím, že bude v nádorových buňkách cílit na eIF4F, zablokuje jeho aktivitu, což naruší regulaci signální dráhy, aby to nádorovým buňkám vadilo do té míry, že umřou. Ale eIF4F má v buňkách význam i pro jiné procesy důležité pro přežití, takže je otázka, zda vůbec můžeme dosáhnout jeho zablokování v nádorových buňkách bez toho, aby to vadilo normálním buňkám.
V rámci svého výzkumu už jste se ale o jeho blokaci pokoušeli, že?
Používali jsme některé sloučeniny známé tím, že na něj cílí. Některé z nich vykazují protinádorovou aktivitu v podmínkách in vitro, některé se jeví, že by mohly nádorové buňky zabíjet dokonce in vivo. Ale vzhledem k tomu, že žádné schválené léčivo, které by cílilo na eIF4F, neexistuje, tak se zatím nedá říct, že tohle je ta cesta, jak pacienty léčit. Nevíme například, jestli by se neprojevily nějaké vedlejší účinky. Ukazujeme však novou biologii a regulaci, která je pro nádorové buňky zásadní, a o které se dosud nevědělo. A je otázka, zda se podaří nějaké léčivo, které by toho využilo, najít. Na světě jsou týmy, které se hledáním inhibitorů eIF4F zabývají, i my sami se snažíme. (usměje se)
Proč vůbec nadměrné zaktivnění signální dráhy ERK nádorovým buňkám tolik vadí?
To nevíme. Ta dráha má mnoho cílů a jde o téma k dalšímu prozkoumání…
Jestliže přílišná aktivace vede ke smrti nádorových buněk, lze naopak předpokládat efekt úplného utlumení této dráhy?
To právě dělají stávající léčiva, která dráhu zablokují. Problém je však v tom, že v nějakém okamžiku se vyvine rezistence a ty léky přestanou fungovat. Nádor se pak vrací. A nám teď zbývá už jen druhá cesta, tu aktivitu extrémně zvýšit. Vše totiž nasvědčuje tomu, že jednotícím prvkem toho všeho je zvýšená aktivita eIF4F. Proto jsme ho zkoumali. Protože bylo ukázáno, že eIF4F se nějakým způsobem podílí na vzniku této rezistence.
Zničení buněk prostřednictvím nadměrné aktivace jejich signální dráhy by tak mohlo posloužit jako podpora stávajících terapií? Čili, nádorové buňky by se nejdřív utlumily, a pak zabily?
Ono se má za to, že kdyby se inhiboval eIF4F, tak by se při použití stávajících léků rezistence vůbec nemusela vyvinout. Komplex eIF4F totiž dává buňkám nějakou šanci té léčbě uniknout. Jeho blokací bychom ale mohli docílit toho, že buňky, které by byly jinak rezistentní, by vůbec nepřežily. Pacient by se tak vyléčil. Toto už bylo prokázáno in vitro.
Konkrétně jste se zabývali genovými mutacemi BRAF a NRAS, které v případě melanomů patří k těm vůbec nejrozšířenějším. Lze zobecnit, jak velký segment melanomů váš výzkum zasahuje?
Mutace BRAF se vyskytuje asi u 50 % melanomů, NRAS zhruba u 30 %. Kdybychom se podívali například do Irska, tak tam je NRAS zastoupena 60 až 70 %, a menšinově BRAF. Ty další mechanismy vedoucí ke vzniku onemocnění už jsou statisticky relativně málo významné, takže se dá říct, že náš výzkum pokrývá velkou většinu melanomů. A to ještě nevíme, jestli třeba regulace dráhy ERK není důležitá třeba i u jiných typů nádorů. Respektive, dá se to očekávat, a naše výsledky naznačují, že těch typů nádorů, které kontrolují dráhu ERK stejným nebo podobným mechanismem, je celá řada. Kolik a jaké, tím se chceme do budoucna ještě zabývat.
Grafické znázornění kožního melanomu + fotografie nádorových buněk z fluorescenčního mikroskopu
Kudy by se měl výzkum v tomto směru dál ubírat? Když jsme se bavili dva roky nazpět, zmiňoval jste, že ve Spojených státech už jedna firma postoupila ke klinickému testování látky, která by eIF4F ovlivňovala…
No, tak ta firma před necelým půl rokem zkrachovala. Bohužel jí nevyšlo klinické testování. Ovšem nikoliv léku proti eIF4F, ale léku proti kináze MNK, o němž se mělo za to, že by mohl pomáhat pacientům s karcinomem plic. Ale nezafungovalo to, utratili asi 300 milionů dolarů, a k dalšímu prokazování účinku inhibitoru eIF4F se zatím nedostali a možná ani nedostanou. Na ty testované molekuly existují nějaké patenty, které někomu patří a ten někdo se bude rozmýšlet, jestli se mu vyplatí výzkum dál financovat a jestli se to vůbec podaří. Z mého pohledu to význam má, ale jde vždy o zvážení šance, zda se danou sloučeninu podaří přeměnit na lék.
Čili když se vrátím k dotazu, kudy by se měl váš výzkum dál ubírat, kdo by se od něho mohl odrazit…
Myslím, že naše výsledky podporují význam komplexu eIF4F, minimálně v maligním melanomu. Tím pádem by mohly třeba motivovat farmaceutické firmy, aby tomu věnovaly víc pozornosti.
Před dvěma roky jsme se bavili o vašem projektu buněčného systému pro efektivní screening knihoven chemických sloučenin, který měl pomoci s identifikací právě nových léčiv cílících na důležité proteiny v nádorové buňce. Jak jsou tyto dva výzkumy provázané?
Významně. Aktuální článek stál několik let právě kvůli tomu, než se dostaneme dostatečně daleko s testováním. A teď, když už máme otestovanou velkou chemickou knihovnu, a máme kandidátní molekuly, můžeme pustit do světa, jak by se díky našemu objevu mohly inhibitory eIF4F snadno identifikovat.
V souvislosti s dnes všudypřítomnou umělou inteligencí se hovoří o tom, jak by mohla pomáhat právě ve farmaceutickém průmyslu s identifikací vhodných molekul. Využíváte nějak AI i ve vašem výzkumu?
Já sám ne, protože já nejsem chemik a s designem molekul nemám moc zkušenosti. Ale je dost dobře možné, že v nějaké fázi se ve spolupráci s chemiky, kteří umí moderní nástroje designu léčiv využívat, budeme snažit vylepšit molekuly, které jsme identifikovali jako potenciální kandidáty na léky cílící na eIF4F. Protože v existujících knihovnách je jen omezené množství molekul a pokud by se dala nějak namodelovat varianta, která by do cílové molekuly – v našem případě eIF4F – zapadala lépe než námi při testování objevená molekula, tak má pak smysl si ji nechat nasyntetizovat a dál s ní pracovat. Ale tohle konkrétně my neděláme a ani neumíme. Na to jsou na fakultě a na univerzitě jiní odborníci.
Největší radost ze své práce má profesor Václav Klika tehdy, když najde chybu. Ne, není to reakce škodolibého učitele. Řeč je o chybě v matematickém modelu, který popisuje nějakou část reality. Chyba totiž odhaluje, že teorie, z níž model vychází, není správná, a je nutné vytvořit lepší.
Svět kolem nás je složitý, a tak ho věda popisuje pomocí matematických modelů, které umožňují realitu snáze pochopit a také do ní zasahovat. Za vytváření takových modelů byl Václav Klika minulý rok nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Model je zjednodušený popis reality, který se soustředí na to podstatné, a neobsahuje tedy všechny detaily. Krásným příkladem je obyčejný šálek čaje. Ponoříte sáček s čajem do horké vody a pozorujete, jak se uvolňované barvivo uvnitř šálku šíří, až je tekutina zabarvená rovnoměrně.
Tento jev by se dal popsat jako pohyb jednotlivých molekul. Bylo by to sice velice přesné, ale buď neskutečně pracné, anebo vzhledem k počtu molekul úplně nemožné a pro praxi vlastně nepotřebné. Potřebujeme přece především vědět, kdy bude čaj hotový. A na to dokáže odpovědět správný model.
„Kuchařka“ místo improvizace
„Matematické modely pro složité děje se dají vytvářet ad hoc, tedy pro každou situaci zvlášť. Takovýto přístup má však řadu nedostatků. Například je těžké zahrnout známá omezení, jako jsou zákony zachování hmoty, energie a podobně, a kromě jednoduchých případů není moc jasné, jak postupovat,“ vysvětluje Václav Klika, který působí na katedře matematiky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze.
S důvěrou v čtenáře tohoto článku hned navrhuje, aby si pro onen čaj zkusili sestavit „vzoreček“ a navrhli, jak ho modifikovat v případě, že by byl čaj navíc zespoda zahříván. Obtížnost úkolu by si tak mohli sami ověřit.
„V neposlední řadě se může stát, že autor v takovémto ad hoc modelu něco důležitého opomine, protože postupuje bez vodítek, která by mu poskytla širší teorie,“ varuje Václav Klika.
Jak dodává, při tvorbě modelů je možné se opřít o teoretický základ takzvané nerovnovážné termodynamiky. Tento fyzikální obor totiž systematicky popisuje děje, které nějakým vývojem směřují k rovnovážnému stavu, a zaměřuje se při tom na pozorovatelné jevy, takzvané fenomény. Jinými slovy nemusí zkoumat jejich příčiny na úrovni jednotlivých částic. V případě louhování čaje stačí popsat šíření barviva z místa s vyšší koncentrací barviva do místa s nižší koncentrací.
A co je důležité: model navržený v rámci nerovnovážné termodynamiky v sobě automaticky obsahuje základní fyzikální zákony, jako je zákon zachování hmoty nebo energie, ale i druhý zákon termodynamiky, takzvanou šipku času. Pokud je tento rámec správně používán, dramaticky se snižuje riziko chyb v návrhu modelu.
„Mluvíme o matematickém modelu, ‚vzorečku‘ popisujícím odezvu systému, který má však podobu soustavy parciálních diferenciálních rovnic. Tyto rovnice obecně matematicky reprezentují studovaný děj. Při vložení konkrétních parametrů dostaneme specifický popis vývoje odpovídající dané situaci,“ shrnuje Václav Klika ve zjednodušené formě modely, jimiž se zabývá.
Záhadný pohyb kloubů
Příkladem praktického využití je matematický model lidské chrupavky. Tato pojivová tkáň slouží například k pružnému spojení kostí v kloubech. Musí být tuhá, ale i pružná, aby při lidském pohybu dokázala přenášet zatížení, které je násobně větší než hmotnost člověka, a současně vyrovnávat otřesy a tlumit nárazy.
Pro správné pochopení funkce chrupavky je zásadní popsat její dynamické chování. „Kdyby model popisoval jenom klidový, stacionární stav chrupavky, zjistili bychom, že by vůbec nemohla plnit funkci, kterou má,“ uvádí Václav Klika. „Schopnost chrupavky přenášet zatížení by bez dynamických jevů spojených s prouděním tekutiny v ní spolu s transportem iontů byla řádově horší. Funkční model musí tyto jevy zachytit.“
Odpovídající model popisuje chrupavku jako směs pevné a kapalné látky, které se vzájemně ovlivňují. Konkrétně pak jeho pevná struktura odpovídá poréznímu prostředí (představme si houbu) a nese na sobě vázaný elektrický náboj. Touto strukturou proniká takzvaná synoviální tekutina, tedy viskózní bezbarvá tekutina, která obsahuje volně se pohybující ionty. Interakce mezi pevně vázaným nábojem v chrupavce a volnými ionty v tekutině zvyšuje schopnost tlumit zátěž.
Síla interakce zprostředkující tuhost odezvy chrupavky však závisí na rychlosti transportu iontů prouděním tekutiny porézním prostředí. Neboli odezva chrupavky závisí na přechodném, dynamickém, nerovnovážném stavu. V klidovém stavu silná tendence k elektroneutralitě rychle převáží a efekt by zmizel. Model proto musí zachytit nerovnovážný děj, aby správně popsal skutečnou funkci chrupavky.
Poznatky jsou užitečné pro pochopení správného fungování chrupavky, ale i třeba pro konstrukci umělých kloubních náhrad nebo prosté mechanické zátěžové testy chrupavky.
Skutečnost může vypadat neuvěřitelně
Další využití nerovnovážné termodynamiky při tvorbě matematických modelů vidí Václav Klika zejména při tzv. spřažených dějích, v nichž se jevy různé povahy navzájem neintuitivně ovlivňují. Vysvětlení: Máme třeba směs více než dvou látek. Jak jsme viděli u louhování čaje, látky mají tendenci rozptylovat se a vyrovnávat svou koncentraci, čemuž se říká difuze. Totéž intuitivně očekáváme i v dalších podobných situacích. Ale existují směsi, v nichž se může látka přechodně hromadit na jednom místě a nerozptylovat se. Podobné jevy stojí také třeba za separací izotopů uranu (tzv. Soretův jev) při jeho obohacování.
Správný termodynamický model tedy musí určit, co se doopravdy stane. A to i v tak složitých systémech, jako je například popis atmosférických jevů.
Největší radost? Najít chybnou teorii
Základní modely potvrdí něco, co už bylo známé z předchozích pozorování. Václava Kliku však více potěší, když se mu podaří vytvořit model, který na základě známých principů předpoví nové, nečekané chování, jež se pak následně ověří novým experimentem.
Ale za úplně nejpřínosnější považuje, když se mu podaří zjistit, že model dal předpověď, kterou pak experiment vyvrátí. „V tu chvíli jsme se dozvěděli něco nesmírně cenného: naše teorie, z níž model vychází, je chybná,“ vysvětluje. „Tohle poznání nám umožní zjistit, v čem jsme se mýlili, a nutí nás vytvořit lepší, přesnější teorii. Je to cesta, která vede skutečně dopředu.“
Ostatně jeho oblíbený filozof Karl Popper tvrdil, že falzifikace, kterou je v tomto případě míněna možnost modely vyvrátit, vymezuje vědu od pseudovědy. Z těchto důvodů je právě znalost omezení pro formulaci modelu základním kamenem při navrhování věrohodných modelů daného jevu. Takovýmto vhodným teoretickým rámcem je z pohledu Václava Kliky právě nerovnovážná termodynamika.
prof. Ing. Václav Klika, Ph.D.
Narodil se v roce 1983. Vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze, kde také získal v roce 2009 doktorát. Působil jako výzkumník v Ústavu termomechaniky Akademie věd ČR a jako přednášející na jaderné fakultě. Tam se v roce 2016 stal docentem a v roce 2023 profesorem aplikované matematiky. Působil rovněž na univerzitách v Oxfordu, Cambridge, Berkeley a Zaragoze, a také ve Švýcarském federálním technologickém institutu v Curychu a Polytechnické škole v Montrealu.
Zabývá se zejména tvorbou matematických modelů na bázi nerovnovážné termodynamiky a užívá nástrojů matematické analýzy pro následný odhad jejich kvalitativního chování.
Za svou vědeckou práci byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Spolehlivou a milou kolegyni nebo kolegu s ekonomickým vzděláním a nejlépe praxí ve veřejných službách a správě nebo státní správě, kteří se orientují v oblastech české účetní a daňové legislativy, a kterým vyhovuje samostatná práce v malém kolektivu.
Hlavní náplní Vaší práce bude:
Vedení účetnictví organizace;
budete se podílet na vypořádání se státním rozpočtem;
zabezpečení činnosti spojené s funkcí státní pokladny;
spolupráce na návrhu rozpočtu kapitoly organizace a vypracováním závěrečného účtu kapitoly;
zodpovědnost za ukládání účetních písemností a záznamů účetní jednotky a jejich archivaci.
Výhodou bude, pokud budete mít:
Středoškolské vzdělání;
znalost účetnictví dle vyhlášky č. 410/2009 Sb.;
znalost zákona č. 218/2000 Sb. o rozpočtových pravidlech.
Rádi Vám nabídneme:
Perspektivní a odpovědnou práci v malé státní organizaci;
5 týdnů dovolené;
5 dnů zdravotního volna;
5 dnů v roce poskytnutých na osobní rozvoj;
pružnou pracovní dobu: pevná část na pracovišti od 10–15 hod.;
až 2 dny v týdnu práce na dálku;
zajímavé benefity;
platové podmínky podle nařízení vlády č. 341/2017 Sb., o platových poměrech zaměstnanců ve veřejných službách a správě.
Nabízíme práci na plný úvazek, nástup možný ihned nebo dle dohody.
V případě Vašeho zájmu zašlete životopis na e-mailovou adresu: daniela.kmochova@gacr.cz
Do malého týmu právního oddělení spolehlivého a milého kolegu či kolegyni na pozici právník junior.
Staňte se součástí našeho týmu a převezměte odpovědnost za klíčovou právní agendu organizace. Budete aktivně poskytovat právní podporu napříč činnostmi – připravovat a revidovat smlouvy, zpracovávat právní analýzy a stanoviska a podílet se na tvorbě i aktualizaci interních předpisů. Zapojíte se do koordinace a administrace veřejných zakázek a budete spolupracovat na přípravě zadávací dokumentace v oblasti výzkumu, vývoje a inovací.
Současně budete vyřizovat žádosti podle zákona o svobodném přístupu k informacím, podílet se na mezirezortním připomínkovém řízení a aktivně sledovat legislativní změny i jejich dopady na fungování organizace.
Co byste měl/a splňovat
Ukončené vysokoškolské vzdělání v oboru právo bez nutné předchozí praxe;
předchozí praxe v oblasti státní správy, výzkumu, vývoje a inovací a znalost správního řádu výhodou;
zodpovědnost, profesionalitu, proaktivní přístup.
Rádi Vám nabídneme
Perspektivní a odpovědnou práci v malé státní organizaci;
5 týdnů dovolené;
5 dnů zdravotního volna;
5 dnů v roce poskytnutých na osobní rozvoj;
pružnou pracovní dobu: pevná část na pracovišti od 10-15 hod.;
2 dny v týdnu práce na dálku
zajímavé benefity;
platové podmínky podle nařízení vlády č. 341/2017 Sb., o platových poměrech zaměstnanců ve veřejných službách a správě.
Nástup dle dohody.
V případě Vašeho zájmu zašlete strukturovaný životopis na e-mailovou adresu: daniela.kmochova@gacr.cz
Mezinárodní tým vedený Romanem Kouřilem z Univerzity Palackého popsal unikátní uspořádání fotosyntetického aparátu smrku. Ukázal, že jehličnany využívají odlišnou strukturní organizaci fotosystému II než kvetoucí rostliny – a to jim může dávat výhodu v extrémních světelných podmínkách.
Při fotosyntéze využívají rostliny sluneční energii a přeměňují oxid uhličitý a vodu na organické látky (hlavně cukry) a kyslík. Není překvapivé, že rostliny v závislosti na místě růstu volí odlišné strategie, aby co nejlépe využily světelné podmínky.
Na toto téma se zaměřuje biofyzik Roman Kouřil z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, který se specializuje na strukturní výzkum fotosyntetických proteinových komplexů pomocí elektronové mikroskopie. Zaměřuje se především na studium uspořádání proteinů v jedné z klíčových komponent fotosyntetického aparátu, ve fotosystému II. Úkolem těchto proteinů je zachytit světlo, přeměnit ho na energii a tu předat dalším molekulám ve fotosyntetickém aparátu.
Příprava transgenních rostlin Arabidopsis thaliana
Protein Lhcb8 jako znak fotosystému II jehličnanů
Ve svém výzkumu se Roman Kouřil věnoval specifické strukturní organizaci fotosystému II u jehličnanů, v níž hraje významnou roli protein Lhcb8. Ten se u většiny krytosemenných rostlin objevuje pouze za určitých světelných podmínek, zatímco u smrku a dalších zástupců čeledi borovicovitých je trvalou součástí fotosystému II, nezávisle na osvětlení. Výzkumníci se proto zaměřili na to, jakou roli Lhcb8 hraje ve struktuře a funkčním uspořádání fotosystému II.
Pomocí kryogenní elektronové mikroskopie získali 3D strukturu fotosystému II ze smrku, která umožnila poprvé detailně popsat prostorové uspořádání proteinu Lhcb8 v rámci celého komplexu. Analýza ukázala, že u jehličnanů je Lhcb8 stabilní a charakteristickou součástí fotosystému II.
Uspořádání světlosběrného aparátu u jehličnanů vědci porovnávali s modelovým organismem – huseníčkem rolním (Arabidopsis thaliana). Ukázali, že u jehličnanů protein Lhcb8 zaujímá pozici, která je u krytosemenných rostlin obsazena proteinem Lhcb4, jenž jeběžnou součástí fotosystému II.
Odlišná strategie smrku a huseníčku
Po popisu struktury se vědci zaměřili na to, jak se rozdílné uspořádání fotosystému II promítá do chování rostlin při různém osvětlení. Zkoumali, zda se odlišné uspořádání fotosystému II může promítat do odlišné regulace fotosyntetického aparátu ve specifických světelných podmínkách ve srovnání s krytosemennými rostlinami.
Obě rostliny proto sledovali v rámci tzv. aklimatační studie. Pěstovali je v různých světelných podmínkách a porovnávali jejich fotosyntetickou odezvu. Pokusy odhalily, že smrk a huseníček uplatňují odlišné strategie regulace světlosběrného aparátu. „Smrk si například zachovává stabilní velikost antény a poměr fotosystému I a II, zatímco huseníček tyto parametry výrazněji přizpůsobuje aktuálním světelným podmínkám,“ shrnuje hlavní závěry docent Roman Kouřil.
Struktura fotosystému II ze smrku ztepilého (Picea abies) určená pomocí kryogenní elektronové mikroskopie
Pokusy s mutantními liniemi
V další fázi výzkumu se vědci snažili rozlišit, do jaké míry jsou rozdíly mezi fotosystémem II u jehličnanů a krytosemenných rostlin dány samotným složením světlosběrných proteinů a do jaké míry se na nich podílejí další regulační mechanismy vyvinuté v průběhu evoluce. U jehličnanů totiž přirozeně chybí i některé další světlosběrné proteiny, konkrétně Lhcb3 a Lhcb6, zatímco je zde trvale přítomen protein Lhcb8.
Výzkumníci proto připravili mutantní linie huseníčku rolního, u nichž se pokusili napodobit tuto kombinaci proteinů typickou pro jehličnany. „Tento směr výzkumu je pro nás klíčový i proto, že chceme pochopit evoluční adaptace rostlin na různé světelné podmínky,“ vysvětluje výzkumník.
Mutantní rostliny postrádající proteiny Lhcb3 a Lhcb6 a současně obsahující protein Lhcb8 však nevytvořily očekávané „smrkové“ uspořádání fotosystému II. „Je frustrující i fascinující zároveň, že se nám u huseníčku dlouhodobě nedaří napodobit smrkové uspořádání fotosystému II. Naznačuje to, že roli hrají i další, dosud neznámé faktory, které vznik této specifické struktury regulují,“ analyzuje docent Roman Kouřil.
Výsledky ukazují, že samotné složení světlosběrných proteinů nestačí k vytvoření specifické struktury fotosystému II u jehličnanů a že vznik této architektury je pravděpodobně řízen dalšími, dosud ne zcela známými faktory. Zjištění tak podtrhují komplexnost mechanismů, které jsou určující pro sestavování daného typu fotosyntetických komplexů u různých skupin rostlin.
Nevzdáváme se!
Výzkum struktury fotosystému II u jehličnanů tímto rozhodně nekončí. Vědecký tým Romana Kouřila se i nadále snaží pochopit, jaké další faktory stojí za tím, že se specifické „smrkové“ uspořádání fotosystému II nedaří jednoduše přenést do modelové rostliny huseníčku. „Máme k dispozici několik mutantních linií a zároveň i nové indicie, konkrétní faktory, které by mohly hrát zásadní roli při formování této specifické struktury,“ popisuje vědec, který strávil devět let ve výzkumné skupině elektronové mikroskopie na Univerzitě v Groningenu v Nizozemsku. Právě zde se začal systematicky věnovat strukturnímu výzkumu fotosyntetických proteinových komplexů.
V další fázi výzkumu plánuje pomocí kryogenní elektronové mikroskopie analyzovat také větší varianty smrkového fotosystému II, v nichž se mohou projevit další strukturní principy sestavování fotosyntetického aparátu typické pro jehličnany. Dlouhodobým cílem je porozumět, jakou evoluční výhodu mohly jehličnany díky odlišné struktuře tohoto komplexu získat. „Pokud se nám podaří smrkový typ struktury fotosystému II úspěšně rekonstruovat i u modelové rostliny, mohli bychom lépe porozumět tomu, jak se rostliny adaptují na různé světelné podmínky,“ uzavírá výzkumník. Tyto poznatky by pak mohly být inspirací při snahách o zvyšování efektivity fotosyntézy u kulturních plodin.
Snímek olomoucké výzkumné skupiny, která zahrnuje výzkumníky z katedry biofyziky a katedry experimentální biologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, Ústavu experimentální botaniky AV ČR a z vědeckého centra CATRIN Univerzity Palackého (řešitel projektu Roman Kouřil vlevo dole)
Makromolekulární chemik Peter Košovan z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy propojuje teoretické modely, počítačové simulace a laboratorní experimenty. Zkoumá, jak se náboj velkých molekul mění v závislosti na pH a jak tyto změny ovlivňují jejich chování.
Peter Košovan se svými kolegy studuje principy, podle kterých fungují interakce mezi nabitými makromolekulami (velkými molekulami). Zaměřuje se především na případy, kdy jsou experimentálně pozorované interakce ve zdánlivém rozporu s chemickou intuicí a obecně známými pravidly. Například proč některé experimenty naznačují přitažlivé interakce mezi stejně nabitými molekulami, které by se měly přirozeně odpuzovat. „Už během magisterského studia jsem se chtěl věnovat teorii, simulacím a experimentům současně. To se ukázalo jako úkol vysoko nad možnosti jednoho studenta, proto trvalo dalších zhruba 15 let, než se mi to povedlo úspěšně realizovat,“ popisuje výzkumník.
Zajímá ho, jakým způsobem se při interakci mezi molekulami mění jejich náboj tak, aby tato interakce byla energeticky výhodná, a jak toho lze dosáhnout pomocí změny pH v roztoku. Při interpretaci většiny chemických experimentů se obvykle vychází z předpokladu, že náboj molekul se při jejich vzájemné interakci nemění. „Naše teoretické modely i experimenty však ukazují, že v mnoha případech je tomu jinak. Nejenže náboj molekul určuje jejich vzájemné interakce, ale funguje to i obráceně: interakce mezi molekulami také ovlivňují jejich náboj,” vysvětluje Košovan.
Makroskopicky se změna mezimolekulových interakcí projeví například vysrážením z roztoku, změnou skupenství nebo rozdělením na různé fáze.
Biomolekuly jsou také makromolekuly
Výsledky výzkumu Petera Košovana ukazují, že modely, které používá pro vysvětlení chování syntetických polymerů, lze použít také na vysvětlení chování biomakromolekul – peptidů a proteinů. „Je vždy velmi zajímavé pozorovat jev předpovídaný na základě jednoduchého teoretického modelu také v reálném experimentu. Ještě zajímavější je, když za mnou přijdou kolegové se zdánlivě nečekaným experimentálním pozorováním a já jim mohu říci, že už mám jednoduchý model, který to vysvětluje,“ říká o výzkumu, na němž spolupracoval s kolegy z německého Stuttgartu, Nizozemska, Rakouska, Norska a dalších zemí.
Vše začalo v roce 2018, kdy za Petrem Košovanem přišli kolegové z Nizozemska s dotazem, zda by dokázal vysvětlit, jakým mechanismem se různě nabité proteiny akumulují uvnitř tzv. polyelektrolytových koacervátů. Ty se připravují smícháním dvou opačně nabitých polymerů, přičemž vzniknou dvě kapalné fáze – jedna obsahuje polymery, druhá převážně vodu. Nizozemští kolegové vypozorovali, že v případě dvou téměř identických proteinů, které se liší jen nábojem několika málo skupin, se jeden z nich hromadí v polymerní a druhý ve vodní fázi. Po změně pH si oba proteiny vymění role. „Věděl jsem, že proteiny modelovat neumíme, ale měl jsem nadaného studenta, a tak jsem se rozhodl vzít to jako výzvu. Student Roman Staňo tehdy výzvu přijal a stala se tématem jeho diplomové práce, za kterou později dostal cenu od firmy Contipro.“
Vlevo: molekulární model pro simulace fázové rovnováhy mezi polyelektrolytovým koacervátem (PEC) a supernatantem (roztokem, který obsahuje pouze malé ionty); Vpravo: fotografie skutečného koacervátu v rovnováze se supernatantem, jehož chování jsme studovali pomocí simulací i experimentů. (Obrázky z publikace, Autor: Dr. Roman Staňo)
Výzkumníci během pěti let vytvořili model, který vysvětlil jevy pozorované v experimentu, a navrhli nové experimenty potvrzující předpovědi modelu. Tento příklad ukázal, že jednoduché modely běžně používané pro syntetické polymery složené ze stejných opakujících se jednotek mohou vysvětlit i chování proteinů, jejichž vlastnosti jsou určeny složitou sekvencí různých aminokyselin.
„Úspěch s pochopením chování proteinů nás motivoval a začali jsme zkoušet, jak daleko lze s jednoduchými modely zajít. Oslovili jsme kolegy ze skupiny Soft Matter, zakoupili speciální peptidové sekvence a začali zkoumat, jak spolehlivě naše modely dokážou předpovědět náboj těchto peptidů při různém pH,” popisuje vědec. Ukázalo se, že modely předpovídají náboj peptidů velmi dobře. Často se od experimentů odchylují méně, než činí neurčitost samotného experimentu. To se později potvrdilo pro řadu různých vzorků peptidů i syntetických polymerů.
Od kapek v buňce k modelům pro medicínu
Přibližně ve stejné době, kdy se tým Petra Košovana začal zabývat proteiny v syntetických koacervátech, se ukázalo, že podobná fázová separace probíhá i v živých buňkách: vznikají zde kapičky s vysokou koncentrací proteinů – bezmembránové organely (biomolekulární kondenzáty). Ty lokálně zvyšují koncentraci vybraných molekul, posouvají termodynamickou rovnováhu a umožňují tak reakce, které by mimo kondenzát neprobíhaly, což připomíná chování koacervátů.
Vznik kondenzátů navíc dobře popisují klasické modely fázové separace polymerů z 50. let, protože v kondenzátech často dominují nestrukturované, flexibilní a mnohdy silně nabité proteiny blížící se polymerům. V poslední dekádě se proto rozvíjí směr, který tyto zavedené teorie využívá k předpovědi různých jevů v kondenzátech – mimo jiné vlivu pH, kde důležitou, ale těžko měřitelnou veličinu představuje rozdíl mezi pH uvnitř kondenzátu a vně.
Koloidní nanočástice jako zjednodušený model pro interakce globulárních proteinů v roztocích při různém pH. Červené a modré tečky představují kyselé a bazické skupiny, jejichž náboj se mění v závislosti na pH. Změna náboje ovlivňuje tendenci částic k agregaci, která vede k jejich vysrážení z roztoku. (Nepublikováno, Autor: Dr. Sebastian Pineda Pineda; video)
Na tuto mezeru cílí Košovanovy nové projekty: modely ověřené na syntetických polymerech a peptidech by mohly pomoci predikovat pH a chování biomolekulárních kondenzátů i koncentrovaných roztoků globulárních proteinů, například terapeutických monoklonálních protilátek zahušťovaných až na hranici rozpustnosti. V membránových separacích je volba pH zásadní a kvůli Donnanově rovnováze se pH na straně proteinového roztoku může lišit od pufru. Protilátky jsou velmi drahé, takže optimalizace složení pufru a jeho pH metodou pokus-omyl je nákladná a neefektivní; vhodný model by umožnil odhadnout optimální podmínky, aby se protein nevysrážel.
Košovan zároveň popisuje, že smyslem modelování je posouvat základní porozumění směrem k aplikacím – například u elektroadheze, kde nízké napětí umožní „zapínat a vypínat“ adhezi mezi hydrogely či hydrogelem a tkání. Elektroadheze má slibné využití například v chirurgii, ale zatím chybí znalost jejího mechanismu, bez které jsme zase odkázáni na metodu pokus-omyl. Pochopení mechanismu elektroadheze je dalším z projektů, které Peter Košovan se svým týmem řeší v nově vzniklé výzkumné skupině MakroMolekulárního Modelování (MaMoMo).
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.
