Zdokonalení elektrotechnických zařízení díky grafenu

Před pouhými dvaceti lety se světu otevřela brána do fascinujícího světa grafenu – látky s jedinečnými fyzikálními vlastnostmi. Mezi ty, kdo se ponořili do jeho zkoumání, patří i Martin Rejhon z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Ve svém JUNIOR STAR projektu se zaměřuje na růst tří grafenových vrstev na sobě s cílem zajistit jejich využitelnost ve vývoji elektronických a optoelektronických zařízení.

Cesta ke grafenu

Grafen je speciální forma uhlíku, která má na výšku pouze jeden atom. Je tak 2D strukturou, která navíc nabízí ojedinělé fyzikální vlastnosti. Jedná se o materiál objevený poměrně nedávno, konkrétně v roce 2004, a v roce 2010 byla za něj udělena Nobelova cena. V tomto roce řešitel projektu JUNIOR STAR Martin Rejhon teprve nastupoval do bakalářského studia.

Výzkumu grafenu se věnuje od začátku doktorského studia. „Během doktorského studia jsem získal univerzitní grant na zkoumání světelných vlastností spojení karbidu křemíku [pozn. red.: sloučenina tvořená křemíkem a uhlíkem], označovaného jako SiC z anglického silicon carbide, a grafenu. Díky grafenu jsem se také dostal na stáž a později na postdoktorandský pobyt na New York University, kde jsem se zabýval mechanickými vlastnostmi 2D materiálů a jejich strukturálními změnami vyvolanými aplikovaným tlakem,“ popisuje doktor Rejhon svou cestu k výzkumu grafenu.

Kontrola atomárních vrstev grafenu

Při vysokých teplotách, dosahujících až 1700 °C, dochází k porušení kovalentních vazeb mezikřemíkem a uhlíkem karbidu křemíku, kdy křemík odlétá z povrchu, zatímco zbývající uhlík se začíná formovat do hexagonální struktury, tzv. včelí plástve, a utváří 2D materiál zvaný grafen.

V rámci svého projektu JUNIOR STAR se doktor Rejhon zaměřuje na přípravu více vrstev grafenu na sobě. „Abychom byli schopni kontrolovat uspořádání více grafenových vrstev, bude potřeba správně nastavit růstové podmínky, jako je teplota, čas, tlak a další. Na obrázku 1 je vidět práce s naší současnou růstovou aparaturou. V dolní části obrázku je patrný jasně bílý váleček, kde se ohřívá substrát SiC na vysoké teploty,“ vysvětluje svůj nelehký úkol řešitel projektu.

Grafen - růstová aparatura
Obrázek 1 – Růstová aparatura grafenu

ABC uspořádání

Způsob, jakým jsou na sebe jednotlivé atomární vrstvy látek skládány, ovlivňuje jejich vlastnosti. Jeden způsob složení atomárních vrstev může z látky udělat izolant, zatímco jiný z ní vytvoří supravodič. Z tohoto důvodu je důležité mít nad způsobem uspořádání těchto atomárních vrstev kontrolu. „Náš výzkum bude primárně soustředěn na růst tří atomárních uhlíkových vrstev v ABC uspořádání, které má jedinečné vlastnosti vhodné pro aplikace v elektronice a optoelektronice. ABC uspořádání bohužel není nejběžnějším a v přírodě se více vyskytuje uhlík v ABA uspořádání nebo v úplně náhodném uspořádání,“ představuje hlavní oblast soustředění Martin Rejhon.

Součástí výzkumu bude příprava vzorků v ABC uspořádání, které vědci podrobně charakterizují a určí nejvhodnější parametry pro přípravu a složení grafenových vrstev. „Díky získanému grantu JUNIOR STAR pořídíme speciální mikroskop. Jeho princip si můžete zjednodušeně představit jako gramofon, kdy jehla jezdí po povrchu a zaznamenává výšku. Toto zařízení nám dovolí lokálně zkoumat elektrické, mechanické a další vlastnosti na škálách jednotlivých atomů až po mikrometry. Jakmile zvládneme růstovou etapu, pustíme se do vývoje elektronických a optoelektronických zařízení na ABC grafenu,“ dodává řešitel projektu.

Nové možnosti v elektronice a optoelektronice

Výzkumný tým si od projektu slibuje objevení nových možností využití grafenu v elektronice a optoelektronice. „Chceme například ukázat jeho možné využití jako detektoru dalekého infračerveného záření a záření v terahertzové oblasti. Tyto oblasti jsou v současnosti lákavé pro jejich využití v medicíně nebo bezpečnostních či komunikačních aplikacích,“ zmiňuje doktor Rejhon. Jedním z možných praktických využití výsledků bude nahrazení běžně používaného rentgenového záření, které je pro organismus škodlivé.

Mezinárodní tým z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy na výzkumu spolupracuje s americkými New York University a Sandia National Laboratories nebo italským institutem Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati.

RNDr. Martin Rejhon, Ph.D.
RNDr. Martin Rejhon, Ph.D.

 

JUNIOR STAR

Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají významnou zahraniční zkušenost. Díky pětiletému financování s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno pouze 17 z celkových 175 návrhů projektů.

Rozbor krve pomůže včas zjistit nádor

Zkoumání lipidů, v tomto případě zejména tuků v lidském těle, vedlo profesora Michala Holčapka a jeho kolegy k vytvoření konceptu včasného zjišťování hned několika různých typů rakovinných nádorů. Tedy jejich rozpoznání v době, kdy se dají úspěšněji léčit. Jejich výzkumný projekt byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR a vznikla i firma, která chce jeho výsledky uvést do praxe.

Michal Holčapek je profesorem analytické chemie na Fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice. Už více než dvacet let se zabývá výzkumem lipidů. Lipidy nejsou jen rostlinné oleje nebo živočišné tuky, ale také celá řada látek, které plní důležité role v lidském organismu, tvoří například materiál pro stavbu buněčných membrán, přenášejí informace uvnitř buněk nebo v mezibuněčné komunikaci.

„Z pohledu vědy jsou lipidy moc zajímavé sloučeniny. A čím víc jsem je poznával a psal o nich vědecké práce, tím víc jsem přemýšlel, jak tohle poznání využít ještě jinak, nejlépe v medicíně,“ popisuje profesor Holčapek.

V roce 2010 byl na dvou konferencích ve Spojených státech a přelétal mezi americkými městy Phoenix a Salt Lake City. „V letadle jsem spíš z nudy vzal do ruky časopis letecké společnosti, kde byl docela zajímavý populární článek o nádorech. A mně to najednou sepnulo – vždyť lipidy přece tvoří membrány i v nádorových buňkách. Bylo by výborné využít naše znalosti k tomu, aby se dala zjišťovat rakovina!“ vzpomíná Michal Holčapek.

Stavební materiál rakovinných buněk

Nádorové buňky jsou nebezpečné zejména tím, že se nekontrolovaně a rychle množí. To ovšem znamená, že potřebují hodně „stavebního materiálu“, tedy i lipidů, které nutně potřebují pro stavbu membrán. Už dřívější studie ukázaly, že lipidy v nádorových buňkách mají trochu jiné složení než v buňkách normálních.

Změny koncentrací lipidů se neprojevují pouze v buňkách a nádorových tkáních, ale lze je detekovat i v tělních tekutinách, jako například v krvi nebo v moči. „Řekl jsem si tehdy: Pokud tyto ,rakovinné‘ lipidy zjistíme v tělních tekutinách, které se lidem dají velice snadno odebrat, můžeme tak určit, že tito lidé jsou nemocní,“ vysvětluje Michal Holčapek.

Společně s kolegy z Pardubic se spojili s vědci a lékaři z Univerzity Palackého v Olomouci a tamní Fakultní nemocnice, z Masarykova onkologického ústavu v Brně a dalších nemocnic. Získávali od nich biologické vzorky od nemocných pacientů i zdravých osob a určovali, čím se lipidy v nich liší.

Tři nemoci na mušce

„V našem zatím posledním výzkumném projektu, který financovala Grantová agentura ČR, jsme se zaměřili na nádory ledvin, a spíše pro srovnání jsme tam přidali i rakovinu slinivky břišní a plic. Ukázalo se však, že nejlíp se nám daří ze vzorků krve identifikovat nádory slinivky. Takový test na světě neexistuje,“ zdůrazňuje Michal Holčapek. Mezi řadou odborných publikací, které výzkumníci připravili, je právě článek o určování tohoto nádoru zlatým hřebem – publikoval jej prestižní vědecký časopis Nature Communications.

Nádory slinivky přitom patří mezi nejzákeřnější. Obvykle se totiž dají zjistit, až když jsou v příliš pokročilém stádiu a léčí se obtížně. Jejich včasná diagnostika je tedy pro nemocného životně důležitá.

Patenty i univerzitní firma

„Naše analytické postupy jsou velmi přesné, využíváme špičkové přístroje pro hmotnostní spektrometrii, kapalinovou chromatografii i superkritickou fluidní chromatografii. V případě lipidů zkoumáme koncentrace několika set různých molekul,“ konstatuje profesor Holčapek. „Jeden údaj by nám k ničemu nestačil, ale právě kombinace takového množství dat nám umožňuje velmi dobře určit, která z vyšetřovaných osob má nádorové onemocnění.“

Výzkumníci vytvořili vlastní software pro vyhodnocování naměřených výsledků. Získali už evropský patent na postup pro určování karcinomu slinivky, další evropský patent, pro diagnostiku nádorů ledvin, je zatím ve schvalovacím řízení. Tytéž patenty přihlásili i v USA, Japonsku a Singapuru.

Loni v květnu Univerzita Pardubice a pardubická společnost FONS založily společnou firmu LipiDiCa, která by měla převést tuto diagnostiku do klinické praxe.

„Naší představou je, že metoda by se dala používat pro screening rizikových skupin populace. Tedy lidí, v jejichž rodině se nádory opakovaně objevují, nebo kteří mají genetické mutace, jež riziko vzniku nádoru zvyšují,“ říká Michal Holčapek. „Další aplikace by měla být k dispozici pro lidi, kteří mají příznaky, jež by mohly být způsobeny nádorovým onemocněním.“

Celý test by podle předběžných propočtů měl stát asi dva a půl tisíce korun – od nabrání krve, přes zpracování vzorku až po vyhodnocení.

michal_holcapek

Prof. Ing. Michal Holčapek, Ph.D., pracuje na Fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice, je analytickým chemikem a dvacet let se zabývá výzkumem lipidů. Vystudoval Univerzitu Pardubice, kde v roce 1999 získal doktorát, v roce 2009 se stal docentem a v roce 2013 profesorem. Absolvoval několik krátkých odborných stáží ve Francii, USA a Norsku. Je viceprezidentem Mezinárodní lipidomické společnosti.

Jak může stres a další vlivy v těhotenství ovlivnit mozek dítěte?

Stres, úzkost a deprese během těhotenství mohou mít dlouhodobé důsledky na vývoj dítěte a mohou zapříčinit emoční a behaviorální problémy. Dosud však není dobře známo, jakými mechanismy k přenosu mezi matkou a plodem dochází. Ambiciózní projekt JUNIOR STAR Kláry Marečkové z výzkumného centra CEITEC si dal za cíl odhalení těchto mechanismů a přispění k vysvětlení vztahu mezi duševním zdravím matky během těhotenství a mozkem a chováním dítěte.

Cesta k tématu

K tématu vlivu zdraví matky během těhotenství na vývoj mozku a chování dítěte se řešitelka projektu Klára Marečková poprvé dostala v rámci svého doktorského studia v Anglii.

„V rámci svého Ph.D. studia mě velmi zaujala studie dvouvaječných dvojčat, která prokázala, že ti, co byli v děloze s chlapcem – nehledě na to, jestli oni samotní byli dívky či chlapci – měli v důsledku vyšší hladiny prenatálních androgenů (mužských pohlavních hormonů) větší mozek než ti, co byli v děloze s dívkou. Androgeny, které produkoval plod chlapce, se difuzí dostaly ke druhému dvojčeti a zásadně ovlivnily vývoj jeho mozku směrem k maskulinitě,“ objasňuje řešitelka, proč ji téma poprvé oslovilo.

Dále, již jako postdoktorandka na Harvardu, studovala vliv několika zánětlivých markerů (látek v krvi, které jsou obvykle známkou přítomnosti zánětu) u matek během těhotenství na funkci mozku jejich potomků. Tyto a další výzkumy a jejich výsledky přiměly řešitelku se oblasti mechanismů prenatálního programování věnovat na svém pracovišti naplno a následně úspěšně žádat o grant JUNIOR STAR od Grantové agentury ČR.

Pochopení vývojových mechanismů

Cílem podpořeného projektu, jak již bylo řečeno, je pochopit mechanismy, které v těhotenství ovlivňují vývoj mozku a které mají následně vliv na chování dítěte. K odhalení a pochopení těchto mechanismů je potřeba obrovského množství dat.

V rámci projektu tak probíhá pravidelný sběr biologických vzorků nejen dětí, ale i maminek v průběhu těhotenství. Děti také absolvují psychologické vyšetření kognitivních schopností a vyšetření magnetickou rezonancí.

„Budeme například zkoumat souvislost biologického věku matky během těhotenství, biologického věku děťátka po narození a biologického věku dítěte v 6 letech na strukturu a funkci mozku těchto šestiletých dětí. Zajímá nás také, jak prostředí, jako například socioekonomický status, sociální podpora, zdravotní stav před otěhotněním nebo vystavení toxickým látkám může tyto vztahy zesilovat, nebo naopak zmírňovat,“ uvádí hlavní výzkumné otázky projektu Klára Marečková.

Přenos výsledků do praxe

Pokud se v rámci projektu prokáže vliv konkrétních zánětlivých markerů nebo jejich kombinací během těhotenství na vývoj mozku dítěte, mohly by se tyto hladiny markerů v budoucnu u všech těhotných monitorovat a regulovat pomocí protizánětlivých diet nebo léčby tak, aby k neoptimálnímu vývoji mozku a vývojovým poruchám u dětí nedocházelo. Pokud by se prokázalo, že existují nějaké enviromentální vlivy, které zánětlivé markery a biologické stárnutí ovlivňují, například jejich vliv zesilují nebo naopak mírní, mohlo by se cílit i na ně. Takovéto cílené intervence by pak zamezily mezigeneračnímu přenosu neurovývojových a duševních poruch.

Vesmírné vyšetření

Kvůli obavám z hladkého průběhu vyšetření dětí magnetickou rezonancí (MR), výzkumný tým upravil a nadále upravuje prostředí výzkumného institutu CEITEC. „Vyšetření magnetickou rezonancí bude pro děti motivované cestou do vesmíru. U MR skeneru tedy už máme velkou raketu, na stěnách obrázky planet a malých astronautů. Děti si také budou moct obléct do skafandru plyšového medvídka, kterého si pak sami zkusí vyvézt na lehátku do skeneru, než do něj půjdou sami. Během MR vyšetření samotného jim pak budeme na obrazovku pouštět kreslenou pohádku a po vyšetření na ně bude čekat odměna,“ vysvětluje řešitelka projektu JUNIOR STAR a dodává, že prvním pilotním účastníkem studie byla její sedmiletá dcera, která byla z vyšetření nadšená.

 


Hlavní řešitelka projektu Klára Marečková, Ph.D., M.Sc.
Hlavní řešitelka projektu Klára Marečková, Ph.D., M.Sc.

 

JUNIOR STAR

Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a absolvovali významnou zahraniční stáž. Díky pětiletému projektu s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno 17 z celkových 175 návrhů projektů.

 

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

Světlo a organické látky jako motor pro chemické reakce

Chemik Radek Cibulka z Vysoké školy chemicko-technologické se snaží položit základy nových metod pro fotochemické redukce, díky kterým bychom v budoucnu mohli v některých chemických syntézách nahradit toxické nebo drahé kovy. V loňském roce za svůj projekt získal čestné uznání předsedy Grantové agentury České republiky.

 V syntetických chemických reakcích, které nám umožňují připravit řadu užitečných látek, například léčiv, barviv nebo organických materiálů, se uplatňují rozličná činidla a katalyzátory. Ty jsou často vysoce účinné a selektivní, ale mohou být problematické z hlediska životního prostředí z důvodu jejich toxicity a nebezpečnosti, nebo jsou velmi drahé a s omezenou dostupností.

Výzkum Radka Cibulky nás přiblížil k možnosti provádět redukce v organické syntéze ekologičtější cestou pomocí světla a jednoduchých organických látek, které se běžně vyskytují v buňkách živých organismů, a které nazýváme flaviny. Flaviny jsou obsažené ve více než tisícovce enzymů, kde zastávají řadu funkcí, zejména při přenosu elektronů. Nejznámější z flavinů je vitamín B2, riboflavin, který si řada organismů vyrábí. Člověk tuto schopnost nemá, a proto jej musí přijímat v potravě.

Světlo jako zdroj energie

Doménou Radka Cibulky je fotoredoxní katalýza, tedy oblast chemie, která využívá světlo a katalyzátory k pohánění chemických reakcí. Princip fungování takových reakcí není složitý: když na molekulu katalyzátoru posvítíme viditelným světlem, tak jej pohltí a dostane se do vyššího energetického stavu, ve kterém je reaktivnější než ve stavu základním, a ochotněji tak reaguje s okolními látkami.

Fotoredoxní katalyzátory mohou výchozí chemické látky buď oxidovat, nebo redukovat. Známe řadu silných fotochemických oxidačních činidel, ovšem skutečně silné fotoredukční činidlo nám bylo ještě donedávna neznámé. „V době, kdy jsme žádali o grant, už byly známé redukční systémy fungující na bázi organických molekul a světla, ale rozhodně nebyly dostatečně silné. Naším cílem bylo najít katalyzátor, který by umožňoval redukce chemicky těžko opracovatelných systémů, jako jsou například elektronově bohaté halogenbenzeny,“ vysvětluje Radek Cibulka hlavní smysl jeho výzkumu. „V průběhu řešení projektu se začaly objevovat zahraniční práce na podobné téma, které nám potvrdily, že jde o důležitý a atraktivní směr výzkumu a konkurenční prostředí.“

Flavin jako klíč

Vhodné organické redukční činidlo začal Radek Cibulka hledat mezi flaviny. „Vycházeli jsme z toho, že flaviny vystupují v přírodě jako oxidační i redukční činidla, a navíc jsou schopná absorbovat viditelné záření. Chemici je běžně využívají v oxidačních reakcích, ale my jsme měli na základě předchozích výzkumů signály, že by mohly mít daleko větší uplatnění při redukcích,“ popisuje jeden z důležitých momentů.

Prvním krokem k úspěchu výzkumu Radka Cibulky a jeho kolegů bylo nalezení vhodného derivátu flavinů. Kromě svých zkušeností a popisu vlastností jednotlivých derivátů využíval také kvantově chemické výpočty. „Odhalit správný derivát byl asi nejtěžší krok celého projektu. Nejprve jsme zkoušeli využít analoga vitamínu B2, ale s výsledky jsme nebyli spokojeni, a proto jsme se uchýlili k jinému derivátu, deazaflavinu.“ Ten se vyskytuje ve fotosběrných systémech některých enzymů, a jeho redoxní potenciál je daleko zápornější, což indikuje, že je vhodnější pro redukce. „Jakmile jsme to zjistili, tak se projekt rozběhl na plné obrátky,“ popisuje Radek Cibulka.

V další fázi bylo nutné katalyzátory syntetizovat a otestovat na modelových reakcích. „První pokusy neměly příliš vysoké výtěžky, ale jak já říkám, když je výtěžek 10 %, tak proč by nemohl být 90 %,“ přibližuje Radek Cibulka své odhodlání. Zvýšit výtěžek se chemikům podařilo díky vhodné úpravě struktury deazaflavinových katalyzátorů, optimalizaci rozpouštědel a také množství aditiv přidávaných do reakční směsi. Nalezenou metodiku pro redukce pak ve skupině Cibulky vyzkoušeli na širokém spektru substrátů, aby zjistili její případná omezení.

Zásadní a velmi náročnou částí projektu bylo prokázání reakčního mechanismu, který musel Radek Cibulka a jeho kolegové znát, aby mohli metodu dále rozvíjet. Bylo potřeba ukázat, které zásadní meziprodukty se v reakční směsi vyskytují. „Ve fotoredoxní katalýze to často bývají radikály a molekuly v excitovaném stavu, což jsou částice žijící jen velmi krátkou dobu. Jejich prokázání tedy není jednoduché a výzkum je časově náročný,“ vysvětluje Cibulka. Mechanismus reakce řešil ve spolupráci s kolegy z Univerzity v Regensburgu a jeho znalost navíc pomohla výsledky opublikovat v prestižním odborném časopise.

Před tím, než budeme moci flaviny při redukcích běžně využívat, třeba v průmyslovém měřítku, čeká chemiky ještě dlouhá cesta. „Zatím se pohybujeme v oblasti základního výzkumu a širší využití bude vyžadovat další zkoumání. Budeme muset například vyřešit otázku stability flavinů, protože většina z nich je mimo enzym relativně nestabilní. Když je porovnáme s tradičními kovovými redukčními katalyzátory, tak zjistíme, že vydrží jenom omezený počet katalytických cyklů,“ uzavírá svůj výzkumný příběh chemik Cibulka.

Díky grantové podpoře se mohlo do výzkumu Radka Cibulky zapojit několik magisterských i doktorských studentů, vznikla knižní publikace a také několik kvalitních odborných článků, včetně dvou velmi prestižních publikací v časopisech Nature a Nature Communications.


prof. Ing. Radek Cibulka, Ph.D.
prof. Ing. Radek Cibulka, Ph.D.

O výzkumu Radka Cibulky můžete zhlédnout video, které bylo natočeno Nadací Experientia při příležitosti udělení Ceny Rudolfa Lukeše Českou chemickou společností za články z oblasti flavinové katalýzy.

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

Vědci popsali nový mechanismus syntézy hlavního „protistresového“ proteinu

Při nedostatku kyslíku nebo živin buňky podléhají stresu. Osud stresované buňky z velké míry řídí protein ATF4. Ten zajišťuje, aby se buňky ze stresu rychle vzpamatovaly a nestaly se pro své okolí nebezpečné – například nekontrolovaným dělením a vznikem nádorových onemocnění. Vědci z Mikrobiologického ústavu AV ČR teď za podpory Grantové agentury České republiky (GA  ČR) významně rozšířili popis již víc než dvacet let ustanoveného molekulárního mechanismu, kterým buňka hlavní „protistresový“ protein vytváří, a popsali novou, mnohem složitější cestu k jeho tvorbě. Výsledky, které publikoval časopis Cell Reports, jsou klíčové pro pochopení, jak naše těla reagují na stres. Mohou tak v budoucnu napomoci výzkumu léčebných terapií proti řadě onemocnění.  

Buňka, stejně jako lidské tělo, podléhá v nepříznivých podmínkách stresu. Protein ATF4 je důležitým nástrojem, jenž slouží k tomu, aby se buňka dokázala se stresem vyrovnat. „Protistresovým“ proteinem a mechanismem jeho produkce se deset let zabývala Laboratoř genové exprese v Mikrobiologickém ústavu AV ČR. Vědci do detailu popsali molekulární mechanismus, kterým buňka protein tvoří, a to pouze v okamžiku, kdy se ocitne ve stresové situaci.

Zatímco během stresové situace se syntéza velké většiny proteinů v buňce prakticky zastaví, syntéza ATF4 se naopak „rozjede“ na plno. Děje se tak díky speciálním regulačním prvkům, které se nacházejí na začátku mRNA, jež tento protein kóduje,“ vysvětluje vedoucí laboratoře Leoš Shivaya Valášek z Mikrobiologického ústavu AV ČR.

Protein, který řídí osud stresovaných buněk

Buňky si jako reakci na stresové situace vyvinuly různé mechanismy. Příkladem jsou signální dráhy, které po aktivaci cíleně ovlivňují a mění chování buňky.

Právě ATF4 protein je klíčovým průsečíkem několika takových signálních drah, který udává, co se stane se stresovanou buňkou hned v několika ohledech.

Tento protein umožní buňce v okamžiku úplně přeprogramovat její činnost, aby všeho nechala a veškerou energii soustředila na vyrovnání se s daným stresem. Pokud se jí to v přesně daném časovém okamžiku nepodaří, ATF4 spustí tzv. programovanou buněčnou smrt, aby se takto stresovaná buňka nestala pro své okolí nebezpečnou – např. zhoubnou, tedy nekontrolovaně se dělící,“ vysvětluje Anna Smirnová z Mikrobiologického ústavu AV ČR.

Nově popsaný mechanismus významně rozšiřuje předchozí teorii

Mechanismus, jakým buňka ve stresových situacích ATF4 syntetizuje, popsaly ve dvou prestižních publikacích už v roce 2004 hned dvě vědecké skupiny – skupina Dr. Ronalda Weka v Indiana University School of Medicine a skupina Dr. Davida Rona v University of Cambridge.

„Dlouho se pak mělo za to, že tato mnoho let trvající záhada byla jednou pro vždy vyřešena. Časem se ale začaly hromadit výsledky jiných studií, které naznačovaly, že molekulární mechanismus regulace syntézy tohoto důležitého bojovníka proti stresu je mnohem složitější, než se původně zdálo,“ říká Leoš Shivaya Valášek.

Na základě těchto studií začali vědci v Mikrobiologickém ústavu AV ČR jejich desetiletý výzkumný projekt. „Shodou okolností den poté, co byl tento článek přijat, přednášel člen Britské královské společnosti David Ron v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR jako zvaný řečník. Sešel jsem se s ním a čerstvě přijatý manuskript mu předal s věnováním a přáním, aby mu cesta zpět domů s tímto manuskriptem v ruce rychle utekla,“ dodává badatel.

Přizpůsobení budoucích terapií 

Objev je důležitý při zkoumání nových léčebných terapií. „Vzhledem k tomu, že deregulovaná syntéza ATF4 provází různé patologické stavy, včetně nádorových onemocnění, naše práce jasně ukazuje, že při zvažování vhodných terapií, které cílí na ATF4, je třeba brát na zřetel komplexnost kontroly syntézy tohoto klíčového regulátoru života či smrti stresovaných buněk,“ doplňuje.

 

Zdroj: AV ČR

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

Rostliny jako laboratoř pro studium oprav DNA

Rostlinná bioložka Martina Dvořáčková ze Středoevropského výzkumného institutu CEITEC studuje opravy DNA. Na mutovaných rostlinách se snaží popsat molekulárně-biologické mechanizmy, které se podílejí na nápravě poškozených úseků. V loňském roce za svůj projekt získala čestné uznání předsedy Grantové agentury České republiky (GA ČR).

Aby buňky ve svém nitru udržely pořádek, tak využívají různá „úložná řešení“. Jedním z nich jsou organizační proteiny zvané histony, kolem kterých je navinuta DNA. Takto omotaná nukleová kyselina je ještě složená do struktury, které říkáme chromatin. Dojde-li v buněčném jádře k poškození DNA, tak se chromatin reorganizuje a díky jeho rozvolnění se mohou opravné proteiny dostat až do těsné blízkosti poškozeného místa a DNA co nejlépe opravit. Doposud ovšem nemáme jasnou představu o tom, jakým přesným způsobem v rostlinných buňkách k nápravě DNA dochází.

Cílem projektu Martiny Dvořáčkové bylo studovat chování chromatinu a opravných proteinů právě v místě poškození DNA. Pro svůj výzkum využívala klasický rostlinný modelový organismus huseníček rolní (Arabidopsis thaliana). Rostliny ovšem měly v buňkách nefunkční organizační proteiny, které vyřadila z provozu díky mutaci v genech pro histonový chaperon, který zodpovídá za jejich správné prostorové složení. „U buněk s chybnou funkcí histonových chaperonů dochází ke komplikacím například při dělení, protože v rostlinné DNA může díky nesprávnému uložení vznikat vice zlomů, což vede k nastartování opravných buněčných mechanismů,“ vysvětluje vědkyně.

Není mutant jako mutant

Špatnou organizací, a tedy i větší náchylností DNA k poškození, byly nejvíce zasažené specifické oblasti v genomu, kterým říkáme repetice. Jejich důležitou funkcí je například ochrana buněk před účinky různých chemikálií, na které byly mutované rostliny velmi citlivé. Ztrátu repetic u mutovaných rostlin pozorovala Martina Dvořáčková zejména v oblasti telomer, které se nachází na koncích chromozomů, a jejichž hlavní funkcí je jejich ochrana. Ke změnám docházelo také v oblastech repetic, které se nachází pod telomerami, a obsahují geny pro důležité proteiny označované jako ribozomy, které jsou zásadní pro správné fungovaní buněk, protože zajišťují veškerou syntézu proteinů. „Studovali jsme mutaci v histonovém chaperonu, která je unikátní v tom, že má velký dopad na strukturu chromozomu. Ovlivňuje délku telomer, která se zkrátila téměř na polovinu a rostliny přišly o 90 % ribozomálních genů, což nás velmi překvapilo,“ popisuje Dvořáčková veliký rozsah změn, které mutace způsobila.

Martina Dvořáčková ve svém výzkumu studovala dva různé mutanty. Oba měli poškozený gen pro histonový chaperon, ovšem jeden z nich na více místech v genomu. „Mutantní rostliny se připravují křížením a jejich příprava je časově velmi náročná. Jen vlastní příprava rostlinných mutantů nám zabrala asi rok a půl,“ přibližuje vědkyně náročný rozjezd projektu. 

Čím víc mutací, tím odolnější rostliny

Výzkumnicí rostliny kvůli tomu, aby mohli studovat opravné mechanizmy, vystavili působení látky camptothecin, která poškozuje DNA a její účinek se kromě molekulárních změn projevil také na vzhledu rostlin. Huseníčky rostly na agarovém mediu, ze kterého získávaly prostřednictvím kořenů nízkomolekulární látky včetně camptothecinu. Vliv látky na růst rostlin pak probíhal nejen jednoduchým měřením různých parametrů, například délky kořene nebo množství biomasy v podobě suché hmotnosti rostliny, ale vědci využívali také složitějších molekulárně-biologických metod, díky kterým mohli zjistit například podíl poškozených buněk v kořínku.

Odpověď obou mutantů na působení škodlivé chemické látky byla velmi různá. U rostliny se zdvojenou chaperonovou mutací se totiž působení camptothecinu překvapivě neprojevilo na jejich vzhledu. „To pro nás bylo jedno z největších překvapení celého projetu,“ popisuje Martina Dvoříčková. „Znamená to, že se v necitlivých rostlinách chromatin lépe sestavil, což se odrazilo na přirozenějším vzhledu rostliny. Našli jsme molekulární dráhu, která ovlivňuje vzhled rostliny a přidanou mutací jsme ji dokázali potlačit.“

Na toto zjištění navázal výzkumný tým Martiny Dvořáčkové tím, že studoval, jak se v buňkách rostlin s jednoduchou mutací, které byly citlivé na působení camptothecinu, indukují opravné mechanizmy. Když je rostlina vystavena působení škodlivé látky, tak se ve zvýšené míře začnou přepisovat do RNA ty úseky DNA, které kódují opravné proteiny. A právě zvýšená hladina této RNA nám může napovědět, kdy a jak se tyto opravné mechanizmy v buňce aktivují. „Identifikovali jsme dva typy histonových chaperonů, které jsou klíčovou součástí drah, které zodpovídají za poškození rostlin. Zjistili jsme, že hladina RNA genů, které zajišťují opravy DNA, je vyšší u citlivých mutovaných rostlin a u necitlivých rostlin byla podobá jako u rostlin bez mutace,“ shrnuje vědkyně hlavní závěry výzkumného projektu.

 Vývoj nových postupů je také důležitý

Molekulárně-biologických nástrojů, díky kterým můžeme studovat DNA v místě zlomu není mnoho, takže součástí projektu byl také vývoj nových postupů. Martina Dvořáčková a její tým poprvé v rostlinných buňkách použili metodu laserové iradiace, díky které v mikroskopu pomocí laseru a UV záření poškodili DNA v malé vybrané oblasti buněčného jádra. Proteiny, které se účastnili následných oprav, byly potom přitahovány do poškozeného místa a díky tomu mohli vědci studovat jejich dynamiku.

Jaké má vědkyně další plány do budoucna? „Budu se dále věnovat studiu oprav DNA v rostlinných buňkách. Společně s kolegy se snažíme pochopit vzájemné interakce reparačních proteinů, studujeme také další histonové chaperony a proteinové komplexy a to, jak se zapojují do udržování repetic DNA a jejích oprav,“ shrnuje Martina Dvořáčková své další vědecké plány.

Martina Dvořáčková (druhá zprava) a její výzkumný tým
Martina Dvořáčková (druhá zprava) a její výzkumný tým

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

Vědci experimentálně potvrdili altermagnetismus

Mezinárodní tým vědců boří v článku publikovaném v časopise Nature tradiční představu o dělení magnetismu na dvě větve – několik tisíciletí známou feromagnetickou a antiferomagnetickou, objevenou přibližně před sto lety. Výzkumníkům se nyní podařilo experimentálně prokázat třetí altermagnetickou větev teoreticky předpovězenou vědci z Prahy a Mohuče před několika lety. Výzkum probíhal za finanční podpory Grantové agentury České repuliky.

Pod pojmem magnet si obvykle představíme feromagnet, který má silné magnetické pole, díky němuž udrží nákupní seznam na lednici nebo umožní funkci elektromotoru v elektrickém automobilu. Magnetické pole feromagnetu vzniká, když je magnetické pole milionů jeho atomů sladěno ve stejném směru. Toto magnetické pole lze také využít k modulaci elektrického proudu v součástkách IT.

Omezení dosud známých magnetických větví pro IT

Feromagnetické pole zároveň ale představuje vážné omezení prostorové a časové škálovatelnosti součástek. Významná pozornost výzkumu posledních let se tak upjala k druhé, antiferomagnetické větvi. Antiferomagnety jsou méně známé, ale v přírodě mnohem běžnější materiály, ve kterých se směry atomových magnetických polí na sousedních atomech střídají podobně jako bílá a černá barva na šachovnici. Antiferomagnety tedy jako celek nevytvářejí nežádoucí magnetická pole, ale bohužel jsou natolik antimagnetické, že zatím nenašly uplatnění v IT.

Altermagnety kombinují „neslučitelné“ přednosti

„Nedávno předpovězené altermagnety kombinují přednosti feromagnetů a antiferomagnetů, které byly považovány za principiálně neslučitelné, a navíc mají také další jedinečné přednosti, jež se v ostatních větvích nevyskytují,” říká Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR.

Altermagnety si můžeme představit jako magnetické uspořádání, kde se střídají nejen směry magnetických polí na sousedních atomech, ale také se střídá prostorová orientace atomů v krystalu. Nicméně vnitřní magnetická pole modulují elektrický proud obdobně jako u feromagnetů. Tato kombinace vlastností je potenciálně velmi atraktivní právě pro aplikace v budoucí ultraškálovatelné nanoelektronice.

Vědci navíc identifikovali více než 200 materiálových kandidátů na altermagnetismus s vlastnostmi pokrývajícími izolanty, polovodiče, kovy, a dokonce supravodiče. Výzkumné skupiny mnohé z těchto materiálů v minulosti zkoumaly, ale jejich altermagnetická povaha jim zůstala ukryta.

Teoretici předpověděli altermagnetickou větev před pěti roky

Od roku 2019 zveřejnil tým z Fyzikálního ústavu AV ČR v Praze a Gutenbergovy univerzity v Mohuči sérii článků, v nichž teoreticky identifikoval nekonvenční magnetické materiály. V roce 2021 teoretici předpověděli, že tyto materiály tvoří třetí fundamentální typ magnetu, které označili jako altermagnety. Jejich krystalová a magnetická struktura je zcela odlišná od konvenčních feromagnetů a antiferomagnetů (slovy fyziků altermagnety mají zcela jiné symetrie než feromagnety nebo antiferomagnety).

Vzhledem k tomu, že altermagnetismus otevírá široké a nebývalé možnosti výzkumu a využití, téměř okamžitě po teoretické předpovědi přišla vlna následných studií výzkumných skupin z celého světa. Pak už bylo jen otázkou času, kdy se podaří přinést první přímé experimentální důkazy.

Důkazy na „klasickém“ antiferomagnetu

Mezinárodní tým nyní takové důkazy přináší ve studii publikované v časopise Nature. Vědci prozkoumali krystaly jednoduchého dvouprvkového altermagnetického kandidáta – teluridu manganatého (MnTe). Tradičně byl tento materiál považován za jeden z klasických antiferomagnetů, protože magnetická pole na sousedních atomech manganu míří opačně, a tak kolem materiálu nevytvářejí vnější magnetické pole.

V časopisu Nature nyní vědci ale poprvé přímo prokázali altermagnetismus v MnTe. Vědci využili teoretických předpovědí, aby mohli navigovat, jakým směrem si mají ve fotoemisním experimentu „posvítit“ na vysoce kvalitní krystaly MnTe.

Tým na synchrotronu naměřil pásové struktury (mapy, které fyzici používají k popisu vlastnosti elektronů v krystalech), s jejichž pomocí byl schopen dokázat, že navzdory absenci vnějšího magnetického pole jsou elektronické stavy v MnTe silně spinově rozštěpené. Škála a tvar spinového štěpení přesně odpovídá předpovězenému altermagnetickému štěpení pomocí kvantově mechanických výpočtů. To je přímý důkaz, že MnTe není ani konvenční antiferomagnet, ani konvenční feromagnet, ale patří do nové, altermagnetické větve magnetických materiálů.

Studie využila expertizu vědců Fyzikálního ústavu AV ČR ve spolupráci s vědci ze Západočeské univerzity v Plzni, Univerzity Karlovy, Institutu Paula Scherrera ve Švýcarsku, Gutenbergovy univerzity v Mohuči v Německu, Univerzity Johannese Keplera v Linci v Rakousku a Univerzity v Nottinghamu ve Velké Británii.

Nové směry světového výzkumu

„Po prvních předpovědích a s rychle rostoucím celosvětovým zájmem o altermagnetismus a vzhledem k tomu, že mnoho teoreticky identifikovaných kandidátů na materiály bylo dobře známých a široce dostupných, jsme věděli, že je jen otázkou času, kdy budou provedeny první přímé experimentální důkazy. Jsme rádi, že jsme mohli být součástí i koordinátorem této úvodní práce, kterou jsme uskutečnili společně s kolegy z českých, švýcarských, rakouských, německých a britských laboratoří,“ říká Tomáš Jungwirth z Fyzikálního ústavu AV ČR a dodává: „Objev altermagnetismu nastartoval nové směry světového výzkumu v oblasti nových fyzikálních a materiálových principů vysoce škálovatelných a energeticky úsporných IT součástek.“ Objev altermagnetismu v MnTe je tedy teprve začátek nového směru v magnetismu.

 

Úvodní foto: V altermagnetech na sousedních magnetických atomech alternují nejen směry spinové polarizace (znázorněné fialovou a modrou barvou), ale také samotné tvary atomu (znázorněné nakloněním čínkovitě tvarovaných elektronových hustot do dvou různých směrů). Modrý paprsek znázorňuje fotoemisní experiment na synchrotronu, který byl použití k prokázání altermagnetismu. Kredit: Libor Šmejkal, Anna Birk Hellenes

Zdroj: Akademie věd České republiky

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

První lidé přišli do Evropy před 1,4 milionem let

Nejstarší známé lidské osídlení v Evropě leží nedaleko města Korolevo na západě Ukrajiny. Prokázal to výzkum mezinárodního týmu pod vedením Romana Garby z Ústavu jaderné fyziky AV ČR a Archeologického ústavu AV ČR, Praha. Dosud se za nejdříve obydlené místo považovalo naleziště ve Španělsku. Výstupy, které publikoval časopis Naturetaké dokládají, že první lidé využili teplých meziledových cyklů a kolonizovali Evropu z východu nebo jihovýchodu na západ. Přesné datování vzorků z Koroleva umožnily nedávné pokroky v matematickém modelování v kombinaci s aplikovanou jadernou fyzikou.

Výsledky čtyřletého výzkumu, na němž spolupracovali vědci a vědkyně z pěti zemí a více než 10 výzkumných institucí z celého světa včetně Austrálie, patří k těm, které přepisují učebnice. Dosavadní výzkumy totiž datovaly první osídlení evropského kontinentu lidmi o 200 až 300 tisíc let později, a to z nálezů ve španělské Atapuerce.

Osídlení v Korolevu v dnešní zakarpatské Ukrajině, nedaleko hranic Ukrajiny s Rumunskem a Maďarskem, je také zajímavé tím, že se jedná patrně o nejsevernější zatím známý výskyt druhu člověka vzpřímeného (Homo erectus) na světě. Lokalita Korolevo obsahuje pouze kamenné nástroje, ale díky zjištěnému stáří se předpokládá, že zde mohl pobývat právě druh Homo erectus.

Chybějící kamínek: cesta podél Dunaje

Studie mění pohled na migrační trasy „prvních Evropanů“ a doplňuje chybějící kamínek v mozaice poznání historie osídlování Evropy.

„Náš nejstarší předchůdce, člověk vzpřímený (Homo erectus), jako první opustil Afriku před přibližně dvěma miliony let a vydal se na Blízký východ, do Asie a Evropy. Radiometrické datování prvního osídlení v lokalitě Korolevo zaplňuje nejenom velkou prostorovou mezeru mezi Gruzií a Španělskem s doposud nejstaršími nálezy, ale také potvrzuje hypotézu, že lidé z první vlny osídlení Evropy pronikli z východu nebo jihovýchodu na západ,“ shrnuje závěry hlavní autor studie Roman Garba z Ústavu jaderné fyziky AV ČR a Archeologického ústavu AV ČR, Praha.

„Na základě vypočteného stáří, klimatického modelu a pylových dat z terénu jsme identifikovali tři možná teplá meziledová období, ve kterých mohli první lidé přijít koridorem podél Dunaje,“ doplňuje.

Pravěké centrum Evropy

Archeologická lokalita Korolevo je významná v celoevropském měřítku. „Víme, že vrstva naváté spraše a paleopůd zde dosahuje hloubky až 14 metrů a obsahuje tisíce kamenných nástrojů. Korolevo bylo významným zdrojem suroviny pro jejich výrobu,“ uvádí ukrajinský archeolog a spoluautor studie Vitalii Usyk, který se na vykopávkách v Korolevu podílel a nyní pracuje v Archeologickém ústavu AV ČR, Brno. „Na konkrétním zkoumaném místě je zastoupeno sedm časových úseků osídlení, ačkoliv na lokalitě je zaznamenáno nejméně devět různých paleolitických kultur: lidé zde žili od nejstaršího věku až do doby před 30 tisíci lety,“ dodává vědec.

Objev upozorňuje na důležitost propojení různých vědních oborů pro poznávání minulosti. Bez znalostí a technologických možností jaderné fyziky a geofyzikálních věd by archeologové své hypotézy nedokázali přesvědčivě potvrdit.

Kosmické paprsky a jaderná fyzika ve službách archeologie

Vzorky kamenných valounů z nejstarší vykopané vrstvy z naleziště Korolevo byly nejprve chemicky zpracovány a měřeny vědci z České republiky a Německa ve výzkumném ústavu Helmholtzova centra metodou urychlovačové hmotnostní spektrometrie. V roce 2022 obdobnou laboratoř uvedl do provozu též Ústav jaderné fyziky AV ČR v Řeži, a proto je nyní možné podobné měření realizovat v České republice.

Datování pomocí kosmogenních nuklidů je schopné určit stáří až pět milionů let z velmi malého množství atomů ve zkoumaných materiálech.

„Konkrétně jsme měřili koncentrace kosmogenních nuklidů beryllia-10 a hliníku-26 s různým poločasem přeměny, postupně 1,39 milionu let a 708 tisíc let.“

„Před překrytím kamenů vrstvami spraše a paleopůd vznikly uvedené radionuklidy jadernými tříštivými reakcemi v horninách účinkem sekundárního kosmického záření, které se tvoří v atmosféře působením primárního kosmického záření z vesmíru. Jejich poměr se změnil podle toho, jak dlouho byly zkoumané kamenné valouny z Koroleva uloženy pod povrchem,“ vysvětluje Roman Garba, který je archeolog a zároveň se zabývá metodami aplikované jaderné fyziky.

Unikátní datovací metody poprvé v archeologické praxi

Určení stáří sedimentů obsahujících kamenné nástroje řešili hlavně John Jansen z Geofyzikálního ústavu AV ČR a Mads Knudsen z univerzity v dánském Aarhusu.

K výpočtu stáří z naměřených koncentrací kosmogenního beryllia-10 a hliníku-26 jsme použili dva vzájemně se doplňující datovací přístupy. Nejpřesnější výsledky přinesla naše vlastní metoda založená na matematickém modelování, známá jako P-PINI. Tento projekt byl jejím prvním využitím v archeologickém kontextu,“ říká John Jansen a dodává:

„Náš nový přístup k datování by měl mít na archeologii velký dopad, protože ho lze využít v nesouvislých sledech sedimentů, ve kterých je hodně časových mezer způsobených erozí. V archeologii většinou pracujeme právě s nesouvislým časovým záznamem, zatímco tradiční datovací metody, jako magnetostratigrafie, spoléhají na delší, víceméně souvislý vrstevní sled.”

Součást Československa

Objev je spojen též s nedávnou historií České republiky. Archeologická lokalita Korolevo se nachází asi 150 km vzdušnou čarou od slovenských Košic. V letech 1920 až 1938 byla součástí bývalého Československa a místo neslo název Královo nad Tisou. První objevy osídlení ze starší doby kamenné na zakarpatské Ukrajině uskutečnil československý archeolog Jozef Skutil.

Výzkum byl realizován na základě smlouvy mezi Ústavem jaderné fyziky AV ČR a Archeologickým ústavem Národní akademie věd Ukrajiny podepsané v roce 2021. Projekt podpořily Evropská komise (Horizon 2020, RADIATE, 824096), Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR (MŠMT) (CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000728 a LM2018120), Grantová agentura České republiky (22-13190S) a Grantová agentura Univerzity Karlovy (310222).

Z českých výzkumných institucí se kromě Ústavu jaderné fyziky AV ČR, Geofyzikálního ústavu AV ČR a Archeologických ústavů AV ČR v Brně a v Praze zapojily katedra fyzické geografie a geoekologie Přírodovědecké fakulty UK a Česká geologická služba. Ze zahraničních institucí je nutné uvést Institute of Archaeology, National Academy of Sciences of Ukraine (Kyjev, Ukrajina), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (Německo), Aarhus University (Dánsko), Department of Archaeology and History, La Trobe University (Melbourne, Austrálie), Taras Shevchenko National University of Kyiv (Kyjev, Ukrajina).

Celý objev a jeho kontext je srozumitelně zpracován v novém dílu YouTubového pořadu Zvěd.

 

Úvodní foto: Mapa, kudy mohli přijít první lidé do Evropy s významnými radiometricky datovanými lokalitami ve Španělsku, Francii, Turecku, Gruzii a na Blízkém východě. Zdroj: Roman Garba. Mapový podklad na základě dat GEBCO

Zdroj: Akademie věd ČR

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

Hvězdy se závojem: desetiletí nevyřešená záhada

Hvězdy se závojem představují jednu z dosud nevyřešených záhad hvězdné astrofyziky. Ve svém výzkumu se jimi celý život zabývá astrofyzik Petr Harmanec z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, který vedl projekt podpořený Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) zaměřený na zkoumání jejich jasnosti.

Když za temné noci zvednete hlavu k obloze, tak o každé páté horké hvězdě můžete říci, že má závoj, tedy že je čas od času obklopená plynovým oblakem, jehož rozměr může být mnohonásobně větší než velikost samotné hvězdy. „V 60. letech jsme si mysleli, že hvězd se závojem je asi 10 %, dnes už mluvíme o nejméně 20 %. Vzhledem k tomu, že naše pozorování pokrývají asi 200 let, je to stále velmi krátká doba a procento takových hvězd může do budoucna přibývat. Závoje se u hvězd objevují v nepravidelných časových intervalech, které trvají od několik měsíců až po desítky let,“ říká Petr Harmanec, hlavní řešitel výzkumného projektu.

Hvězdy se závojem jsou horké hvězdy tzv. spektrálního typu B, tedy objekty, v jejichž spektrech dominují čáry neutrálního vodíku a neutrálního helia s povrchovými teplotami zhruba od 10 tisíc do 30 tisíc stupňů Celsia. Jejich závoje představují plynový materiál, který se rozprostírá od povrchu hvězdy do vzdálenosti několika desítek nebo možná i stovek poloměrů samotné hvězdy.

I když byly první hvězdy se závojem objeveny v 1866 a poté je studovalo několik generací astronomů, skutečná příčina toho, proč se závoje objevují a opět mizí, nebyla dosud nalezena. „Je to stále existující hádanka. V této chvíli neexistuje shoda o tom, proč se závoje u jinak normálně vypadajících, akorát rychle rotujících hvězd, nepravidelně objevují a zanikají,“ vysvětluje astrofyzik. Postupně bylo navrženo několik možných mechanismů vzniku závojů, jejich hlavní problém ovšem je, že nevysvětlují velmi složitou a nepravidelnou proměnnost celého jevu.

Co tedy hvězdy se závojem jsou?

Roku 1975 přišli Petr Harmanec s kolegou Svatoplukem Křížem s hypotézou, že hvězdy se závojem jsou ve skutečnosti dvojhvězdy ve stádiu předávání hmoty. Celá myšlenka se postupně rodila od konce šedesátých let ve stelárním oddělení Astronomického ústavu AV v Ondřejově, pro který představuje pozorování hvězd se závojem a jejich jasnosti důležitý směr výzkumu. Pozorování hvězd se závojem se také stalo soustavným pozorovacím programem na původně československo-jugoslávské, a nyní chorvatské observatoři na Hvaru.

Vědeckému týmu se během mnoha let pozorování skutečně podařilo objevit několik dvojhvězd s očekávanými vlastnostmi. Záhy se ale ukázalo, že problémem této hypotézy coby obecného vysvětlení je statistický nedostatek dvojhvězd ve stadiu přenosu hmoty mezi složkami.

Hvarská fotometrie následně napomohla ke zjištění, že všechny hvězdy se závojem vykazují malé změny jasnosti souběžně se změnami v emisních spektrech. Waters a kol. (1989) a Pols a kol. (1991) proto přišli s alternativní myšlenkou, že hvězdy se závojem skutečně vznikly mohutným přenosem hmoty ve dvojhvězdě, který zvýšil jejich rotaci, ale že pozorované objekty jsou již ve stadiu po skončení přenosu a jejich sekundární složky jsou těžce detekovatelné, protože jde o kompaktní heliové hvězdy či bílé trpaslíky. S pokrokem v družicových pozorováních v dalekém ultrafialovém oboru spektra se skutečně postupně podařilo objevit několik desítek takových objektů. V současnosti se v mezinárodní vědecké komunitě považuje za nejnadějnější hypotézu vzniku hvězd se závojem to, že samy hvězdy z vnitřních důvodů oscilují, lokálně zvětšují a zmenšují svůj poloměr a když se zvětšování poloměru v důsledku několika různých takových oscilací sečte, dodá to materiálu na hvězdném povrchu energii potřebnou k vyvržení hmoty a přechodnému vytvoření závojů.

Dlouhé datové řady jako zdroj nových informací

Při pátrání po dalších vlastnostech hvězd se závojem se Petr Harmanec a jeho tým v rámci projektu podpořeného GA ČR zaměřili na analýzu padesátiletých datových řad, které naměřili na observatořích v Ondřejově, na Hvaru nebo získali od kolegů ze zahraničí.

Ukázali, že systematická pozorování nám o hvězdách se závojem mohou přinést mnoho nových informací. Při svých pozorováních vycházeli z předpokladu, že závoje se nenacházejí kolem celé hvězdy rovnoměrně, ale jsou zploštělé do roviny rovníku v discích, které jsou řádově větší než hvězda samotná.

Následkem toho mohou tyto hvězdy vykazovat dva různé typy chování. Vnitřní části závoje v blízkosti hvězdy jsou totiž opticky tlusté a simulují jakousi pseudofotosféru hvězdy. Když se na hvězdu se závojem díváme zhruba v rovině rovníku, tak se velká část závoje promítá do pozorovaného pole a elektromagnetické záření hvězdy se jeví jako by byla hvězda chladnější. Pokud bychom na základě tohoto spektrálního typu modelovali vlastnosti hvězdy, tak by se díky závoji jevila chladnější. A naopak, pokud hvězdu pozorujeme v rovině od pólů, tak si zachovává povrchovou teplotu, ale jeví se, jako by měla větší poloměr, čili že je to hvězdný obr.

Díky našim 50 až 70 let dlouhým časovým řadám jsme ukázali, že na některé hvězdy se stále díváme skoro od pólu a na jiné naopak od jejich rovníku, a to, co vidíme, je skutečně důsledek geometrického efektu. U jiných se charakter pozorování v průběhu času mění, což může znamenat, že je vidíme pod nějakým sklonem rotační osy kolem 45 stupňů a pokud obálka zmohutní, začne i tak hvězdu zakrývat a typ korelace se změní,“ vysvětluje jeden z hlavních závěrů projektu výzkumník.

Tým Petra Harmance také poukázal na jev, který pracovně nazvali čtvrtou časovou škálou. Jde o dlouhodobý pokles či zjasňování v obdobích, kdy je daná hvězda bez emisních čar. Varováním, že časové změny hvězd se závojem mohou být velmi komplikované, je studie hvězdy V1294 Aql = HD 184279, kterou výzkumníci pozorovali v mezinárodním týmu. Než vešlo ve všeobecnou známost, že hvězdy se závojem jsou všechny proměnné ve své jasnosti, byla v padesátých letech tato hvězda doporučena jako jeden z kalibračních standardů Johnsonovy UBV fotometrie. Díky tomu pro ni existují velmi početná měření již od padesátých let. Výzkumníci díky svým datům vypozorovali sekulární pokles jasnosti, přes který se překládají rychlejší cyklické změny a následné zjasňování v posledních letech. Kromě toho zaznamenali dva poměrně rychlé a hluboké poklesy jasnosti kolem redukovaných Julianských dat 44000 a 55900, které vykazují opět jiné, ale v obou případech vzájemně shodné chování v barevném diagramu.

„Jedno možné vysvětlení je, že obálku hvězdy vidíme pod nějakým středním úhlem kolem 45 stupňů a že se podle mohutnosti obálky geometrie zdánlivě mění. Příčina rychlých poklesů jasnosti ale není zřejmá,“ vysvětluje astrofyzik. Další dvě podrobné studie věnovali objevu podvojnosti hvězdy HD 81357 a detailní časové historii emisní dvojhvězdy V923 Aql.

Velmi významným a již nyní oceňovaným výsledkem výzkumného týmu bylo i modelování struktur okolo hvězdné hmoty ve dvojhvězdách a vícenásobných soustavách. Tuto část projektu ideově vedl spolupracovník a kolega Petra Harmance Miroslav Brož. Modelování bylo úspěšně aplikováno na jasnou dvojhvězdu beta Lyr (jednu z prvních objevených hvězd z emisními čarami) a poté i na komplikovanou a velmi hmotnou emisní čtyřhvězdu QZ Carinae.

Nechci být neskromný, ale v září 2022 jsme pořádali výroční konferenci na observatoři na Hvaru u příležitosti 50tiletého výročí observatoře, kam přijeli hvězdáři z celého světa. Bylo milé hovořit s nimi o našem mnohaletém úsilí a bylo příjemné si uvědomit, že ve svých vystoupeních oceňují naši téměř celoživotní práci. A to i ti, s kterými jsme celý život vedli odborné spory,“ uzavírá Petr Harmanec. „Pořád je zkrátka co objevovat, a to je na bádání to skvělé.“

 Tým Petra Harmance

Obr.: Delegace účastníků loňské zářijové konference na Hvaru (zleva: Alžběta Oplištilová, Michal Zummer, Jana Švrčková, Miroslav Brož, Petr Zasche a Petr Harmanec).

 

Úvodní obrázek: Hvězdné závoje představují plynový materiál, který se rozprostírá od povrchu hvězdy do vzdálenosti několika desítek nebo možná i stovek poloměrů samotné hvězdy.

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY

Biologická léčba jako naděje pro pacienty s poruchou sluchu

Gabriela Pavlínková z Biotechnologického ústavu AV ČR zkoumá molekulární mechanismy, které se podílejí na vývoji sluchového ústrojí. Jejich znalost v budoucnu může pomoci při biologické léčbě sluchových vad. V loňském roce za svůj výzkum získala čestné uznání předsedy Grantové agentury České republiky.

Sluch je jedním z pěti základních lidských smyslů, který nám umožňuje komunikaci a spojení s ostatními lidmi. Jeho ztráta s sebou přináší velkou izolaci a může vést i k těžkým psychickým problémům. Neslyšící se podstatně hůře orientují v aktuálním dění, nemohou vést konverzaci s okolím a postupně přichází o schopnost formulovat své myšlenky.

Počet lidí s poškozeným sluchem neustále roste a rizikovou skupinou již zdaleka nejsou jen senioři, ale například i mladí lidé, kteří jsou denně vystavováni vysoké hladině hluku v centru velkých měst. Řada dětí se také s poškozeným sluchem již narodí a jiní o jeho dobrou kvalitu přicházejí v průběhu života následkem úrazu, infekce nebo stáří.

Ztráta sluchu způsobená poškozením senzorických buněk nebo neuronů a je nevratná, protože tyto buňky nejsou schopné regenerace. Pomoc lidem se zhoršujícím se sluchem mohou v současnosti nabídnout technologie v podobě kochleárních implantátů nebo naslouchátek. V budoucnu by mohla také pomoci biologická léčba, konkrétně naprogramování kmenových buněk tak, aby například nahradily chybějící neurony a senzorické vláskové buňky. A právě studiem molekulárních mechanismů, které by k tomu mohly přispět, se ve svém výzkumu podpořeném Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) zabývala Gabriela Pavlínková z Biotechnologického ústavu Akademie věd České republiky.

Hlemýžď vnitřního ucha jako výborný model

Cílem výzkumu Gabriely Pavlínkové je pochopit, jak se v průběhu vývoje formuje sluchová dráha, která převádí sluchové informace z vláskových buněk v hlemýždi přes řetěz neuronů do sluchové kůry předního mozku. „Hlemýžď vnitřního ucha je výborný model pro studium, protože má jasnou strukturu, kterou tvoří několik řad vláskových buněk a na ně napojené neurony. Díky tomu můžeme pozorovat dopad faktorů, které vedou k narušení buněčné struktury hlemýždě,“ vysvětluje Gabriela Pavlínková. Poškození nebo ztráta senzorických vláskových buněk či neuronů během embryonálního vývoje ve vnitřním uchu v konečném důsledku vede k částečné nebo úplné ztrátě sluchu.

V rámci projektu se Pavlínková zabývala rolí proteinů NEUROD1 a ISL1 při vývoji sluchového systému vnitřního ucha a na něj napojených mozkových struktur. Úkolem těchto dvou proteinů je regulace genové exprese. Jako modelový organismus při svém výzkumu využívala myši. Embryím pomocí metod molekulární biologie zablokovala tvorbu proteinů NEUROD 1 a ISL1 v oblasti vnitřního ucha a pozorovala, jaké změny z hlediska vývoje sluchové dráhy nastanou.

Kromě detekce morfologických a molekulárních změn také měřila, jakým způsobem se akustický signál přenáší a zpracovává v centrální části mozku. „Moje skupina je zaměřená zejména na výzkum v oblasti molekulární genetiky, takže tato měření jsme prováděli ve spolupráci s týmem profesora Josefa Syky z Ústavu experimentální medicíny AV ČR, který je špičkový český neurofyziolog a zaměřuje se na studium fyziologie sluchu.“ Právě měření toho, jak změny v periferii ovlivňují vývoj celé centrální sluchové dráhy, byla pro výzkum naprosto zásadní a přinesla celou řadu důležitých informací.

 Výhodou myšího modelu je, že vnitřní ucho je strukturně i funkčně velmi podobné tomu lidskému a výsledky jsou tak snadno přenosné na člověka. „Na základě našeho výzkumu můžeme říct, že bez proteinu NEUROD1 se nemohou správně vyvíjet sluchové neurony. Pokud bychom tedy v budoucnu chtěli diferencovat neurony z kmenových buněk, tak víme, že tento protein musí být při vývoji buněk přítomen,“ popisuje Pavlínková možné praktické využití jejího výzkumu.

Výzkum zaměřený na protein ISL1 ukázal, že bez jeho přítomnosti neurony v uchu sice vznikají, ale jejich genetický program je úplně změněn a nejsou schopné se správně spojit s ostatními buňkami. „Nečekali jsme, že pokud vyřadíme protein ISL1, tak to bude mít tak veliké dopady. Je fascinující, že i navzdory tomuto dramatickému poškození, byla částečná funkčnost sluchu zachována. Plasticita vyvíjejících se neuronů během embryonálního vývoje je obrovská a v konečném důsledku vede k částečně úspěšné snaze vytvořit funkční sluchovou dráhu,“ shrnuje jedny z nejpřekvapivějších závěrů výzkumu Pavlínková. „Vědomí, že stejně velkou plasticitu musí vykazovat i buňky během embryonálního vývoje člověka, je dle mého názoru naprosto úžasné a šokující,“ dodává s nadějí, že by jednou mohly výsledky jejího výzkumu přispět k léčbě některých sluchových vad u konkrétních pacientů.

SOUVISEJÍCÍ ČLÁNKY