Ondřej Černý a jeho výzkumný tým v rámci svého projektu JUNIOR STAR zkoumají, jak se lidské tělo brání infekci bakteriemi Salmonella, ale také jak bakterie tuto obranu překonávají. Cílem výzkumu je rozluštit a lépe pochopit složité mechanismy, které Salmonella využívá k přežití v hostiteli, a navrhnout nové strategie pro jejich překonání. Projekt může poskytnout klíčové poznatky pro budoucí léčbu nejen nemocí vyvolaných salmonelou, ale i jinými bakteriemi.
Prvotní impuls
Řešitel projektu Ondřej Černý se začal zajímat o bakterie a onemocnění, kter způsobují, již na gymnáziu. „Tehdy mi byla předepsána antibiotika a já byl zklamaný, že se v příbalovém letáku nepíše nic o tom, jak fungují. Řekl jsem si, že se to musím někde dozvědět, a to mě přivedlo na Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy,“ vysvětluje svůj prvotní impuls zájmu o toto téma. V rámci studia na univerzitě se pak začal specializovat na mechanismy, pomocí kterých bakterie vyvolávají nemoci.
RNDr. Ondřej Černý, Ph.D., se svým týmem
Salmonella vs. T-lymfocyty
Hlavním předmětem podpořeného projektu je bakterie rodu Salmonella, konkrétně její schopnost přežít co nejdéle v hostiteli a vyvolat onemocnění. V rozvinutých zemích jsou salmonelové infekce známy jako průjmová onemocnění, která obvykle odezní během jednoho týdne a která se léčí pouze dietou. V rozvojových zemích však bakterie Salmonella mohou způsobit vážné onemocnění, a to břišní tyfus, který je bez adekvátní antibiotické léčby často i smrtelný.
Klíčovým hráčem v boji proti těmto salmonelovým infekcím jsou buňky imunitního systému známé jako T-lymfocyty. Tyto buňky začínají být aktivní přibližně jeden týden po infekci, což je doba, kdy průjmová forma salmonelózy obvykle končí. U břišního tyfu T-lymfocyty poskytují důležitý časový prostor pro diagnostiku a zahájení antibiotické léčby.
Mechanismy tlumení imunity
U bakterie Salmonella se vyvinuly mechanismy, kterými tato bakterie tlumí obranné reakce T-lymfocytů tak, aby byla schopna prodlužit svou přítomnost v hostiteli. „Zatím víme o třech různých způsobech, jak Salmonella ovlivňuje začátek reakce T-lymfocytů na infekci a jak nejspíše prodlužuje infekčnost pacienta.My se snažíme zjistit, jestli Salmonella používá ještě nějaký další mechanismus a jak by se dalo těmto mechanismům bakterie zabránit. Kromě toho ukazujeme, že Salmonella je schopná mezi těmito třemi známými mechanismy přepínat, což jí dává celou řadu výhod,“ vysvětluje doktor Černý.
Poznatky i pro jiné nemoci?
Projekt přinese lepší pochopení působení bakterií Salmonella na hostitele, ale i imunitního systému na bakterii. Výzkumný tým se vedle hlavního cíle projektu, kterým je pochopení dějů odehrávajících se v těle při infekci, snaží také vyvinout kmen bakterie Salmonella, který by byl využitelný pro očkování proti průjmovým onemocněním, obdobně jako je tomu při očkování proti břišnímu tyfu. „Takové očkování by u nás mělo význam hlavně ve farmových chovech, protože přímo mezi lidmi se u nás salmonela moc nešíří. V rozvojových zemích se ale i tyto kmeny v důsledku špatných hygienických podmínek šíří mezi lidmi a mohou způsobovat život ohrožující onemocnění,“ uvádí budoucí možné využití vakcín Ondřej Černý.
Výzkum bakterií Salmonella jakožto modelového organismu by mohl být mnohdy aplikovatelný i na jiné bakteriální původce nemocí. Přepínání různých mechanismů bakterie v reakci na T-lymfocyty, které vědecký tým v rámci svého projektu studuje, využívá například i jeden z největších bakteriálních strašáků lidstva Mycobacterium tuberculosis, původce moru Yersinia pestis nebo nyní aktuální původce černého kašle Bordetella pertusis. Získané poznatky by tak mohly v budoucnu posloužit i v boji proti těmto nemocím.
Výzkum působení bakterií Salmonella na hostitelské buňky. A. K experimentům se používají pouze „spokojené“ subjekty. B. Po vstupu do hostitelských buněk přežívá Salmonella uvnitř specializovaných váčků, odkud ovlivňuje hostitelskou buňku pomocí tzv. „efektorových“ proteinů. C. Na molekulární úrovni může dojít například ke změně exprese hostitelských proteinů. D. Jednotliví členové týmu pak pečlivě analyzují výsledky experimentů.
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.
Výsledky interdisciplinárního výzkumného týmu vedeného prof. Vladimírem Havlíčkem z Mikrobiologického ústavu AV ČR v Praze naznačují, jak bychom mohli pomocí látek v moči nemocných jedinců včasně a neinvazivně diagnostikovat bakteriální nebo houbové infekce. Výzkum probíhal ve spolupráci s laboratořemi z řady českých nemocnic a podpořila jej Grantová agentura České republiky (GA ČR).
Bakteriální a houbové infekce významně přispívají ke globální nemocnosti a úmrtnosti. Zatímco některé oblasti medicíny zaznamenaly pokles řady infekčních nemocí, jiné čelí jejich rostoucímu výskytu, zejména v souvislosti s krizemi nebo stoupající antibiotickou rezistencí mikroorganismů. Aby byl snížen dopad infekčních onemocnění na veřejné zdraví, je nutné zlepšit infrastrukturu zdravotní péče a vyvinout výzkumné úsilí, které povede k včasné a přesné diagnostice a následně i účinnější léčbě infekčních onemocnění.
Cesta za lepší diagnostikou
Interdisciplinární řešitelský tým z Mikrobiologického ústavu AV ČR v Praze pod vedením prof. Vladimíra Havlíčka ukázal nové neinvazivní možnosti diagnostiky již časných stadií bakteriálních a houbových infekcí, a to zkoumáním látek, které se nachází v moči nemocných jedinců. Poměrně rizikový i finančně náročný výzkumný projekt započal v době prvních vln pandemie COVID-19 a navazoval na předběžné výsledky ze zvířecích modelů, které vědci získali v letech 2019-2021.
V rámci tohoto pilotního výzkumu pracoval vědecký tým s potkany infikovanými směsí infekcí. Na potkanech byly experimentálně vyzkoušeny analytické metody, zvláště hmotnostní spektrometrie s iontovou cyklotronovou rezonancí a různé druhy mikroskopií. Projekt ukázal, že látky s podobnou chemickou strukturou, které patogeny syntetizují v konkrétních stádiích vlastního buněčného dělení, se z místa zánětu dostávají do krevní cirkulace a poté jsou hostitelem vyloučeny do moče.
Zjištění následně výzkumníci aplikovali na lidskou populaci. Na souborech kriticky nemocných pacientů chtěli ukázat, zda je možné neinvazivně, včasně a specificky diagnostikovat časná stadia nejčastějších infekčních onemocnění bakteriálního a houbového původu. „Ukázali jsme, že zejména houbové siderofory — látky, které houby vylučují do okolí, — mohou být účinně ‚čištěny‘ pacientovými ledvinami a následně vyloučeny do jeho moče. Položili jsme tak základ nové diagnostické oblasti, kterou jsme nazvali infekční metalomika,“ říká Vladimír Havlíček, vedoucí Laboratoře charakterizace molekulární struktury.
Klíčoví pomocníci patogenů
V případě počínající infekce se mezi infikovaným hostitelem a mikrobiálním patogenem rozpoutá boj o živiny. Přetahovaná probíhá především o železo, zinek nebo měď. V souboji vyhrává lépe vybavený soupeř, tedy ten s početnějším a účinnějším arzenálem molekulárních nástrojů, které zajišťují střádání těchto nezbytných živin. Právě siderofory nebo metalofory pomáhají organismům dostatečný přísun živin zajistit a jsou syntetizovány nejen mikroby (zvláště bakterie, mykobakterie a vláknité houby), ale vyrábí si je také rostliny, paraziti nebo savci.
Savčí hostitel se probíhající infekci brání sekrecí lipokalinů – bílkovin, které některé mikrobiální siderofory vážou. Evolučně vyšlechtěné patogenní mikroorganismy dokážou svoje siderofory chemicky modifikovat, zvětšit jejich molekulární průměr, avšak se zachováním schopností vázat kovy. Těmto látkám říkáme „stealth“ siderofory. Nejúspěšnější patogeny pak vysílají falešné cíle (mock targets) nebo používají jiné inteligentní strategie pro zlepšení vlastní obrany vůči imunitnímu systému hostitele.
Odběrová místa lidských tělních tekutin výzkumníci analyzovali pomocí techniky kapalinové chromatografie a iontové cyklotronové rezonance.
Uvedení do praxe českými nemocnicemi
Výzkumníci ověřili svou pilotní hypotézu, tedy že mikrobiální siderofory jsou velmi specifickými značkami infekčních onemocnění, které se do okolí uvolňují ve fázi intenzivního buněčného dělení patogenu. Na základě přítomnost sideroforů v infikovaném hostiteli lze rozlišit pouhou kolonizaci od invazivního průběhu infekce, což je přínos, který doposavad používané diagnostické přístupy neposkytují.
Při porovnání nové metody se standardními technikami (molekulární techniky založené na DNA sekvenování, serologické a mikroskopické metody, kultivace) spolupracovali výzkumníci s jednotkami intenzivní péče v nemocnicích v Ostravě, Olomouci, Praze, Krnově a Havířově. Výsledky základního výzkumu byly natolik průkazné, že Agentura pro zdravotnický výzkum ČR udělila řešitelskému kolektivu grant aplikovaného výzkumu, díky němuž vědci započali multicentrickou klinickou studii, která na větším souboru pacientů prokáže umístění nové technologie mezi ustálenými standardními metodami.
Dr. Paulo De Souza Paioti z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR vede prestižní projekt JUNIOR STAR, ve kterém zkoumá atropoizomery – molekuly s revolučním potenciálem pro vývoj léčiv. Se svým týmem vyvíjí inovativní metody syntézy, které umožní objevovat a vyrábět životně důležité léčivé látky udržitelnějším způsobem.
Přesnost molekulárních interakcí
Dr. Paiotiho, hlavního řešitele projektu, uchvátila chemie již během univerzitních studií, která mu otevřela vhled do spletitého pohybu molekul a jejich vlivu na vlastnosti látek. „Velká část krásy chemie pochází z pochopení toho, jak molekuly interagují na molekulární úrovni a jak to ovlivňuje vlastnosti, které lze skutečně vidět nebo nahmatat,“ vysvětluje počáteční impuls jeho celoživotní záliby v chemii Paulo Paioti. Obzvláště ho zaujal vinkristin, strukturálně komplexní organická molekula, která se po vstupu do lidského těla cíleně zaměřuje na likvidaci rakovinových buněk. Tento příklad ilustruje vysokou přesnost molekulárních interakcí.
Atropoizomery: klíč k udržitelnému vývoji léčiv?
Dr. Paioti a jeho tým se ve svém projektu JUNIOR STAR zaměřují na atropoizomery – třídu molekul s významným potenciálem farmaceutického využití. Přesněji řečeno, jejich cílem je vyvinout nové metody syntézy těchto molekul, které by byly environmentálně šetrnější. „Atropoizomery mají zásadní význam pro budoucnost vývoje léčiv. Naše práce si klade za cíl rozšířit repertoár dostupných sloučenin, což by mohlo vést k převratným způsobům léčby různých onemocnění,“ vysvětluje vědec.
Pokud bude projekt doktora Paiotiho úspěšný, mohl by mít zásadní dopad na zdraví i udržitelnost. „V dlouhodobém horizontu může projekt vést k novým léčivům, která mohou pomoci proti smrtelným chorobám, jako je rakovina,“ poznamenává. Kromě toho by výzkum mohl být průkopníkem ekologicky udržitelnějších chemických procesů. V rámci projektu totiž vědecký tým také například zkoumá chemické reakce, ve kterých by místo běžně používaného palladia plnil funkci katalyzátoru nikl, který je mnohem méně toxický a v přírodě častější, tudíž i levnější. „Doufáme, že se nám podaří díky využití niklu vytvořit udržitelnější a dostupnější metody výroby životně důležitých léčiv,“ dodává původem brazilský vědec.
Nezbytnost mezinárodní spolupráce
Hlavní řešitel projektu, jak sám říká, věří, že „věda by neměla mít hranice“. Po studiu chemie v Brazílii, absolvování doktorátu v USA a následném postdoktorátu ve Francii, ho kariérní cesta zavedla do Česka. Po všech těchto zkušenostech si hluboce cení rozmanitých perspektiv, které přináší multikulturní tým. Jeho současná skupina zahrnuje členy pěti různých národností. „Projekt bude skutečně úspěšný pouze tehdy, pokud budeme spolupracovat s výzkumníky ze zahraničí i odsud,“ zdůrazňuje nezbytnost globální spolupráce pro vědecký úspěch a pokrok.
Když se utvářela molekulární podstata života, nechybělo málo a mohlo dojít k fatálnímu pomatení jazyků jeho základních tvůrců. V takovém případě by žádný život možná ani nevznikl, tedy určitě ne ve formě, jakou známe dnes. Molekulární řečí buněk se po mnoho let zabývají čeští molekulární biologové z Mikrobiologického ústavu Akademie věd ČR pod vedením Dr. Leoše Valáška. Jejich výsledky na toto téma, podporované Grantovou agenturou ČR (GA ČR), nedávno otiskly prestižní odborné časopisy, jako je Nature a Nature Structural and Molecular Biology.
Chceme-li porozumět člověku, který mluví cizím jazykem, máme dvě možnosti. Buď si zaplatíme profesionálního překladatele, nebo se jeho jazyk pokusíme naučit gramatickým rychlokurzem a překladatelem „rychlokvaškou“ se staneme sami. V takovém případě se naše překladatelské schopnosti neobejdou bez výkladového slovníku. Takových překladatelů „rychlokvašek“ má každá buňka přehršel. Už odedávna se starají o to, aby genetickou informaci uloženou v řeči DNA (nukleotidové sekvenci DNA) přesně přeložili do řeči bílkovin (aminokyselinové sekvence). Díky tomu totiž buňka, potažmo celý organismus, žije a množí se. Bez dokonalých slovníků jsou však tito neviditelní překladatelé zcela ztracení. Ale jsou jejich slovníky dokonalé?
„Nukleotidština“ a „aminokyselinština“ jako dva základní jazyky života
Genetická informace je uložena v molekulách DNA. Jednotlivé úseky DNA označujeme jako geny a soubor genů v daném organismu nazýváme genom. Každá molekula DNA se skládá ze čtyř základních stavebních prvků – nukleotidů. V přeneseném slova smyslu lze říci, že různými kombinacemi nukleotidů vznikají jednotlivá slova a věty řeči DNA, tedy „nukleotidštiny“. Genom si pak lze představit jako knihu života. Každé slovo je tvořeno kombinací přesně tří nukleotidů, takže tato molekulární řeč má pouze 64 slov, respektive 61 slov a 3 různé druhy teček, které věty ukončují. V porovnání s naší řečí je „nukleotidština“ vskutku na slovo skoupá.
Každý gen je ukončený tečkou a obsahuje návod na výrobu jedné bílkoviny, tedy řetězce aminokyselin, která vzniká různými kombinacemi dvaceti základních aminokyselin procesem zvaným proteinová syntéza. Opět lze v nadsázce říci, že různými kombinacemi aminokyselin vznikají jednotlivá slova a věty řeči bílkovin, tedy „aminokyselinštiny“.
Rychlokvaška ribozom se slovníky tRNA
Definici života tak lze vyjádřit jako dokonale provedený překlad genetické informace z „nukleotidštiny“ do „aminokyselinštiny“, který v každé buňce probíhá prakticky neustále od jejího zrození až po její skon. O něj se stará makromolekula zvaná ribozom. Je to ale ten typ překladatele, který si bez slovníku vůbec neví rady. Jako slovníky mu slouží malé molekuly zvané transferové RNA (tRNA), které přenáší aminokyseliny. Opět v nadsázce řečeno, ribozom otevře jednu stránku knihy DNA, kde je v „nukleotidštině“ napsáno, v jakém přesném pořadí je třeba ze všech dostupných dvaceti aminokyselin vyrobit bílkovinu, kterou si buňka zrovna potřebuje vyrobit.
Molekuly tRNA umí každé slovo z celkových 61 přečíst, protože jsou stejně jako DNA tvořeny sekvencí nukleotidů, a podle smyslu a pořadí těchto slov na ribozom postupně přinesou přesně ty aminokyseliny, které daným slovům odpovídají. To je přesně určeno tzv. genetickým kódem. Ribozom se pak stará o to, aby se jednotlivé aminokyseliny propojily do celé smysluplné věty „aminokyselinštiny“, tedy vytvořily požadovanou bílkovinu. Při 61 slovech „nukleotidštiny“ a 20 slovech „aminokyselinštiny“ je patrno, že se některá slova „nukleotidštiny“ musejí překládat stejnou aminokyselinou. Tak to opravdu je, a proto se genetickému kódu říká, že je degenerovaný. V tomto případě je ale degenerace ke prospěchu věci.
tRNA poplety
Je známo, že slovníky tRNA nejsou neomylné. Občas se význam některých slov „nukleotidštiny“ poplete a tRNA přinese na ribozom jinou aminokyselinu, než jaká danému slovu odpovídá. Děje se tak naštěstí jen opravdu velmi zřídka. O něco častěji se ale může stát, že tRNA přinesou na ribozom aminokyselinu i v okamžiku, kdy „nukleotidština“ signalizuje jednu ze tří teček a mělo by dojít k ukončení syntézy dané bílkoviny. V takovém případě se syntéza některých bílkovin protáhne a ty jsou potom delší, než by správně měly být. Někdy je to žádoucí, ale většinou jsou takto prodloužené bílkoviny buňkou ihned zlikvidovány. Zajímavé je, že jen hrstka molekul tRNA dělá tyhle chyby, zatímco většina ostatních je vskutku neomylná a čte/kóduje jen tu svoji aminokyselinu. Vědci z Mikrobiologického ústavu AV ČR chtěli zjistit, které z molekul tRNA patří mezi tyhle „tRNA poplety“ a také, proč tomu tak je.
Dr. Valášek a jeho vědecký tým
Nonstop trypanosoma a tRNA-superpopleta.
Vědci z Ostravské univerzity pod vedením prof. Marka Eliáše se v nedávné době podíleli na objevu velmi zajímavého fenoménu: popsali organismy, jejichž věty jsou v „nukleotidštině“ přerušeny velkým množstvím teček. V principu by vůbec neměly přežít, protože dle pravidel daných genetickým kódem by syntéza prakticky všech jejich proteinů měla být předčasně ukončena. Oni ale bez problému kolonizovali celý svět. Patří mezi ně například trypanosomy Blastocrithidia nonstop.
Dílem náhody se týmu Leoše Valáška, ve spolupráci s vědci z Parazitologického ústavu Biologického centra AV ČR pod vedením prof. Juliuse Lukeše a Dr. Zdeňka Parise, podařilo ukázat, že jedním z hlavních důvodů, proč tyto organismy přežily, je fakt, že mají speciální tRNA kódující aminokyselinu tryptofan, která je superpopleta. Tato tRNA čte jednu ze tří teček právě jako tryptofan a úplně ignoruje, že tečka, ať je uprostřed věty, nebo na jejím konci, by měla vždy znamenat konec. Tento objev byl v roce 2023 zveřejněn v prestižním časopise Nature.
Rozhoduje síla vazby
Laboratoř Leoše Valáška se již několik let zabývala otázkou, jak a proč se mezi tRNA vyskytují tyhle tRNA poplety. Nedávno se výzkumnému týmu podařilo ukázat, že tRNA poplety se od těch přesných liší jen v drobných detailech v jejich celkovém složení. Tyto malé rozdíly pak registruje ribozom, se kterým si díky těmto odlišnostem vytvoří silnější intermolekulární vazbu. Jinými slovy, díky této vylepšené vazbě je ribozom neodmítne, a to ani když tečky (tj. konce vět) nelogicky překládají jako aminokyseliny tryptofan, popřípadě glutamin. Odborně se tomu říká pročítání stop kodónu, které vede k produkci nestandardně dlouhých proteinů. Tento objev byl nedávno zveřejněn v prestižním časopise Nature Structural and Molecular Biology.
Jak využít omylné tRNA slovníky?
Existuje celá řada více či méně vzácných genetických onemocnění, jejichž podstata spočívá ve spontánním výskytu jediné tečky navíc někde uprostřed jedné jediné věty v rámci celého genomu. Této „tečce navíc“ se říká nesmyslná mutace a tato věta vždy kóduje nějaký pro buňku velmi důležitý protein. Mezi nejznámější onemocnění tohoto typu patří cystická fibróza, která je způsobená jednou nesmyslnou mutací v genu, jehož proteinový produkt zajišťuje čistotu a dobrou funkci plic.
Pokud by se vědcům podařilo zpřesnit funkci těch pár známých popletených tRNA, tak bychom se v budoucnu mohli dočkat tzv. tRNA terapií. V rámci nich do těla pacientů vneseme tyto modifikované tRNA, které zajistí, že jakákoliv tečka uprostřed jakékoliv věty bude bezpečně přečtena, syntéza zkráceného proteinu bude dokončena a pacient bude jednou provždy vyléčen.
Nebude to jednoduché, neboť je současně naprosto nezbytné, aby tečky na konci všech „genomických“ vět zůstaly dál tečkami. Jinými slovy, tyhle pravé tečky musí zdokonalené, popletené tRNA zcela ignorovat. Naštěstí se dle současného výzkumu, včetně toho z Laboratoře regulace genové exprese Leoše Valáška, zdá, že pokrok v téhle oblasti je mnohem rychlejší a nadějnější, než si vědci ještě do nedávna dokázali vůbec představit.
Nikdo není dokonalý… a toho se dá využít!
Ani naše základní molekulární mechanismy nejsou zcela dokonalé. A tak díky rychlokvašce překladateli-ribozomu a popleteným tRNA máme šanci si sami opravit nesmyslné mutace v knihách/genomech našich životů, které velmi snižují kvalitu života některých pacientů a které se dědičnými stávají proto, že je základní opravné mechanismy buňky nedokázaly opravit anebo opravit nestihly. Překlad z „nukleotidštiny“ do „aminokyselinštiny“ upravený člověkem zvnějšku zřejmě nebyl nikdy blíže jeho uplatnění v medicíně, než je nyní.
Projekt JUNIOR STAR Lenky Gahurové z Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích zkoumá kvalitu vajíček a vaječníků u dlouhověkých savců. Svůj výzkum zaměřuje na rypoše – hlodavce známé pro svou dlouhověkost a unikátní společenský systém. Výsledky výzkumu by mohly přinést významné poznatky pro léčbu neplodnosti a zlepšení včasné diagnostiky chromozomálních poruch lidských plodů, jako je Downův syndrom.
Od fascinace přírodou k výzkumu reprodukce
Řešitelku podpořeného projektu JUNIOR STAR Lenku Gahurovou fascinuje příroda již od dětství. Po maturitě pro ni bylo rozhodování o dalším studiu snadné — zvolila si Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy. Zde během magisterského studia absolvovala pobyt na anglické Cambridge, která jí natolik učarovala, že si ji po získání magisterského titulu vybrala k doktorskému studiu. Způsob, jakým se tam „dělá“ věda, vedl k rozhodnutí doktorky Gahurové v akademickém prostředí zůstat natrvalo.
„Co se týče tématu, tak ‚choroby‘ mě nikdy nelákaly, protože na mě působí smutně. Naopak téma reprodukce a vzniku nového života mě vždy fascinovalo a působilo na mě povzbudivě a nadějně. Jak je možné, že se něco takového vůbec vyvinulo — že ze dvou jedinců vznikne třetí, a to pouhým spojením jedné vysoce specializované buňky od každého z rodičovských jedinců,“ vysvětluje Lenka Gahurová důvody, které vedly k její specializaci.
Rypoš jako výzkumný model
Projekt zkoumá dlouhodobou kvalitu vajíček a vaječníků u dlouhověkých druhů savců. Jako hlavní výzkumný model jsou používáni rypoši — podzemní hlodavci původem z Afriky. Tito jedineční tvorové jsou známi pro svou dlouhověkost (mohou se dožít až 40 let), odolnost vůči rakovině a svůj, pro savce ojedinělý, sociální systém. Rypoši totiž, stejně jako například včely, žijí tzv. eusociálním způsobem života — v takovémto sociálním uspořádání se z celé skupiny, která může být tvořena až desítkami jedinců, rozmnožuje pouze jedna dvojice. „Naše fakulta je jedno z mála míst na světě, kde se rypoši dlouhodobě chovají a úspěšně množí. Chov byl založen před více než 20 lety prof. Šumberou a někteří z prvních rypošů jsou stále naživu,“ říká Lenka Gahurová.
Současné poznatky ukazují, že vajíčka se v těle samic savců vytvoří ještě před jejich narozením. Vajíčka jsou tak stejně stará jako savec samotný. Čtyřicetiletá žena má tedy čtyřicet let stará vajíčka. Ta tak představují jedny z nejstarších buněk v jejím těle. Během let si však musí udržet svou kvalitu, neboť správné fungování vajíček je klíčovou podmínkou pro možnost reprodukce, a tedy přežití druhu.
Drtivá většina studií věnujících se kvalitě vajíček a vaječníků je prováděna na myších. Ty však žijí jen dva až tři roky a plodné jsou dokonce pouze jeden rok. „U lidí se však jedná o dekády, i proto jsem si pro výzkum zvolila rypoše — nejdéle žijícího hlodavce. Kromě kvality vajíček se v rámci výzkumu zaměřujeme i na jejich kvantitu — u žen bylo prokázáno, že pokud množství vajíček klesne pod určitou úroveň, nastává menopauza. U myší jsme také pozorovali velký úbytek počtu vajíček s přibývajícím věkem,“ vysvětluje Lenka Gahurová důvody výběru rypošů.
Rypoš lysý
Klíčové faktory ovlivňující kvalitu vajíček a vaječníků
Podpořený projekt JUNIOR STAR se zaměřuje na studium dvou aspektů ovlivňujících kvalitu vajíček a vaječníků. Prvním jsou tzv. transpozony — opakující se sekvence v genomu savců, které mohou způsobovat zánětlivé reakce nebo i narušovat funkce genu. Z těchto důvodů jsou transpozony v buňkách obvykle umlčené a neaktivní. Vajíčka představují jednu z mála výjimek, kde jsou tyto transpozony poměrně aktivní, minimálně u myší. „Zjistili jsme, že u rypoše lysého je, na rozdíl od většinou zkoumané myši, aktivita transpozonů ve vajíčkách téměř nulová. Chceme zjistit, jaký vliv to má na biologii vajíček a jejich počet a na rozsah poškození DNA.“
„Druhým aspektem, kterému se věnujeme,“ dodává řešitelka projektu, „je ovulace. U myší se ukázalo, že opakované ovulace negativně ovlivňují kvalitu vajíček. Rypoši jsou zajímaví tím, že ovuluje jen jedna samice, zatímco ostatní ne. Máme tak systém, kde můžeme porovnat vlastnosti vajíček u starých, stále ovulujících samic, neovulujících samic a mladých samic na začátku pohlavní dospělosti,“ vysvětluje konkrétní předměty bádání doktorka Gahurová.
V rámci výzkumu jsou tak porovnávána vajíčka u tří různých skupin samic. Vědci se zaměřují například na poškození jejich DNA nebo míru zánětlivých procesů ve vaječnících. Zároveň si Lenka Gahurová a její tým dali za úkol odhalit, zda nemůžou u rypošů vznikat nová vajíčka i v dospělosti.
Vědecký tým
Možné zlepšení diagnostiky poruch u plodu
Očekáváným výsledkem projektu JUNIOR STAR je hlubší porozumění mechanismům udržujícím vysokou kvalitu vajíček a vaječníků u dlouhověkých savců. Zjištění by mohla mít význam pro léčbu poruch plodnosti u žen nebo pomoci starším ženám, které se neúspěšně snaží otěhotnět.
V současnosti se během těhotenství vypočítává riziko Downova syndromu a jiných chromozomálních poruch — pokud je ženě více než 35 let, je riziko vysoké a je doporučen odběr plodové vody. „Pokud by se v rámci výzkumu mému mezinárodnímu týmu podařilo prokázat,že počet ovulací ovlivňuje kvalitu vajíček a vaječníků, mohly by se tyto poznatky využít v personalizované medicíně. Do výpočtu rizika by se tak kromě věku ženy mohly zahrnout faktory ovlivňující počet ovulací. Tedy věk při začátku menstruace, užívání hormonální antikoncepce a další. Pokud totiž máme dvě různé ženy ve věku 35 let, ze kterých jedna dlouhodobě brala hormonální antikoncepci, zatímco druhá ne, byla by u té první mnohem menší pravděpodobnost výskytu chromozomálních poruch plodu,“ zmiňuje konkrétní možné budoucí využití výsledků Lenka Gahurová.
Skloubení osobního a vědeckého života
Lenka Gahurová je důkazem, že vědecká kariéra může jít ruku v ruce s úspěšným osobním životem. Během doktorátu na Cambridge se závodně věnovala veslování. V době největšího vytížení stíhala vedle výzkumu až 13 tréninků týdně. Dvakrát dokonce reprezentovala Cambridge na prestižních závodech proti Oxfordu. Po návratu do České republiky již šestým rokem úspěšně kombinuje úspěšnou vědeckou kariéru s péčí o své dvě malé děti.
Mgr. Lenka Gahurová, Ph.D., držící rypoše
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.
Jako první na světě zobrazili celý chromozom v přirozeném stavu. Vědcům z Ústavu přístrojové techniky AV ČR ve spolupráci s Ústavem experimentální botaniky AV ČR se díky revoluční metodě podařilo to, o co se pokoušeli experti nejprestižnějších laboratoří. Odhalení povrchové struktury chromozomu s různými miniaturními výběžky a prostorově uspořádanými smyčkami vláken může v budoucnu ovlivnit například medicínu nebo zemědělství. Nová zobrazovací metoda je už teď zásadním vylepšením pro vědeckou obec. Výzkum byl podpořen Grantovou agenturou České republiky.
Po letech bádání a pokusů světových laboratoří, jak zobrazit biologické vzorky v přirozeném stavu, přišli čeští vědci s řešením. Nově vyvinutá metoda A-ESEM otevírá zcela nové možnosti zkoumání neživé, ale především živé hmoty.
Dosud se pro zobrazení prostorové struktury biologických i nebiologických materiálů s rozlišením až miliontiny milimetru používala rastrovací elektronová mikroskopie (SEM), při které se vzorky pozorují ve vysokém vakuu. Proto musejí projít úpravami, jež ale mohou poškodit jejich strukturu. A to vylučuje jejich pozorování v nativním stavu.
Jako auto, které jezdí po vodě a umí se ponořit
Metoda A-ESEM, pokročilá environmentální rastrovací elektronová mikroskopie (A-ESEM; Advanced Environmental Scanning Electron Microscopy), umožňuje zkoumat prakticky všechny živé vzorky: rostlinné a částečně i živočišné buňky v přirozeném stavu, malé živé živočichy, houby, plísně, roztoče, proteiny, bakterie, a vědci se chystají i na viry. Navíc lze sledovat dynamické změny vzorků v důsledku změny jejich teploty, vysychání, chemické reakce, fyzikálního působení.
„Klasický mikroskop lze přirovnat k luxusnímu automobilu, přičemž environmentální mikroskop je luxusním automobilem v ještě vyšší výbavě, který navíc umí jezdit po vodě a potápět se jako ponorka, zkrátka má všechny funkce klasického mikroskopu, a navíc řadu dalších,“ vysvětluje Vilém Neděla, vedoucí brněnského týmu Environmentální elektronové mikroskopie Ústavu přístrojové techniky AV ČR, který metodu vyvinul.
„Využíváme softwary s umělou inteligencí, které poradí, jak nastavit parametry, aby se vzorek nezničil. Využili jsme mnoha vlastních inovací a díky ultracitlivým detektorům pozorujeme vzorky ve vysokém tlaku plynu a ve vlhkosti až 100 %, tedy v enviromentálně kompatibilních podmínkách – velice šetrně, neubližujeme jim,“ popisuje Vilém Neděla.
A-ESEM je ze všech elektronově mikroskopických metod nejvíce univerzální, navíc ji lze použít k přípravě a dalším fyzikálně-chemickým analýzám vzorků. Podle Viléma Neděly je dokonce rychlejší, levnější a vhodnější pro studium dynamických změn biologických vzorků než kryo-elektronová mikroskopie, oceněná v roce 2017 Nobelovou cenou. „Tato nová metoda řeší základní problém zdánlivé neslučitelnosti elektronové mikroskopie s přítomností vody v kapalném skupenství ve vzorku. Proto je vhodná pro zobrazování živých organismů a extrémně citlivých nanostruktur a nanopovrchů vše ve vysokém rozlišení,“ říká Vilém Neděla.
Důležitý objev pro zdraví lidí i rostlin
Potenciál nové metody ověřili vědci ve spolupráci s olomouckým pracovištěm Ústavu experimentální botaniky AV ČR studiem chromozomů, tedy mikroskopických struktur, ve kterých je uložena dědičná informace.
Chromozomy v průběhu dělení buněk kondenzují v mikroskopické válečkovité útvary. O odhalení jejich nanostruktury se léta pokoušely vědecké týmy z celého světa. Neuspěly, protože všechny dostupné metody vyžadovaly drastické ošetření chemikáliemi, sušení, pokovování či mrazení a následnou sublimaci ledu. A protože povrchová vrstva chromozomu je extrémně citlivá, byla při takovém zkoumání buď poškozena, nebo zcela odstraněna.
„Teprve nově vyvinutá metoda A-ESEM odhalila, že povrch kondenzovaných chromozomů je posetý četnými výběžky, smyčkami chromatinových vláken o průměrné velikosti kolem 30 nm. Takové prostorové uspořádání povrchu chromozomů nebylo dosud pozorováno. Navíc je velmi pravděpodobné, že se nám podařilo zobrazit i nepatrné, jen 12 nm velké nukleozomy, na kterých je jako na cívky navinuta molekula DNA,“ doplňuje rostlinný genetik Jaroslav Doležel, vedoucí olomouckého týmu Ústavu experimentální botaniky AV ČR.
Získané výsledky přispívají k pochopení molekulární struktury mikroskopických útvarů – chromozomů –, které přenášejí dědičnou informaci z rodičů na potomstvo. Zatímco u člověka jsou jejich poruchy příčinou dědičných chorob, u zemědělských plodin vedou ke snížené plodnosti a výnosu. Odhalení povrchové struktury chromozomů poskytuje nový pohled na strukturu dědičného aparátu, umožní identifikaci poruch v jeho uspořádání a přispěje k vývoji syntetických organismů s uměle vytvořenou dědičnou informací.
Uplatnění nové metody
Dosažitelné rozlišení A-ESEM je při podmínkách studia chromozomů srovnatelné s rozlišením klasického „vakuového“ rastrovacího elektronového mikroskopu (SEM), což může mít podle Viléma Neděly zcela zásadní vliv na vývoj světového trhu s elektronovými mikroskopy. „Možnost spojení A-ESEM s dalšími zobrazovacími technikami, včetně světelné mikroskopie, umožní vědcům zobrazování a funkční analýzu nejen chromozomů, ale i dalších biologických objektů v přirozeném stavu. Jaké praktické dopady bude případné široké nasazení nové metody A-ESEM mít, v tuto chvíli není možné ani odhadnout. V Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR jsme každopádně přesvědčeni, že jde o jeden z nejdůležitějších objevů, které byly učiněny na půdě naší instituce, a revolučním krokem vpřed pro elektronovou mikroskopii jako takovou,“ uzavírá Vilém Neděla.
Výsledky mnohaletého výzkumu brněnských a olomouckých vědců publikoval časopis Scientific Reports, který je součástí nakladatelství vydávajícího jeden ze světově nejprestižnějších vědeckých časopisů Nature.
Úvodní obrázek: Kolorovaný snímek chromozomu v nativním stavu získané pomocí nově vyvinuté pokročilé environmentální rastrovací elektronová mikroskopie. Zdroj: ÚPT AV ČR
Paleobiologie již léta není vědou o popisu a klasifikaci schránek, kostí a zubů. Je to moderní vědní obor, který se zabývá hledáním struktury fosilních ekosystémů a procesů, které byly hybateli jejich vývoje. Katarína Holcová z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy se se svými spolupracovníky v rámci výzkumu podpořeného Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) zabývala organismy, které v minulosti kolonizovaly pevné schránky jiných živočichů.
V průběhu evoluce se stavba ekosystémů stávala složitější a vznikaly mnohem komplexnější a komplikovanější vzájemné vztahy uvnitř ekosystémů i mezi nimi. Díky tomu se vyvíjely nové druhy organismů specializované na nové životní strategie.
Výzkumný tým vedený Katarínou Holcovou si pro studium zvolil ekosystémy stojící stranou „mainstreamového“ zájmu – endolitické a epibiontní organismy, tedy ty, které žijí uvnitř hornin nebo na povrchu jiných organismů. Zmapování struktur a vztahů málo známých ekosystémů je totiž stejně důležité jako studium těch populárních, jako jsou např. útesy. Vzniklá mozaika informací z minulosti se tak stává komplexnější a pomáhá nám nahlédnout na současnost.
Řešení výzkumného projektu vyžadovalo mezioborovou spolupráci, a proto se do něj zapojili vědci a vědkyně z různých institucí, kteří ovládají různé přístupy. Kromě badatelů z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy se do jeho řešení zapojili také výzkumníci z Geologického a Botanického ústavu AV ČR, Národního muzea a Západočeské univerzity v Plzni.
V rámci výzkumného projektu se odborníci zabývali trojicí opomíjených životních strategií, které však mají společného jmenovatele – pevnou schránku. Zaměřili se na organismy, které sice sami často pevnou schránku nemají, ale využívají schránky jiných organismů jako substrát, tedy prostředí ke kolonizaci. Schránky lze kolonizovat třemi způsoby – dovnitř, na vnějším povrchu nebo na povrchu vnitřním, a to jak za života hostitelského organismu, tak po jeho odumření v různých fázích rozkladu.
„Navrtávači schránek“ a koloběh uhlíku
První skupinu strategií představovaly tzv. endolitické organismy, které jsou schopné se zavrtat do různých pevných schránek (zejména karbonátových), které pak využívají převážně jako zdroj živin. Autotrofní organismy vyhledávají zvláště tzv. „mikroživiny“, zatímco heterotrofní organismy konzumují vrstvičky organické hmoty ve schránkách nebo se provrtají k čerstvě odumřelé tkáni uvnitř schránek. Dalším významným důvodem, proč organismy navrtávají schránky, je budování skrýší.
Ať už endolitické organismy vrtají do schránek z důvodu vyhledávání živin nebo skrýše, tak se díky destrukci vápnitých substrátů velice aktivně (což zatím není zcela doceněno) zapojují do biogeochemického cyklu anorganického uhlíku. Jedná se v současné době v souvislosti s klimatickými změnami o zvláště aktuální téma.
Odlitky mikrovrteb pravděpodobně mikroskopických hub ve stěně schránky dírkovce rodu Sorites. Endolitické organismy destruovaly odhadem 30 % schránkové hmoty již krátce po odumření organismu. Rudé moře, Izrael. Délka obrázku 300 µm.
Staré chodbičky a moderní zobrazovací metody
Vrtavé organismy jsou vesměs měkkotělé, a proto jsou jejich „body fossils“, neboli přímo fosilizovaná těla či jejich části, extrémně vzácné. Roli a význam těchto organismů v procesu rozkladu vápnitých substrátů proto můžeme interpretovat pouze ze stop po jejich činnosti, které nacházíme nejčastěji v podobě chodbiček různých tvarů a velikostí (ichnofosilie). Na základě jejich morfologie pak odhadujeme původce, kterými mohou být v případě mikroichnofosilií bakterie, sinice, drobné zelené řasy nebo mikroskopické houby. Původci makrovrteb jsou pak některé mnohobuněčné organismy, jako jsou živočišné houby (tj. houbovci či spongie) nebo různé organismy s červovitým tělem.
Vrtavé struktury se nacházejí uvnitř stěn schránek. Pokud chceme porozumět jejich 3D morfologii nebo zjistit pozici ve stěně schránky, musíme použít technicky náročnou metodologii a využít kombinaci moderních zobrazovacích technik.
V rámci projektu financovaném GA ČR se výzkumný tým Kataríny Holcové zabýval limity a výhodami jednotlivých zobrazovacích technik, které se využívají ke studiu a determinaci různých druhů vrteb. Kombinace nových a klasických postupů při výzkumu vrtavé činnosti organismů přinesla sérii zajímavých výsledků. Jednalo se například o potvrzení revoluce protist (prvoků) známé z konce spodního devonu u dírkovců a mřížovců i na úrovni endolitických organismů, které vědci studovali na příkladech změn ichnospolečenstev v mořském prostředí staršího paleozoika v oblasti barrandienu.
Zdánlivě chaotická síť průlezových chodbiček uvnitř stočeného trilobita druhu Pricyclopyge binodosa, která ukazuje cílené prožírání mršiny a využití rozkládajících se tkání. Snímek je získaný pomocí počítačové mikrotomografie, trilobit pochází z ordoviku barrandienské oblasti.
Na materiálu z miocénu Centrální Paratetydy výzkumníci zdokumentovali silně redukované přežívání vrtavých organismů v prostředí se sníženým obsahem kyslíku. To omezovalo biogenní rozklad karbonátových schránek v tomto prostředí a brzdilo návrat anorganického uhlíku do uhlíkového cyklu.
Život na schránkách i v jejich bezpečí
Druhou významnou životní strategii reprezentovali epibionti, tedy organizmy, které žili převážnou část svého života pevně přichyceny na schránce hostitelského organizmu. Díky grantovému projektu se výzkumníkům podařilo nahlédnout do raného utváření tohoto specifického ekosystému v sukcesi nejstarších společenstev pražské pánve.
První komplexní ekosystém epibiontů z ordoviku barrandienu
Třetí strategii představují organismy, které kolonizují vnitřní povrch schránek těsně po odumření organismu, který schránku vytvořil. Pod schránkou nebo uvnitř ní je prostor, kde dochází k postupnému rozkladu měkkých tkání. Na nich se živí sukcese „mrchožroutů“. Fosilní záznam tohoto komplexního ekosystému, který je klíčový pro recyklaci organické hmoty a energie, je většinou také redukován jenom na ichnofosilie. V rámci grantového projektu odborníci prostudovali jeden z nejstarších, výjimečně zachovaných případů z ordoviku, které nabízí výše zmíněná oblast barrandienu.
Výzkumný projekt jako odrazový můstek
I díky grantové podpoře mohli výzkumníci po skončení projektu publikovat článek v prestižním časopise Nature, který se týkal objevu krunýře trilobita, pod kterým byl in situ zachován obsah trávicího traktu. Tato naprosto unikátní fosilie umožnila zrekonstruovat příběh trilobita od odumření až po pokusy využít jeho mršiny jako zdroje potravy.
„Článek vlastně završil studium třetí strategie zmíněné v předchozím odstavci, ovšem už jej nemělo praktický smysl GA ČR dedikovat, protože výstupy projektů se sledují pouze do jednoho roku od jeho ukončení. Přesto jsme v poděkování grantový projekt uvedli, protože se ho bytostně týkal,“ podotýká Holcová. „I přes pandemii COVID jsme díky aktuálním opatřením GA ČRu grantový projekt úspěšně ukončili, i když s určitými omezeními a změnami. Zejména se jednalo o terénní výzkumy, které bylo nutné přesunout až ke konci financování projektu. Některé výstupy grantu budou ještě publikovány v odborných článcích v příštím roce a stanou se rovněž součástí tří dizertačních prací vesměs zahraničních doktorandů,“ doplňuje.
Jeden z výzkumných směrů, kterým Holcová a její tým na výzkumný projekt navazují, je využití moderní náročné zobrazovací metody zvané počítačová nanotomografie. Rozlišení klasických mikrotomografických metod je totiž na mikrovrtby, jejichž průměr se pohybuje v řádu µm, nedostatečné. Nanotomografické zobrazení umožňuje kvantifikovat podíl objemu mikrovrteb ve vápnitých schránkách, a tím i podíl vrtavých organismů na cyklu anorganického uhlíku.
Další zatím nepublikovaný výsledek projektu je i dosud nepopsaný nový ichnodruh mikrovrtby z rujanské křídy, původcem vrtavé činnosti byla mořská mikroskopická houba (mikromycet). V rámci výzkumu je vytvořen i model vzniku bioerozí na schránkách dírkovců, který rekonstruuje prostředí na dně křídového moře.
Model destrukce vápnitých schránek vrtavými mikroorganizmy v rujanské křídě
Velkým překvapením a zadostiučiněním za práci vloženou do přípravy a řešení projektu byl pro řešitele projektu zájem vědeckých kolegů na mezinárodních konferencích. Přednášky zaměřené na uvedené životní strategie vázané na schránky organismů vzbudily následné diskuze, a dokonce se staly inspirací pro několik odborných článků kolegů vědců v zahraničí.
A tak dosud přehlížené téma začalo žít novým životem nejenom na jejich pracovišti, ale i ve světě.
Autoři: Katarína Holcová, Petr Kraft (Ústav geologie a paleontologie, Přírodovědecká fakulta UK, Praha), Jana Bruthansová (Národní muzeum Praha)
Semena rostlin jsou nejen fascinující orgány, ale také důležitá součást našeho jídelníčku. Dobrá kvalita semen je také nezbytná z hlediska jistoty zemědělské produkce. Cílem projektu podpořeného GA ČR vedeného prof. Petrem Smýkalem z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci bylo doplnění informací o dormanci semen – tedy době, kdy semena vyčkávají na signál pro klíčení – domestikovaného a planého hrachu.
Domestikace a vývoj semen rostlin
Semena rostlin jsou základním zdrojem potravy pro lidstvo již od počátků zemědělství a zůstávají klíčovým prvkem naší stravy dodnes. Asi 70 % potravin určených k lidské spotřebě představují semena, jako jsou obiloviny (pšenice, rýže, kukuřice), luštěniny (fazole, sója), olejniny (řepka, sója, slunečnice) a mnoho dalších. Semena jsou bohatým zdrojem energie, bílkovin, vlákniny, vitamínů i minerálů a jsou nezbytná pro zabezpečení stravy rostoucí světové populace, zvláště v kontextu probíhající klimatické změny. Porozumění procesům, které umožňují semenům plnit jejich biologické funkce, je proto důležité pro pochopení nejen rozmnožování rostlin, ale má také i praktický význam pro zemědělství.
Člověk svojí pěstitelskou činností domestikoval mnoho rostlin, které proměnil na základě svých potřeb a preferencí. Důležitými kritérii byly nejen chuť, barva (Obr. 1), výnos apod., ale také snaha o odstranění dormance semen a zabránění jejich přirozenému šíření. Nebylo by přece výhodné a pro přežití ani možné, aby semena vyklíčila až po několika letech.
Obr.1: Vliv domestikace na vlastnosti semen, jejich obranyschopnost a chuť. Na levé straně je zobrazený planý hrách, který disponuje vysokým stupněm dormance, obrannými metabolity ale není vhodný na konzumaci. Vpravo je domestikovaný hrách bez dormance, avšak s nižším obsahem obranných metabolitů v osemení, vhodným ke konzumaci chuťově i nutričním složením (Klčová et al. 2024).
Fascinující svět semen
Semena rostlin jsou fascinující orgány, které umožňují přežití rostlin a jejich další šíření. Poté, co se semena oddělí od mateřské rostliny, musí přežívat v často nehostinném prostředí a vypořádat se s řadou nástrah, jako jsou kupříkladu nejrůznější skupiny patogenních organismů. V obraně semen hraje zásadní roli jejich obal, tzv. osemení, které obsahuje specifické látky (především fenolické sloučeniny) a enzymy. Struktura a chemické složení osemení ovlivňuje také dormanci semen, tedy dobu, kdy semena vyčkávají na signál pro klíčení, jež je typická pro semena planých rostlin. Tímto tématem se skupina vedená prof. Petrem Smýkalem z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci zabývá již dlouhodobě.
Vývoj semen zahrnuje koordinovanou spolupráci tří geneticky odlišných entit: embrya, které představuje další generaci, endospermu, který slouží k jeho výživě, a mateřské rostliny, která přispívá osemením a oplodím k ochraně semene. Ačkoli se morfologie semen u různých čeledí rostlin liší (a používá se taxonomicky), základní složky jsou velmi konzervované. Mnoho informací týkajících se genetické regulace vývoje embrya bylo získáno studiem mutantů, zejména huseníčku (Arabidopsis thaliana), avšak tento model neumožňuje studovat všechny aspekty vývoje semen, jako je např. fyzikálně daná dormance semen typická právě pro semena bobovitých rostlin.
Vedle zásobních látek (jako jsou škrob, olej, proteiny) semena akumulují širokou škálu sekundárních metabolitů. Zejména fenolické látky (fenylpropanoidy), alkaloidy a různé další metabolity, které zvyšují jejich toleranci k vysychání a zlepšují odolnost proti abiotickému (sucho, teplota, UV záření) a biotickému (býložravci, patogeny a rostlinní konkurenti) stresu.
Po dokončení vývoje jsou zralá semena schopna klíčit, což však může být potlačeno navozením dormance, které je spojené se snížením obsahu vody v semeni a ukládáním zásobních látek. Dormance umožňuje šíření semen jak v prostoru, tak čase (některá semena mohou přežívat i desítky až stovky a v extrémních případech i tisíce let). Po přijetí vody semeno nabobtná a obnoví se metabolická aktivita, což znamená začátek klíčení semen. Fáze klíčení je ukončena okamžikem, kdy kořenová špička (radicula) protrhne osemení (Obr. 2), a od tohoto okamžiku pak již mluvíme o klíční rostlince. Pochopení dlouhověkosti a stárnutí semen, která vede ke ztrátě životaschopnosti během skladování, má zásadní význam pro ochranu rostlin a zemědělství.
Obr. 2: Raná fáze klíčení semene hrachu, protržení osemení v místě růstu radikuly (šipka).
Dormance semen
Načasování klíčení semen je jedním z klíčových kroků v životě rostlin. Určuje, kdy se rostliny zapojí do přírodních nebo zemědělských ekosystémů, a je základem pro produkci plodin. Dormance semen a klíčení jsou dva protichůdné, ale úzce spojené procesy, které jsou druhově specifické. Rozhodující je vnímavost k podmínkám prostředí. Semena některých druhů rostlin klíčí v jejich širokém rozmezí, naopak jiné jsou úzce specializované a potřebují velmi specifické podmínky. Jejich znalost je důležitá pro pochopení evoluce rostlin a adaptace k přírodním podmínkám. Přestože dormance je užitečná pro přežití semen v přírodě, kde jsou podmínky nejisté a nekonstantní, pro zemědělství a lidskou spotřebu je žádoucí, aby semena na poli klíčila rychle.
Výzkumníci se v rámci projektu se zaměřili na popis a porovnání vývoje osemení planého a kulturního hrachu, s důrazem na odlišnosti v dormanci. V rámci řešení projektu sledovali nejenom vývoj osemení, ale také genetické a fyziologické aspekty ovlivňující dormanci semen a jejich odlišnost mezi semeny planého a kulturního hrachu. Výsledky projektu přinesly nový pohled na vývoj semen luskovin a zejména pak na vývoj osemení, a to na základě srovnávací analýzy planě rostoucích a domestikovaných druhů hrachu.
Práce vědeckého týmu pod vedením prof. Smýkala představuje první komplexní popsání molekulárně biologických mechanismů (genové exprese, proteomiky a metabolomiky) vývoje osemení hrachu ve vztahu k dormanci semen a domestikaci. Kombinované metodické přístupy (anatomie, analytická chemie, proteomika, biochemie a molekulární biologie) vedly k identifikaci nových aspektů domestikace hrachu (Klčová et al. 2024, Plant Journal) a doplnily tak předchozí studie výzkumného týmu. Navíc při zkoumání profilů metabolických látek, především fenolických metabolitů a nepolárních složek kutinu (látek voskovité povahy v buněčných stěnách rostlin), výzkumníci vyvinuli nové postupy analýzy chemického složení, které zahrnují přípravu mikrovzorků pomocí elektronicky řízené mikromanipulace pod mikroskopickou kontrolou a zobrazování hmotnostní spektrometrií s laserovou desorpcí-ionizací (Krejčí et al. 2022, Talanta).
Při pátrání po klíčových hráčích zapojených v regulaci dormance semen a vývoje osemení planých a kulturních hrachů objevili výzkumníci gen kódující enzym polyfenoloxidasu (PPO). Společnými silami s kolegy z Katedry analytické chemie (vedené doc. Petrem Bednářem) a Katedry biochemie (vedené dr. Janou Sekaninovou) Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a dalšími pracovišti se výzkumníkům podařilo poodhalit funkci tohoto genu. Zjistili, že tento gen byl během procesu domestikace selektován a jeho funkce mění vlastnosti osemení (Balarynová et al. 2022 New Phytologist), a to nejen u hrachu, ale i dalších luskovin (Jayakodi et al. Nature 2023). Prokázali, že aktivita PPO je nutná pro oxidaci a polymerizaci řady fenolických látek v osemení planého hrachu. Tyto procesy se projevují také pigmentací pupku (Obr. 3), který může představovat pomyslnou ,,Achillovu patu“ obrany semen, na což navázal v současnosti řešený nový projekt podpořený GA ČR.
Obr. 3: Vztah mezi pigmentací pupku (hila) a aktivitou PPO. a), b) – pupky semen kulturních rostlin s neaktivní formou genu pro enzym PPO, c), d) – pupky semen planých rostlin hrachu s aktivní formou genu pro enzym PPO (Balarynová et al. 2022).
Domestikace změnila vývoj semen hrachu (tak jako u jiných plodin) a modifikovala (většinou snížila) složení látek, které semeno produkuje (transkriptů, proteinů a metabolitů), zejména těch zapojených v obraně semen. Můžeme předpokládat, že semena planých předchůdců dnešních plodin mají delší životnost a odolnost vůči stresu. Toto je však potřeba ještě experimentálně ověřit. Vzhledem k tomu, že semena planého hrachu musí mnohem přesněji monitorovat a reagovat na různé biotické a abiotické signály z prostředí, je u nich vyšší rozmanitost proteinů a metabolitů přítomných v jejich osemení.
Hlubší pochopení vývoje osemení umožňuje ovlivnění velikosti semen prostřednictvím změny genové exprese a zlepšení ochrany semen během jejich klíčení a skladování. Znalost biologie vývoje a klíčení semen má široké spektrum uplatnění, zasahující od výzkumu přes praxi v zemědělství a potravinářském průmyslu až po výživu a ochranu životního prostředí.
Výsledky tohoto výzkumu poskytly cenné poznatky pro porozumění biologie rostlin a procesu dormance semen a mohou mít praktické využití při šlechtění nových odrůd hrachu s lepšími vlastnostmi klíčení a výnosu. Takové informace mohou vést k vývoji odolnějších a výkonnějších kultivarů hrachu, což může přispět ke zlepšení produkce potravin a udržitelnosti zemědělství.
Vědecký tým z Fakulty rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích pod vedením Jana Mráze učinil významné objevy v oblasti hospodářství na rybnících a výživy ryb díky projektu podpořenému Grantovou agenturou České republiky (GA ČR).
Docent Mráz a jeho tým zjistili, že přirozená potrava a ekosystém v rybnících mohou výrazně zlepšit trávení kaprů. Konkrétně plankton a rybníkový ekosystém společně pomáhají kaprům rozkládat těžko stravitelné součásti potravy, jako je celulóza, chitin nebo fosfor. Vědci také přišli na to, že v obdobích, kdy je voda čistá a vyskytuje se v ní málo řas, ale hodně drobného zooplanktonu, je trávení kaprů ještě účinnější. Tento efekt, který se nazývá „synergický efekt trávení“ a který řešitelé projektu teoreticky popsali v roce 2022 a ověřili v letošním roce, by mohl v budoucnu pomoci zlepšit a zefektivnit hospodaření na rybnících (Obr. 1).
Obr. 1 (BioRender JA26MXISBO)
Další objev, který se vědcům v rámci projektu podařil, se týká hospodaření ryb s fosforem v mělkých jezerech. Při aktivním příjmu potravy (aktivní metabolismus) ryby obvykle vyvažují své hladiny živin uvolňováním přebytečného dusíku a fosforu, což prospívá růstu řas.
Ryby však mohou ukládat více fosforu a poskytovat menší množství této živiny řasám, pokud je přijímaná potrava bohatá na lysin a methionin v poměru k celkovému příjmu bílkovinné a nebílkovinné energie (tj. podíl sacharidové a lipidové energie v celkovém příjmu energie), a to až do té míry, že by mohlo dojít k potenciální absorpci fosforu z vody. Naopak, nedostatek těchto živin v potravě vede ke zvýšenému uvolňování fosforu rybami, což podporuje růst řas. Vědci také zjistili, že šupinaté ryby mají tendenci recyklovat méně fosforu pro řasy než ryby bez šupin.
Z podpořeného výzkumu vyplývá, že ne všechny druhy uhlíku, dusíku nebo fosforu ve vodních potravních řetězcích jsou stejně důležité pro předpověď recyklace fosforu rybami. Určité formy dusíku a uhlíku mají větší vliv na regulaci hladiny fosforu. Umělé vyvažování rybí stravy a udržování populací šupinatých ryb by mohlo v budoucnu nabídnout řešení pro zvládání eutrofizace (procesu obohacování vod o živiny). Součástí výsledku projektu docenta Mráze a jeho týmu je studie zveřejněná v prestižním časopise Science of The Total Environment.
Obr. 2 (BioRender MQ26VEPQTJ)
Tato zjištění z projektu GA ČR 22-18597S představují významný krok vpřed v oblasti nutriční ekologie vodních konzumentů a teorie ekologické stochiometrie sladkovodních ekosystémů. Výsledky jsou cenné pro řízení cyklů živin a eutrofizace mělkých jezerních ekosystémů, včetně rybníků. Výzkumný tým rovněž dodržoval praxi otevřené vědy, jelikož datové sady byly spolu s publikacemi zpřístupněny veřejnosti.
Autoři článku: Koushik Roy, Ph.D., doc. Antonín Kouba, Ph.D.
Roy, K., Kajgrova, L., Capkova, L., Zabransky, L., Petraskova, E., Dvorak, P., Nahlik, V., Kuebutornye, F.K.A., Blabolil, P., Blaha, M., Vrba, J. and Mraz, J., 2024. Synergistic digestibility effect by planktonic natural food and habitat renders high digestion efficiency in agastric aquatic consumers. Science of the Total Environment, 927, 172105. (IF 2023: 9.8). Linked Dataset.
Roy, K., Vrba, J., Kuebutornye, F.K., Dvorak, P., Kajgrova, L. and Mraz, J., 2024. Fish stocks as phosphorus sources or sinks: Influenced by nutritional and metabolic variations, not solely by dietary content and stoichiometry. Science of the Total Environment 938, 173611. (IF 2023: 9.8). Linked Dataset.
Podle studie podpořené v rámci projektu JUNIOR STAR financovaném Grantovou agenturou České republiky mohla pravidelná činnost související s psaním vést ke specifickým změnám na kostrách staroegyptských písařů. Tým autorů složený z odborníků z Univerzity Karlovy, Národního muzea a Českého vysokého učení technického zkoumal kosterní pozůstatky 69 dospělých mužů (mezi nimi 30 písařů), kteří byli pohřbeni na nekropoli v egyptském Abúsíru mezi lety 2700 a 2180 před naším letopočtem. Studie byla publikována v časopise Scientific Reports.
Odborníci ze zmíněných institucí zjistili častější výskyt degenerativních změn v určitých oblastech na kostrách písařů ve srovnání s muži, kteří se věnovali jiným povoláním. Jednalo se především o artrózu čelistního kloubu, degenerativní změny krční páteře, změny v oblasti pravého ramene, pravého palce ruky a kolenního kloubu. Prokázaly se také častější změny v oblastech úponů svalů a vazů na pažní kosti a levé kyčelní kosti a rovněž vyšší výskyt plošky na pravém kotníku způsobené setrváváním v podřepu.
„Tato studie je významná mimo jiné proto, že zjištění vyššího výskytu degenerativních a jiných změn ve všech nebo většinětěchto definovaných oblastí by v budoucnu mohlo pomoci s identifikací písařské činnosti i u koster jedinců, u nichž nejsou známy tituly ani další informace o jejich životě a práci. Pokud tedy bude nalezena kostra muže se silně degenerovanou krční páteří, artrózu čelistního i ramenního kloubu nebo palce pravé ruky či kolene, bude na prvním místě otázka, zda to také nebyl písař,“ uvedla k unikátnímu výzkumu hlavní autorka Petra Brukner Havelková z Antropologického oddělení Národního muzea, která je současně také členkou Českého egyptologického ústavu Filozofické fakulty Univerzity Karlovy.
Autoři studie předpokládají, že změny pozorované na krční páteři a ramenech písařů mohou být důsledkem dlouhodobého sezení se zkříženýma nohama, s hlavou předsunutou dopředu, ohnutou páteří a bez opory rukou. Změny na kolenou, kyčlích a kotnících by mohly naznačovat, že písaři možná dávali přednost sezení s levou nohou v kleče nebo se zkříženýma nohama a pravou nohou v podřepu. Sochy a nástěnná výzdoba v hrobkách zobrazují písaře, kteří při práci kromě stoje seděli v obou těchto polohách.
„Opotřebení čelistních kloubů by se mohlo zdát u profese písaře jako velmi překvapivé, ale pravděpodobně bude důsledkem žvýkání konců stonků rákosu do podoby štětců,“ dodává Veronika Dulíková z Českého egyptologického ústavu Filozofické fakulty Univerzity Karlovy.
Veronika Dulíková během výzkumu Anchiresovy hrobky zhlíží do míst, kde se původně nacházela barevně zdobená kaple (foto Martin Frouz).
Termín „písař“ ve starověkém Egyptě třetího tisíciletí př. n. l. byl vyhrazen mužům, kteří zastávali širokou škálu správních funkcí. Tito lidé měli v tehdejší společnosti výsadní postavení, protože pouze asi 1 % obyvatelstva bylo gramotné a patřili tedy mezi elitu doby stavitelů pyramid (Staré říše). Staroegyptským písařům bývá nejčastěji věnována pozornost s ohledem na jejich postavení ve společnosti, jejich znázornění v reliéfní výzdobě nebo na náplň a způsob vykonávání jejich činnosti. Tedy téměř výhradně z pohledu egyptologie, archeologie nebo historie. Často tak chybí propojení s antropologickým výzkumem, který může doplnit tyto prameny o stopy zanechané každodenními aktivitami na kostře písaře. Existuje pouze několik antropologických studií, které se zaměřují na kosterní pozůstatky konkrétního vysoce postaveného egyptského hodnostáře a změny na jeho kostře hodnotí již s vědomím, že mohly souviset s jeho „povoláním“ písaře. Doposud nikdo se však nezaměřil na písaře jako na profesní skupinu jedinců, jejichž kostry, ve srovnání s ostatními, vykazují shodné či podobné změny, které mohou souviset s úkony, jež opakovaně vykonávali a pozicemi, v nichž museli dlouhodobě setrvávat.
Pro samotný vznik studie byla velmi důležitá vzájemná interdisciplinární spolupráce. Ve výsledném článku se tak spojují hned tři obory: antropologie, egyptologie a matematika. Díky tomu mohla vzniknout komplexní práce, která zahrnuje nejrůznější aspekty zkoumání chování a návyků staroegyptských písařů.
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.
