Největší radost ze své práce má profesor Václav Klika tehdy, když najde chybu. Ne, není to reakce škodolibého učitele. Řeč je o chybě v matematickém modelu, který popisuje nějakou část reality. Chyba totiž odhaluje, že teorie, z níž model vychází, není správná, a je nutné vytvořit lepší.
Svět kolem nás je složitý, a tak ho věda popisuje pomocí matematických modelů, které umožňují realitu snáze pochopit a také do ní zasahovat. Za vytváření takových modelů byl Václav Klika minulý rok nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Model je zjednodušený popis reality, který se soustředí na to podstatné, a neobsahuje tedy všechny detaily. Krásným příkladem je obyčejný šálek čaje. Ponoříte sáček s čajem do horké vody a pozorujete, jak se uvolňované barvivo uvnitř šálku šíří, až je tekutina zabarvená rovnoměrně.
Tento jev by se dal popsat jako pohyb jednotlivých molekul. Bylo by to sice velice přesné, ale buď neskutečně pracné, anebo vzhledem k počtu molekul úplně nemožné a pro praxi vlastně nepotřebné. Potřebujeme přece především vědět, kdy bude čaj hotový. A na to dokáže odpovědět správný model.
„Kuchařka“ místo improvizace
„Matematické modely pro složité děje se dají vytvářet ad hoc, tedy pro každou situaci zvlášť. Takovýto přístup má však řadu nedostatků. Například je těžké zahrnout známá omezení, jako jsou zákony zachování hmoty, energie a podobně, a kromě jednoduchých případů není moc jasné, jak postupovat,“ vysvětluje Václav Klika, který působí na katedře matematiky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze.
S důvěrou v čtenáře tohoto článku hned navrhuje, aby si pro onen čaj zkusili sestavit „vzoreček“ a navrhli, jak ho modifikovat v případě, že by byl čaj navíc zespoda zahříván. Obtížnost úkolu by si tak mohli sami ověřit.
„V neposlední řadě se může stát, že autor v takovémto ad hoc modelu něco důležitého opomine, protože postupuje bez vodítek, která by mu poskytla širší teorie,“ varuje Václav Klika.
Jak dodává, při tvorbě modelů je možné se opřít o teoretický základ takzvané nerovnovážné termodynamiky. Tento fyzikální obor totiž systematicky popisuje děje, které nějakým vývojem směřují k rovnovážnému stavu, a zaměřuje se při tom na pozorovatelné jevy, takzvané fenomény. Jinými slovy nemusí zkoumat jejich příčiny na úrovni jednotlivých částic. V případě louhování čaje stačí popsat šíření barviva z místa s vyšší koncentrací barviva do místa s nižší koncentrací.
A co je důležité: model navržený v rámci nerovnovážné termodynamiky v sobě automaticky obsahuje základní fyzikální zákony, jako je zákon zachování hmoty nebo energie, ale i druhý zákon termodynamiky, takzvanou šipku času. Pokud je tento rámec správně používán, dramaticky se snižuje riziko chyb v návrhu modelu.
„Mluvíme o matematickém modelu, ‚vzorečku‘ popisujícím odezvu systému, který má však podobu soustavy parciálních diferenciálních rovnic. Tyto rovnice obecně matematicky reprezentují studovaný děj. Při vložení konkrétních parametrů dostaneme specifický popis vývoje odpovídající dané situaci,“ shrnuje Václav Klika ve zjednodušené formě modely, jimiž se zabývá.
Záhadný pohyb kloubů
Příkladem praktického využití je matematický model lidské chrupavky. Tato pojivová tkáň slouží například k pružnému spojení kostí v kloubech. Musí být tuhá, ale i pružná, aby při lidském pohybu dokázala přenášet zatížení, které je násobně větší než hmotnost člověka, a současně vyrovnávat otřesy a tlumit nárazy.
Pro správné pochopení funkce chrupavky je zásadní popsat její dynamické chování. „Kdyby model popisoval jenom klidový, stacionární stav chrupavky, zjistili bychom, že by vůbec nemohla plnit funkci, kterou má,“ uvádí Václav Klika. „Schopnost chrupavky přenášet zatížení by bez dynamických jevů spojených s prouděním tekutiny v ní spolu s transportem iontů byla řádově horší. Funkční model musí tyto jevy zachytit.“
Odpovídající model popisuje chrupavku jako směs pevné a kapalné látky, které se vzájemně ovlivňují. Konkrétně pak jeho pevná struktura odpovídá poréznímu prostředí (představme si houbu) a nese na sobě vázaný elektrický náboj. Touto strukturou proniká takzvaná synoviální tekutina, tedy viskózní bezbarvá tekutina, která obsahuje volně se pohybující ionty. Interakce mezi pevně vázaným nábojem v chrupavce a volnými ionty v tekutině zvyšuje schopnost tlumit zátěž.
Síla interakce zprostředkující tuhost odezvy chrupavky však závisí na rychlosti transportu iontů prouděním tekutiny porézním prostředí. Neboli odezva chrupavky závisí na přechodném, dynamickém, nerovnovážném stavu. V klidovém stavu silná tendence k elektroneutralitě rychle převáží a efekt by zmizel. Model proto musí zachytit nerovnovážný děj, aby správně popsal skutečnou funkci chrupavky.
Poznatky jsou užitečné pro pochopení správného fungování chrupavky, ale i třeba pro konstrukci umělých kloubních náhrad nebo prosté mechanické zátěžové testy chrupavky.
Skutečnost může vypadat neuvěřitelně
Další využití nerovnovážné termodynamiky při tvorbě matematických modelů vidí Václav Klika zejména při tzv. spřažených dějích, v nichž se jevy různé povahy navzájem neintuitivně ovlivňují. Vysvětlení: Máme třeba směs více než dvou látek. Jak jsme viděli u louhování čaje, látky mají tendenci rozptylovat se a vyrovnávat svou koncentraci, čemuž se říká difuze. Totéž intuitivně očekáváme i v dalších podobných situacích. Ale existují směsi, v nichž se může látka přechodně hromadit na jednom místě a nerozptylovat se. Podobné jevy stojí také třeba za separací izotopů uranu (tzv. Soretův jev) při jeho obohacování.
Správný termodynamický model tedy musí určit, co se doopravdy stane. A to i v tak složitých systémech, jako je například popis atmosférických jevů.
Největší radost? Najít chybnou teorii
Základní modely potvrdí něco, co už bylo známé z předchozích pozorování. Václava Kliku však více potěší, když se mu podaří vytvořit model, který na základě známých principů předpoví nové, nečekané chování, jež se pak následně ověří novým experimentem.
Ale za úplně nejpřínosnější považuje, když se mu podaří zjistit, že model dal předpověď, kterou pak experiment vyvrátí. „V tu chvíli jsme se dozvěděli něco nesmírně cenného: naše teorie, z níž model vychází, je chybná,“ vysvětluje. „Tohle poznání nám umožní zjistit, v čem jsme se mýlili, a nutí nás vytvořit lepší, přesnější teorii. Je to cesta, která vede skutečně dopředu.“
Ostatně jeho oblíbený filozof Karl Popper tvrdil, že falzifikace, kterou je v tomto případě míněna možnost modely vyvrátit, vymezuje vědu od pseudovědy. Z těchto důvodů je právě znalost omezení pro formulaci modelu základním kamenem při navrhování věrohodných modelů daného jevu. Takovýmto vhodným teoretickým rámcem je z pohledu Václava Kliky právě nerovnovážná termodynamika.
prof. Ing. Václav Klika, Ph.D.
Narodil se v roce 1983. Vystudoval Fakultu jadernou a fyzikálně inženýrskou ČVUT v Praze, kde také získal v roce 2009 doktorát. Působil jako výzkumník v Ústavu termomechaniky Akademie věd ČR a jako přednášející na jaderné fakultě. Tam se v roce 2016 stal docentem a v roce 2023 profesorem aplikované matematiky. Působil rovněž na univerzitách v Oxfordu, Cambridge, Berkeley a Zaragoze, a také ve Švýcarském federálním technologickém institutu v Curychu a Polytechnické škole v Montrealu.
Zabývá se zejména tvorbou matematických modelů na bázi nerovnovážné termodynamiky a užívá nástrojů matematické analýzy pro následný odhad jejich kvalitativního chování.
Za svou vědeckou práci byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Mezinárodní tým vedený Romanem Kouřilem z Univerzity Palackého popsal unikátní uspořádání fotosyntetického aparátu smrku. Ukázal, že jehličnany využívají odlišnou strukturní organizaci fotosystému II než kvetoucí rostliny – a to jim může dávat výhodu v extrémních světelných podmínkách.
Při fotosyntéze využívají rostliny sluneční energii a přeměňují oxid uhličitý a vodu na organické látky (hlavně cukry) a kyslík. Není překvapivé, že rostliny v závislosti na místě růstu volí odlišné strategie, aby co nejlépe využily světelné podmínky.
Na toto téma se zaměřuje biofyzik Roman Kouřil z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci, který se specializuje na strukturní výzkum fotosyntetických proteinových komplexů pomocí elektronové mikroskopie. Zaměřuje se především na studium uspořádání proteinů v jedné z klíčových komponent fotosyntetického aparátu, ve fotosystému II. Úkolem těchto proteinů je zachytit světlo, přeměnit ho na energii a tu předat dalším molekulám ve fotosyntetickém aparátu.
Příprava transgenních rostlin Arabidopsis thaliana
Protein Lhcb8 jako znak fotosystému II jehličnanů
Ve svém výzkumu se Roman Kouřil věnoval specifické strukturní organizaci fotosystému II u jehličnanů, v níž hraje významnou roli protein Lhcb8. Ten se u většiny krytosemenných rostlin objevuje pouze za určitých světelných podmínek, zatímco u smrku a dalších zástupců čeledi borovicovitých je trvalou součástí fotosystému II, nezávisle na osvětlení. Výzkumníci se proto zaměřili na to, jakou roli Lhcb8 hraje ve struktuře a funkčním uspořádání fotosystému II.
Pomocí kryogenní elektronové mikroskopie získali 3D strukturu fotosystému II ze smrku, která umožnila poprvé detailně popsat prostorové uspořádání proteinu Lhcb8 v rámci celého komplexu. Analýza ukázala, že u jehličnanů je Lhcb8 stabilní a charakteristickou součástí fotosystému II.
Uspořádání světlosběrného aparátu u jehličnanů vědci porovnávali s modelovým organismem – huseníčkem rolním (Arabidopsis thaliana). Ukázali, že u jehličnanů protein Lhcb8 zaujímá pozici, která je u krytosemenných rostlin obsazena proteinem Lhcb4, jenž jeběžnou součástí fotosystému II.
Odlišná strategie smrku a huseníčku
Po popisu struktury se vědci zaměřili na to, jak se rozdílné uspořádání fotosystému II promítá do chování rostlin při různém osvětlení. Zkoumali, zda se odlišné uspořádání fotosystému II může promítat do odlišné regulace fotosyntetického aparátu ve specifických světelných podmínkách ve srovnání s krytosemennými rostlinami.
Obě rostliny proto sledovali v rámci tzv. aklimatační studie. Pěstovali je v různých světelných podmínkách a porovnávali jejich fotosyntetickou odezvu. Pokusy odhalily, že smrk a huseníček uplatňují odlišné strategie regulace světlosběrného aparátu. „Smrk si například zachovává stabilní velikost antény a poměr fotosystému I a II, zatímco huseníček tyto parametry výrazněji přizpůsobuje aktuálním světelným podmínkám,“ shrnuje hlavní závěry docent Roman Kouřil.
Struktura fotosystému II ze smrku ztepilého (Picea abies) určená pomocí kryogenní elektronové mikroskopie
Pokusy s mutantními liniemi
V další fázi výzkumu se vědci snažili rozlišit, do jaké míry jsou rozdíly mezi fotosystémem II u jehličnanů a krytosemenných rostlin dány samotným složením světlosběrných proteinů a do jaké míry se na nich podílejí další regulační mechanismy vyvinuté v průběhu evoluce. U jehličnanů totiž přirozeně chybí i některé další světlosběrné proteiny, konkrétně Lhcb3 a Lhcb6, zatímco je zde trvale přítomen protein Lhcb8.
Výzkumníci proto připravili mutantní linie huseníčku rolního, u nichž se pokusili napodobit tuto kombinaci proteinů typickou pro jehličnany. „Tento směr výzkumu je pro nás klíčový i proto, že chceme pochopit evoluční adaptace rostlin na různé světelné podmínky,“ vysvětluje výzkumník.
Mutantní rostliny postrádající proteiny Lhcb3 a Lhcb6 a současně obsahující protein Lhcb8 však nevytvořily očekávané „smrkové“ uspořádání fotosystému II. „Je frustrující i fascinující zároveň, že se nám u huseníčku dlouhodobě nedaří napodobit smrkové uspořádání fotosystému II. Naznačuje to, že roli hrají i další, dosud neznámé faktory, které vznik této specifické struktury regulují,“ analyzuje docent Roman Kouřil.
Výsledky ukazují, že samotné složení světlosběrných proteinů nestačí k vytvoření specifické struktury fotosystému II u jehličnanů a že vznik této architektury je pravděpodobně řízen dalšími, dosud ne zcela známými faktory. Zjištění tak podtrhují komplexnost mechanismů, které jsou určující pro sestavování daného typu fotosyntetických komplexů u různých skupin rostlin.
Nevzdáváme se!
Výzkum struktury fotosystému II u jehličnanů tímto rozhodně nekončí. Vědecký tým Romana Kouřila se i nadále snaží pochopit, jaké další faktory stojí za tím, že se specifické „smrkové“ uspořádání fotosystému II nedaří jednoduše přenést do modelové rostliny huseníčku. „Máme k dispozici několik mutantních linií a zároveň i nové indicie, konkrétní faktory, které by mohly hrát zásadní roli při formování této specifické struktury,“ popisuje vědec, který strávil devět let ve výzkumné skupině elektronové mikroskopie na Univerzitě v Groningenu v Nizozemsku. Právě zde se začal systematicky věnovat strukturnímu výzkumu fotosyntetických proteinových komplexů.
V další fázi výzkumu plánuje pomocí kryogenní elektronové mikroskopie analyzovat také větší varianty smrkového fotosystému II, v nichž se mohou projevit další strukturní principy sestavování fotosyntetického aparátu typické pro jehličnany. Dlouhodobým cílem je porozumět, jakou evoluční výhodu mohly jehličnany díky odlišné struktuře tohoto komplexu získat. „Pokud se nám podaří smrkový typ struktury fotosystému II úspěšně rekonstruovat i u modelové rostliny, mohli bychom lépe porozumět tomu, jak se rostliny adaptují na různé světelné podmínky,“ uzavírá výzkumník. Tyto poznatky by pak mohly být inspirací při snahách o zvyšování efektivity fotosyntézy u kulturních plodin.
Snímek olomoucké výzkumné skupiny, která zahrnuje výzkumníky z katedry biofyziky a katedry experimentální biologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého, Ústavu experimentální botaniky AV ČR a z vědeckého centra CATRIN Univerzity Palackého (řešitel projektu Roman Kouřil vlevo dole)
Doktor Matouš Vobořil z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy ve svém projektu JUNIOR STAR zkoumá, jak se imunitní systém učí toleranci – tedy tomu, aby neútočil na vlastní tkáně. Vobořil se věnuje dění v brzlíku, konkrétně roli dendritických buněk, které „učí“ klíčové bílé krvinky, tzv. T-lymfocyty (T buňky), jak řídit a provádět cílenou imunitní obranu. Lepší pochopení těchto mechanismů může objasnit, proč někdy tolerance selže a vznikají autoimunitní onemocnění.
Projekt se zaměřuje na základní mechanismy fungování imunitního systému. Středobodem výzkumu je pak tzv. centrální tolerance – soubor procesů probíhajících v brzlíku zásadních pro správný vývoj T buněk. „Brzlík funguje jako přísné výcvikové středisko, kterým projde jen velmi malá část branců (T buněk). Ti jsou po úspěšném dokončení výcviku nejen připraveni bojovat proti různým patogenům, jako jsou bakterie a viry, ale zároveň jsou vytrénováni, aby neubližovali našemu tělu,“ vysvětluje Matouš Vobořil.
Výzkumný tým
V hlavní roli tranzitní dendritické buňky
Na správném vývoji T-lymfocytů se podílí spousta buněk imunitního systému, mezi nimi i tranzitní dendritické buňky, které jsou klíčovým prvkem výzkumu Matouše Vobořila. „Tyto buňky mají schopnost migrovat z místa zánětu do brzlíku a rychle cvičit nové T buňky, aby nereagovaly proti našemu vlastnímu tělu,“ přibližuje vědec jejich funkci.
Doktor Vobořil existenci těchto buněk v brzlíku objevil během postdoktorandského pobytu na Univerzitě v Minnesotě. V rámci svého projektu JUNIOR STAR na tento objev navazuje výzkumem jejich klíčové úlohy v procesech centrální tolerance a ochrany těla před autoimunitními onemocněními.
Výzkum autoimunity a nové terapeutické cesty
Precizně fungující procesy imunitního systému mohou být narušeny například dlouhodobým zánětem, typicky při virových infekcích. Nesprávná funkce brzlíku pak může vést ke vzniku autoreaktivních T buněk a následně k rozvoji autoimunitních onemocnění. Ty v posledních letech představují stále palčivější zdravotní problém, protože jejich výskyt neustále roste.
Detailní pochopení mechanismů chránících imunitní systém před selháním, na něž se projekt JUNIOR STAR zaměřuje, je proto klíčové pro vývoj nových terapeutických přístupů. „V tomto ohledu nám výrazně pomáhají zvířecí modely, u kterých můžeme geneticky měnit jednotlivé komponenty imunitního systému a zkoumat, jak tyto úpravy ovlivňují rozvoj autoimunitních onemocnění. Díky tomu lépe chápeme fungování jednotlivých mechanismů a hledáme možnosti jejich cílené manipulace,“ říká řešitel projektu Matouš Vobořil.
Mgr. Matouš Vobořil, Ph.D.
Matouš Vobořil působí na Katedře buněčné biologie Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy, kde vede vlastní výzkumnou skupinu. Na projektu spolupracuje i s dalšími kolegy, a to jak z imunologických, tak i neimunologických skupin, které na fakultě působí. Klíčové zkušenosti pro úspěch v soutěži JUNIOR STAR získal v zahraničí, kdy kromě čtyř let na Univerzitě v Minnesotě absolvoval také měsíční pobyt na Weizmannově institutu v Izraeli. Tyto pobyty mu pomohly osvojit si různé vědecké metody a různé přístupy k vedení týmu.
Makromolekulární chemik Peter Košovan z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy propojuje teoretické modely, počítačové simulace a laboratorní experimenty. Zkoumá, jak se náboj velkých molekul mění v závislosti na pH a jak tyto změny ovlivňují jejich chování.
Peter Košovan se svými kolegy studuje principy, podle kterých fungují interakce mezi nabitými makromolekulami (velkými molekulami). Zaměřuje se především na případy, kdy jsou experimentálně pozorované interakce ve zdánlivém rozporu s chemickou intuicí a obecně známými pravidly. Například proč některé experimenty naznačují přitažlivé interakce mezi stejně nabitými molekulami, které by se měly přirozeně odpuzovat. „Už během magisterského studia jsem se chtěl věnovat teorii, simulacím a experimentům současně. To se ukázalo jako úkol vysoko nad možnosti jednoho studenta, proto trvalo dalších zhruba 15 let, než se mi to povedlo úspěšně realizovat,“ popisuje výzkumník.
Zajímá ho, jakým způsobem se při interakci mezi molekulami mění jejich náboj tak, aby tato interakce byla energeticky výhodná, a jak toho lze dosáhnout pomocí změny pH v roztoku. Při interpretaci většiny chemických experimentů se obvykle vychází z předpokladu, že náboj molekul se při jejich vzájemné interakci nemění. „Naše teoretické modely i experimenty však ukazují, že v mnoha případech je tomu jinak. Nejenže náboj molekul určuje jejich vzájemné interakce, ale funguje to i obráceně: interakce mezi molekulami také ovlivňují jejich náboj,” vysvětluje Košovan.
Makroskopicky se změna mezimolekulových interakcí projeví například vysrážením z roztoku, změnou skupenství nebo rozdělením na různé fáze.
Biomolekuly jsou také makromolekuly
Výsledky výzkumu Petera Košovana ukazují, že modely, které používá pro vysvětlení chování syntetických polymerů, lze použít také na vysvětlení chování biomakromolekul – peptidů a proteinů. „Je vždy velmi zajímavé pozorovat jev předpovídaný na základě jednoduchého teoretického modelu také v reálném experimentu. Ještě zajímavější je, když za mnou přijdou kolegové se zdánlivě nečekaným experimentálním pozorováním a já jim mohu říci, že už mám jednoduchý model, který to vysvětluje,“ říká o výzkumu, na němž spolupracoval s kolegy z německého Stuttgartu, Nizozemska, Rakouska, Norska a dalších zemí.
Vše začalo v roce 2018, kdy za Petrem Košovanem přišli kolegové z Nizozemska s dotazem, zda by dokázal vysvětlit, jakým mechanismem se různě nabité proteiny akumulují uvnitř tzv. polyelektrolytových koacervátů. Ty se připravují smícháním dvou opačně nabitých polymerů, přičemž vzniknou dvě kapalné fáze – jedna obsahuje polymery, druhá převážně vodu. Nizozemští kolegové vypozorovali, že v případě dvou téměř identických proteinů, které se liší jen nábojem několika málo skupin, se jeden z nich hromadí v polymerní a druhý ve vodní fázi. Po změně pH si oba proteiny vymění role. „Věděl jsem, že proteiny modelovat neumíme, ale měl jsem nadaného studenta, a tak jsem se rozhodl vzít to jako výzvu. Student Roman Staňo tehdy výzvu přijal a stala se tématem jeho diplomové práce, za kterou později dostal cenu od firmy Contipro.“
Vlevo: molekulární model pro simulace fázové rovnováhy mezi polyelektrolytovým koacervátem (PEC) a supernatantem (roztokem, který obsahuje pouze malé ionty); Vpravo: fotografie skutečného koacervátu v rovnováze se supernatantem, jehož chování jsme studovali pomocí simulací i experimentů. (Obrázky z publikace, Autor: Dr. Roman Staňo)
Výzkumníci během pěti let vytvořili model, který vysvětlil jevy pozorované v experimentu, a navrhli nové experimenty potvrzující předpovědi modelu. Tento příklad ukázal, že jednoduché modely běžně používané pro syntetické polymery složené ze stejných opakujících se jednotek mohou vysvětlit i chování proteinů, jejichž vlastnosti jsou určeny složitou sekvencí různých aminokyselin.
„Úspěch s pochopením chování proteinů nás motivoval a začali jsme zkoušet, jak daleko lze s jednoduchými modely zajít. Oslovili jsme kolegy ze skupiny Soft Matter, zakoupili speciální peptidové sekvence a začali zkoumat, jak spolehlivě naše modely dokážou předpovědět náboj těchto peptidů při různém pH,” popisuje vědec. Ukázalo se, že modely předpovídají náboj peptidů velmi dobře. Často se od experimentů odchylují méně, než činí neurčitost samotného experimentu. To se později potvrdilo pro řadu různých vzorků peptidů i syntetických polymerů.
Od kapek v buňce k modelům pro medicínu
Přibližně ve stejné době, kdy se tým Petra Košovana začal zabývat proteiny v syntetických koacervátech, se ukázalo, že podobná fázová separace probíhá i v živých buňkách: vznikají zde kapičky s vysokou koncentrací proteinů – bezmembránové organely (biomolekulární kondenzáty). Ty lokálně zvyšují koncentraci vybraných molekul, posouvají termodynamickou rovnováhu a umožňují tak reakce, které by mimo kondenzát neprobíhaly, což připomíná chování koacervátů.
Vznik kondenzátů navíc dobře popisují klasické modely fázové separace polymerů z 50. let, protože v kondenzátech často dominují nestrukturované, flexibilní a mnohdy silně nabité proteiny blížící se polymerům. V poslední dekádě se proto rozvíjí směr, který tyto zavedené teorie využívá k předpovědi různých jevů v kondenzátech – mimo jiné vlivu pH, kde důležitou, ale těžko měřitelnou veličinu představuje rozdíl mezi pH uvnitř kondenzátu a vně.
Koloidní nanočástice jako zjednodušený model pro interakce globulárních proteinů v roztocích při různém pH. Červené a modré tečky představují kyselé a bazické skupiny, jejichž náboj se mění v závislosti na pH. Změna náboje ovlivňuje tendenci částic k agregaci, která vede k jejich vysrážení z roztoku. (Nepublikováno, Autor: Dr. Sebastian Pineda Pineda; video)
Na tuto mezeru cílí Košovanovy nové projekty: modely ověřené na syntetických polymerech a peptidech by mohly pomoci predikovat pH a chování biomolekulárních kondenzátů i koncentrovaných roztoků globulárních proteinů, například terapeutických monoklonálních protilátek zahušťovaných až na hranici rozpustnosti. V membránových separacích je volba pH zásadní a kvůli Donnanově rovnováze se pH na straně proteinového roztoku může lišit od pufru. Protilátky jsou velmi drahé, takže optimalizace složení pufru a jeho pH metodou pokus-omyl je nákladná a neefektivní; vhodný model by umožnil odhadnout optimální podmínky, aby se protein nevysrážel.
Košovan zároveň popisuje, že smyslem modelování je posouvat základní porozumění směrem k aplikacím – například u elektroadheze, kde nízké napětí umožní „zapínat a vypínat“ adhezi mezi hydrogely či hydrogelem a tkání. Elektroadheze má slibné využití například v chirurgii, ale zatím chybí znalost jejího mechanismu, bez které jsme zase odkázáni na metodu pokus-omyl. Pochopení mechanismu elektroadheze je dalším z projektů, které Peter Košovan se svým týmem řeší v nově vzniklé výzkumné skupině MakroMolekulárního Modelování (MaMoMo).
Pandemie COVID-19 ukázala, jak jsme zranitelní vůči nečekaným virovým hrozbám. V rámci svého projektu JUNIOR STAR si Jiří Zahradník z 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy klade za cíl porozumět, jak se koronaviry vyvíjejí, a najít způsob, jak zabránit dalším epidemiím.
Zablokovat vir dříve, než vstoupí do buňky
Nápad na originální výzkum dostal doktor Zahradník již na počátku covidové pandemie. Kolegové z jeho oboru se běžně zabývali obzvláště vývojem protilátek, on se však rozhodl jít jiným směrem.
„Napadlo mě, co kdybychom využili vazebné domény koronaviru? Tuto doménu si lze představit jako klíč, kterým virus proniká do buněk. Úpravou této domény bychom mohli získat nejen silný inhibitor bránící viru, ale také nové poznatky o samotné biologii viru,“ popisuje Jiří Zahradník svou původní myšlenku, která spočívá v zablokování viru ještě předtím, než vstoupí do buňky.
Přiznává, že jeho nápad nebyl ve vědecké komunitě vždy přijímán s nadšením a někteří o jeho přínosu pochybovali. „Ale já jsem byl dostatečně tvrdohlavý. A ukázalo se, že ta cesta měla smysl. Nejenže jsme byli schopni vyvinout varianty vazebné domény účinně blokující virus, ale získali jsme i cenné informace o plasticitě virových interakcí a možných budoucích mutacích viru,“ dodává.
Kudy půjde evoluce viru?
Na své přechozí výsledky doktor Zahradník navazuje v projektu JUNIOR STAR. „Aby se viry do buněk dostaly, používají na svém povrchu tzv. Spike protein, kterým se vážou na specifické bílkoviny (receptory) na povrchu lidských buněk. Nejznámějším takovým receptorem je ACE2, známý z viru SARS-CoV-2. Koronaviry však umí využít i jiné ‚vstupní brány‘ – i takové, o kterých zatím ani nevíme,“ představuje klíčovou výzvu Jiří Zahradník.
Se svým týmem se zaměřuje právě na tyto virové proteiny a pomocí moderních laboratorních metod řízené evoluce na povrchu kvasinek sleduje, jak se za různých podmínek mění vazba mezi virem a jeho receptorem. Takto je výzkumný tým schopen testovat tisíce variant současně.
Výstupem testů je „mapa možností“, která ukazuje, kam může virus evolučně směřovat. „Cílem mého projektu je zjistit, jak se jednotlivé varianty koronaviru mění, jakým způsobem vstupují do lidských buněk, a predikovat, jaké nové mutace nebo viry by se mohly objevit v budoucnu,“ vyjmenovává hlavní cíle Jiří Zahradník.
Výzkumný tým
Rychlejší vývoj vakcín a nové výzkumné metody
Mezinárodní tým vědců z různých zemí tak může zásadně urychlit vývoj budoucích vakcín i léčby. Dnes se nové vakcíny připravují až ve chvíli, kdy se virus objeví a začne šířit mezi lidmi. Pokud se však podaří lépe porozumět, jak virus „pracuje“ a jak mutuje, můžeme být příště o krok napřed.
Kromě toho doktor Zahradník se svými kolegy a kolegyněmi v rámci projektu vyvíjí nové nástroje a metody, které usnadní budoucí výzkum nejen koronavirů, ale i jiných patogenů.
„Výsledky naší práce budou dostupné všem v režimu Open Science a pevně věříme, že se dostanou do rukou i odborníkům na vývoj léčiv a vakcín a vytvoří tak podklad pro jejich vlastní výzkum a případné změny v přístupu, které mohou vést až k praktickým výstupům,“ uzavírá řešitel projektu.
RNDr. Jiří Zahradník, Ph.D.
Jiří Zahradník vede vlastní skupinu v Laboratoři proteinového inženýrství 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy. Už během doktorského studia se zabýval interakcemi proteinů imunitního systému a jejich modulací. V rámci pětileté postdoktorské stáže na Weizmannově institutu v Izraeli se zaměřil na nespecifické interakce v buňce, tedy ty, které jsou nežádoucí a představují chyby. Pro odhalení mechanismů, které tyto interakce regulují, vyvinul citlivější metodiku umožňující analyzovat velké množství interakcí najednou. Klíčovou technikou, kterou výrazně inovoval a upravil, se stal tzv. kvasinkový displej („yeast display“). Právě s touto metodou nyní pracuje v projektu JUNIOR STAR.
Einsteinův slavný vzorec E = mc2 popisuje vztah mezi energií a hmotou. Jeho pravdivost se dokazuje například při spojení dvou nebo více fotonů, tedy částic světla, kdy dochází ke vzniku hmoty. Ve svém projektu JUNIOR STAR se Martin Jirka z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického snaží najít způsob, jak co nejefektivněji přeměnit energii laserového světla (elektromagnetického vlnění) na částice hmoty (elektrony) a jejich antičástice (pozitrony).
Řetězová reakce v laserovém poli
Proces přeměny energie na hmotu začíná tím, že elektrony vystavené velmi silnému laserovému světlu vyzařují světelné částice, fotony. Ty pak interagují se stejným laserovým polem a za určitých podmínek se z této interakce vytvářejí nové hmotné částice – elektrony a pozitrony. Nově vzniklé částice následně také vyzařují fotony. Celý proces se tak opakuje a postupně zesiluje.
Samotné laserové světlo však nové částice z interakční oblasti vytlačuje, což může celý proces zpomalit, nebo dokonce zastavit. „Zjistili jsme ale, že když správně upravíme tvar laserového impulsu, dokážeme všechny částice udržet pohromadě v interakční oblasti, a tím značně zvýšit množství vzniklé hmoty – dokonce o několik řádů v porovnání s předchozími možnostmi,“ uvádí Martin Jirka.
Správný tvar laserového pole
V rámci projektu JUNIOR STAR se vědecký tým snaží vytvořit nové řešení umožňující efektivnější přeměnu laserového světla na hmotu. „Koncept, na kterém v rámci projektu pracujeme, by umožňoval velice efektivně přeměňovat laserové světlo na hmotu a bylo by možné ho v budoucnu experimentálně realizovat,“ představuje doktor Jirka hlavní cíl podpořeného projektu. Vědecký tým zjistil, že správné nastavení laseru nejen zabraňuje vytlačování elektronů a pozitronů, ale také výrazně snižuje potřebný prahový výkon laseru k zahájení celého přeměnného procesu, a to minimálně stokrát oproti dosavadním předpokladům.
Výsledky projektu umožní laboratorně studovat jevy kvantové elektrodynamiky, které jsou jinak přítomné pouze v extrémních astrofyzikálních prostředích. Pomohou tak například lépe pochopit děje odehrávající se v blízkosti černých děr.
„S mým vědeckým týmem v rámci projektu pomocí superpočítačů navrhneme optický systém tvořený vhodně tvarovanými laserovými impulsy pro efektivní přeměnu světla na hmotu. Na základě numerického modelu následně navrhneme experimentální uspořádání pro dosažení účinné generace elektron-pozitronových párů,“ dodává na závěr další ambiciózní cíl projektu Martin Jirka.
Ing. Martin Jirka, Ph.D. (foto BcA. David Březina)
Martin Jirka působí na Katedře laserové fyziky a fotoniky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického v Praze. V současnosti vede vlastní výzkumnou skupinu zaměřenou především na kvantově-elektrodynamické jevy, které se projevují v extrémních astrofyzikálních prostředích, například v blízkosti černých děr, a které bude možné experimentálně zkoumat v moderních laserových laboratořích
Znečištěná půda dokáže ohrozit celý potravní řetězec. Vědci z České zemědělské univerzity proto testují, zda železné nanočástice dokážou „uzamknout“ toxické prvky v půdě a zabránit jejich dalšímu šíření. Výsledky ukazují, že tato metoda může být překvapivě účinná i ekonomicky smysluplná.
Oblasti, kde se po staletí zpracovávají kovy, jsou znečištěné emisemi rizikových prvků. Škodlivé chemikálie pronikají do vody a půdy, odkud se dále dostávají do rostlin, a v konečném důsledku mohou kontaminovat celý potravní řetězec a podzemní vody. Tato tak zvaná industriální zátěž je celosvětovým problémem a mnoho vědeckých týmů hledá cesty, jak zmírnit její následky a obnovit postižené oblasti.
Kvůli finančním nákladům nebo rozsahu poškozeného území často není možné kontaminanty z půdy oddělit nebo znečištěnou zeminu kompletně odtěžit. Jednou z účinných a zároveň šetrných metod je proto tzv. stabilizace, během které dochází ke znehybnění znečišťujících látek v půdě. Proto se tým vedený Michaelem Komárkem z České zemědělské univerzity v Praze zaměřil na studium látek, které dokážou kontaminanty pevně vázat (tzv. sorbentů). Vědci testovali, jak železné nanočástice dokážou tyto látky stabilizovat.
Proč laboratorní výsledky nestačí
Výzkumníci ve své práci kombinují data z dlouhodobých laboratorních i terénních experimentů, což činí jejich výzkum výjimečným. Kromě konvenčních analytických technik využívají také pokročilé metody izotopové geochemie a studium povrchových vlastností a mechanismů pomocí analýz na synchrotronu (urychlovači částic).
V rámci projektu se zaměřili na stabilizační potenciál nanočástic železa v dlouhodobém horizontu, a to i ve spojení s tzv. biocharem – uhlíkatým materiálem z biomasy, který zlepšuje půdní vlastnosti. „Naše výsledky ukázaly, že velikost částic nehraje až tak zásadní roli a použití větších částic může být ekonomicky výhodnější. Také jsme si ověřili, že jsme schopni vyvinout pokročilé mechanistické modely, které dokážou predikovat adsorpci a stabilizaci kovů a metaloidů na těchto částicích,“ popisuje Michael Komárek nejdůležitější závěry výzkumu.
Jak výzkum pomůže v terénu i praxi
Při výzkumu tým myslí i na to, aby byly výsledky dobře přenositelné do praxe. „Fascinuje mě svět v nanoměřítku a stále mě překvapuje, jak je příroda nevyzpytatelná. Třeba když dlouhé měsíce experimentujete v laboratorních podmínkách, dosáhnete konkrétních výsledků, a v terénu je nakonec všechno jinak.“
Projekt spadá do oblasti základního výzkumu, kde je zásadní pochopení a predikce klíčových procesů odpovědných za záchyt kontaminantů v půdě. Přenos znalostí do aplikované sféry je ale dalším nezbytným krokem. Metoda totiž musí být zároveň účinná a ekonomicky zajímavá. Výzkumníci proto potřebují nejen pochopit, co se děje po aplikaci stabilizačních činidel do půdy, ale také vyhodnotit ekonomické benefity.
„To je v současné době asi největší úkol. Nicméně pro rozsáhlé kontaminované lokality se tato metoda jeví jako perspektivní, protože často není možné veškerou kontaminovanou zeminu odtěžit a odvézt (tzv. dig-and-dump) a je nutné řešit problém na místě,“ nastiňuje Michael Komárek další směřování výzkumu. „Budeme pokračovat v terénních experimentech. V současné době máme podaných několik evropských projektů zaměřených na tzv. pilotní lokality a věříme, že budeme moci v této práci pokračovat,“ dodává.
Od geochemie k ekologické obnově krajiny
Michael Komárek vystudoval geochemii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy a doktorské studium, ve kterém se zabýval metodami fytoremediace, absolvoval na České zemědělské univerzitě v Praze. Po několika letech strávených ve Francii a USA nyní působí jako děkan na Fakultě životního prostředí ČZU.
„Nemůžeme si nevšimnout vlivu, který má lidská činnost na životní prostředí. Náš výzkum, základní i aplikovaný, má zcela jasný potenciál pro budoucí rehabilitaci půd, které jsou z důvodu znečištění problematické nebo nevyužitelné pro zemědělskou produkci,“ popisuje Komárek svou motivaci k dalšímu výzkumu.
„Na řadě obdobných témat spolupracujeme i s privátní sférou, například s dekontaminačními firmami. První kroky směřují k identifikaci a popisu základních nejen geochemických mechanismů, které jsou pro stabilizaci kontaminantů klíčové, ale i vlivu rostlin a mikroorganismů. Jen tak pochopíme, jak sorbenty upravovat a následně aplikovat v reálných podmínkách. To je běh na hodně dlouhou trať,“ uzavírá.
Plasty jsou nedílnou součástí našeho každodenního života. I přes snahu o snižování jejich spotřeby nebo třídění však vzniká obrovské množství plastového odpadu. Vědci tak hledají alternativy, které by byly stejně praktické, ale zároveň šetrné k přírodě. Jedním z nich je i Karel Sedlář se svým mezioborovým týmem z Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií a Fakulty chemické Vysokého učení technického v Brně, který se v rámci svého projektu JUNIOR STAR snaží změnit způsob, jak o plastech přemýšlíme – a to doslova od základů.
Bioplasty z bakterií
Kromě známých plastů vyráběných z ropy existují také tzv. bioplasty, tedy plasty vytvořené živými organismy, a to často těmi nejmenšími – bakteriemi.Projekt JUNIOR STAR podpořený GA ČR se věnuje bakteriím produkujícím speciální polymery zvané PolyHydroxyAlkanoáty(PHA). Jedná se o speciální plastové materiály, které tyto bakterie přirozeně vyrábějí a které jsou potenciálně plně biologicky rozložitelné.
„Současná recyklace plastů je založená na tom, že vybrané použité plasty rozdrtíme, roztavíme a přetvoříme je do nového tvaru. Tento cyklus ale nejde opakovat donekonečna. Při každé této úpravě se materiál postupně ničí a ztrácí své původní vlastnosti,“ vysvětluje nedostatky běžných plastů Karel Sedlář.
Na rozdíl od klasických petrochemických plastů jsou PHA bakteriemi nejen vytvářeny, ale i rozkládány zpět na základní stavební bloky – uhlík, vodík a kyslík. Z nich je pak tedy možné syntetizovat zcela nový materiál pro další použití.
„Chceme lépe pochopit, jak tyto bakterie přírodní plasty vytvářejí a jak je dokážou znovu rozložit. Proto v našem projektu JUNIOR STAR zkoumáme miliony známých mikrobiálních genomů a navíc sekvenujeme genomy nové. Hledáme v nich konkrétní geny bakterií, které vytváří enzymy zodpovědné za tvorbu PHA. Tyto geny pak klasifikujeme podle vlastností bioplastů vytvářených těmito enzymy. Naším cílem je vytvoření praktické encyklopedie umožňující ostatním vědcům cíleně vyhledávat bakterie produkující konkrétní typy plastů,“ uvádí ambice projektu docent Sedlář.
Týmová fotka skupiny Bioinformatika a systémová biologie (BioSys_BUT), skupina se neustále rozrůstá a nyní už má o čtyři členy více.
Lepší pochopení procesů na molekulární úrovni
Biologicky produkované plasty již lze i koupit – existují specializované firmy zabývající se výrobou biopolymerů, avšak takovéto plasty nejsou finančně konkurenceschopné vůči klasickým petrochemickým plastům. Současný biopolymerní průmysl i výzkum totiž stále staví pouze na fenotypu, tedy na pozorovatelných znacích, a nesnaží se o hlubší pochopení dějů na molekulární úrovni.
„V mém projektu se na celou problematiku snažíme dívat mezioborově – propojujeme makromolekulární chemii s genomikou a bioinformatikou. Rád bych, aby jak polymeráři, tak biologové začali celou věc chápat v širších souvislostech a aby výzkum biologicky produkovaných plastů vstoupil do úplně nové éry,“ dodává Karel Sedlář.
Zahraniční partneři
Zájem o výzkum docenta Sedláře projevila nizozemská společnost Paques Biomaterials, která již PHA bakteriálně produkuje. Tato inovativní společnost se věnuje výzkumu biodegradabilních alternativ k současným plastům. Ta však není jediným zahraničním subjektem, který bude na projektu participovat.
„Už během studia jsem navázal různé zahraniční spolupráce a během celé své kariéry v nich pokračuji a dál buduji nové. Na prvním vědeckém článku, který je výsledkem řešení projektu už v jeho prvním roce, jsme spolupracovali s týmem prof. Eveline Peeters z VUB v Bruselu,“ vyzdvihuje úspěšnou mezinárodní spolupráci Karel Sedlář.
doc. Mgr. Ing. Karel Sedlář, Ph.D.
Docent Sedlář působí v Ústavu biomedicínského inženýrství Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně, kde se kromě výzkumu věnuje také výuce – je garantem magisterského studijního programu Biomedicínské inženýrství a bioinformatika. Během postdoktorské fáze vyvíjel nástroje na anotaci mikrobiálních genomů na Univerzitě Ludwiga Maxmiliána v německém Mnichově. Karel Sedlář je také zapáleným zahrádkářem, který se ale kromě pěstování rajčat, paprik a dýní předně orientuje na ovoce a jeho fermentaci, připravuje například vlastní burčák, víno a různé druhy pálenek a likérů.
Matematické disciplíny bývají často vnímány jako strašák. Pokud však člověk strach překoná, nebo dokonce v matematice najde pochopení, může v ní objevit skryté krásy. Například takové, které nám umožňují zabývat se reálnými úlohami ze světa kolem nás a hrát si s nimi. Pomocí různých funkcí, rovnic nebo nerovnic dokážeme popisovat a řešit skutečné problémy. Matematické modelování a optimalizace představují disciplínu zabývající se řešením úloh, které si sami zformulujeme. Tyto formulace, modely i samotná řešení úloh jsou pak pouze tak kvalitní, jak jsme sami dovedli zrealizovat a spočítat nebo jak přesně jsme počítači dokázali říci, co po něm chceme.
Dušan Hrabec z Fakulty aplikované informatiky Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně se v rámci Juniorského projektu, který řešil v letech 2020 až 2022, zabýval vývojem matematických modelů a optimalizačních metod využitelných zejména pro odpadové hospodářství. S jejich pomocí například s týmem zkoumali, jak naplánovat trasy pro svoz odpadu nebo jak optimalizovat rozmístění i kapacity zpracovatelských zařízení nebo samotných kontejnerů a košů.
Logistika v odpadovém hospodářství
Vědci se ve spolupráci s dalšími kolegy, zejména z VUT v Brně, zabývali matematickým modelováním logistických, převážně lokačních úloh z oblasti odpadového hospodářství. Zkoumali interakce mezi množstvím vyprodukovaného odpadu a logistickým plánováním, tedy jak vyprodukované množství ovlivní kapacitní možnosti plánovaných nebo stávajících zařízení. Nicméně nejen množství, ale třeba i složení odpadu jsou složitě předvídatelné veličiny. Jedním z hlavních úskalí těchto úloh je modelování samotné produkce. Nabízí se tedy otázka, zda mohou tyto veličiny být považovány za deterministicky známé, nebo je třeba je komplexně modelovat a odhadovat.
Tyto úlohy mohou být rozlišovány z pohledu dostupnosti potřebných informací v době, kdy dochází k rozhodování, tedy k realizaci toho, co nám matematický model dává za výsledek. Buď jsou nám všechny informace známé a mluvíme o deterministickém charakteru úlohy, anebo je neznáme a snažíme se je modelovat. Například množství nebo složení odpadu, které bude spalovna zpracovávat, zřejmě v okamžiku její výstavby neznáme. Pak se matematický model dá sestavit stochasticky, čímž se více blíží realitě. Z výzkumného hlediska je pak zajímavější, a tedy složitější nejen k formulování, ale zejména k řešení.
Ilustrativní výsledky tzv. lokačně-alokačních úloh pro optimální rozmístění zpracovatelských center
Vědcům se podařilo sestavit a vyřešit několik různých matematických modelů pro tyto typy lokačních úloh, ve kterých řešili, jak optimálně rozmístit zpracovatelská centra, popř. jak navrhnout síť sběrných nádob. Jelikož takové modely vedou zpravidla na úlohy celočíselného charakteru, jsou výpočetně složité zejména vzhledem k jejich kombinatorické povaze. V závislosti na vlastnostech modelu se pak navíc jedná buď o tzv. smíšené celočíselné lineární modely, nebo o modely smíšené celočíselné nelineární. Kolektivu z UTB se podařilo efektivně namodelovat i vyřešit oba dva druhy modelů. Podařilo se jim také navrhnout způsob pro řešení úloh velkých rozměrů tzv. clusterováním, tedy dělením velkých a těžko řešitelných úloh na menší celky.
Optimalizační model pro lokační úlohu vyřešený pomocí kombinace clusteringových a optimalizačních algoritmů
Výsledky se zahraničním přesahem
Výsledky byly nejprve prezentovány na prestižních mezinárodních vědeckých konferencích a posléze publikovány v předních časopisech z oblasti operačního výzkumu, logistiky a odpadového hospodářství. Týmu se podařilo dosáhnout dokonce vyššího počtu výsledků a publikací, než bylo původně předpokládáno v projektové žádosti.
Některé úlohy a úkoly byly řešeny ve spolupráci se zahraničními pracovišti, se kterými doktor Hrabec spolupracoval již v minulosti. Jednalo se například o vědce z norské univerzity v Molde, kteří jsou experty jak na tvorbu matematických logistických modelů, tak na řešení a vývoj vhodných algoritmů pro zmíněné lineární celočíselné úlohy, nebo o odborné konzultace s vědci z Vídeňské univerzity v oblasti vývoje algoritmů pro řešení komplexních úloh.
Prezentace výsledků na konferenci EURO (červenec 2022, Helsinky, Finsko)
D. Hrabec, Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně
CESTA K MODELŮM Z OBLASTI LOGISTIKY A ODPADOVÉHO HOSPODÁŘSTVÍ
Dušan Hrabec měl zálibu v matematice už od mala. Později, během studia matematického inženýrství na Vysokém učení technickém v Brně, tíhl k matematice aplikované. Sáhnout si na to, co člověk spočítal, pro něj mělo své kouzlo. V magisterském studiu se pak během Erasmu na logistické škole v Norsku, tzn. v zemi, kde příroda, svět kolem nás a logistika jdou ruku v ruce, utvrdil v tom, že se chce věnovat matematickému modelování a optimalizaci. Následoval doktorát z aplikované matematiky, zaměřený již na zmíněnou aplikační oblast logistiky, mezinárodní stáže a kontakt s věhlasnými profesory a výzkumníky se stejnou oblibou a specializací. V neposlední řadě mu byli inspirací a motivací kolegové z VUT, jeho alma mater, kteří tíhli k logistice aplikované na odpadové hospodářství, což vyústilo ve zmíněný juniorský grant zaměřený právě na tuto oblast.
Kvantové technologie v budoucnu přinesou zásadní změny v oblasti výpočetní techniky, komunikace nebo vývoje léčiv. Aby však mohly naplnit svůj potenciál, jsou potřeba spolehlivé nástroje, které dokážou přesně sledovat a vyhodnocovat jejich chování. Právě proto vyvíjí Dominik Šafránek z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy ve svém projektu JUNIOR STAR GA ČR nové diagnostické metody určené pro kvantové technologie.
Když klasické metody nestačí
Kvantové technologie využívají jevy, které se vymykají běžné představě. Zatímco klasické počítače pracují s bity, které mohou být buď 0, nebo 1, kvantové počítače používají qubity – ty mohou být oběma hodnotami současně. Tato vlastnost otevírá možnosti, jaké běžná výpočetní technika nabídnout nedokáže, ale zároveň výrazně ztěžuje měření a kontrolu.
Dnešní diagnostické metody totiž vycházejí z klasických statistických přístupů, které byly navrženy pro zcela jiný typ systémů. Jakmile se zvýší počet qubitů, začínají tyto postupy selhávat – jsou příliš pomalé a neposkytují dostatečně přesné výsledky.
Adaptivní měření: nový princip kontroly kvantových systémů
Dominik Šafránek a jeho tým proto v rámci projektu JUNIOR STAR pracují na vývoji nové metody, která vychází z nedávno objevené kvantové Bayesovy věty. Jde o adaptivní přístup, v němž se způsob měření v reálném čase upravuje na základě již získaných dat. Místo pevně daného postupu se měření „učí“ a zefektivňuje, což umožňuje rychlejší a přesnější diagnostiku.
Nová diagnostická metoda má potenciál v budoucnu zásadně ovlivnit ověřování kvantových algoritmů, detekci chyb nebo vývoj kvantově zabezpečené komunikace. „Úspěšný rozvoj této metody výrazně zrychlí pokrok v kvantových technologiích a zvýší jejich spolehlivost. Díky přesné diagnostice bude možné předvídat a eliminovat chyby, což otevře nové možnosti například v chemii – místo časově náročných laboratorních experimentů budou kvantové počítače schopné rychle simulovat vlastnosti tisíců látkových sloučenin. To může zásadně urychlit vývoj nových léčiv i dalších materiálů,“ konstatuje Dominik Šafránek.
Kontrola chyb pro uvedení do praxe
Přesná diagnostika je klíčovou podmínkou pro úspěšné zavedení kvantových technologií do praxe. Právě schopnost odhalit a předcházet chybám rozhodne o tom, zda se kvantové počítače a senzory uplatní nejen v chemii a materiálovém výzkumu, ale také například v medicíně. Projekt tak může přispět k vývoji zařízení, která budou nejen výkonná, ale také spolehlivá a stabilní – což je jedna z největších překážek současné kvantové technologie.
doc. Dominik Šafránek, Ph.D.
Dominik Šafránek je fyzik věnující se kvantové informatice, kvantové metrologii, kvantovým bateriím, termalizaci kvantových systémů a konceptu entropie. V současnosti vede vlastní výzkumný tým na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. V minulosti působil na univerzitách a vědeckých institucích ve Velké Británii, Rakousku, USA a Jižní Koreji. Do České republiky se vrátil i díky úspěchu ve vysoce výběrové soutěži GA ČR JUNIOR STAR. Mezi jeho další zájmy patří psychologie, sociologie, ekonomie, akciové trhy a automatizované plánovací modely. Ve volném čase se věnuje outdoorovým sportům, tanci nebo hře na klavír.
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.
Výzkumný tým
