Grantová agentura České republiky (GA ČR) v loňském roce podpořila 30 projektů, které jako první uspěly v grantové soutěži JUNIOR STAR. Na projekty vědci získali od GA ČR až 25 milionů korun. Cílem JUNIOR STAR je zlepšit začínajícím vědcům podmínky pro výzkum v České republice.
Projekty JUNIOR STAR jsou zaměřeny na podporu excelentního základního výzkumu. Poskytují příležitost začínajícím vědcům dosáhnout vědecké samostatnosti a případně i vybudovat novou vědeckou skupinu s moderním vybavením. Řešitelé a řešitelky byli vybráni výhradně zahraničními odborníky na základě několikakolového výběrového procesu. Granty jsou určeny badatelům, kteří dokončili doktorát maximálně před osmi lety, již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají za sebou významnou zahraniční zkušenost.
Pokračujeme v seriálu, v kterém vás pravidelně seznamujeme s podpořeným projekty JUNIOR STAR. V druhém díle můžete nahlédnout pod pokličku dalších unikátních vědeckých projektů.
ÚLOHA AIRE-PRODUKUJÍCÍCH ILC3 BUNĚK V REGULACI TH17 ODPOVĚDI
Mgr. Jan Dobeš, Ph.D., Přírodovědecká fakulta Univerzity Karlovy
„Čím více budeme rozumět jednotlivým procesům imunitního systému a tomu, jak do sebe zapadají, tím lépe jsme schopni efektivněji cílit léčbu v případě, že náš imunitní systém z nějakého důvodu funguje špatně nebo reaguje neadekvátně.“
Jan Dobeš zkoumá s týmem tzv. antigen prezentující buňky (APC). Jde o skupinu bílých krvinek imunitního systému, které rozhodují o aktivaci obrany našeho těla při napadení patogeny, jako jsou bakterie, viry nebo kvasinky. Tyto buňky si můžeme představit jako velitele, kteří rozhodují o správném způsobu obrany proti nepříteli. Rozdávají detailní příkazy dalším buňkám imunitního systému, dodají popis nepřítele a rozhodnou, jakým způsobem proti nepříteli bojovat.
„Snažím se nahlédnout do mysli těchto malých generálů a přijít na to, jakým způsobem instruují své podřízené jednotky a vedou je ke zničení infekce. Dále zjišťuji, co je vede k tomu, že se občas spletou, což může vést k velmi nepříjemným důsledkům,“ přibližuje předmět výzkumu Jan Dobeš z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy.
Projekt JUNIOR STAR by měl přinést zjištění, jak fungují rozhodovací mechanismy buněk imunitního systému v případě obrany proti patogenům a jak mohou stejné procesy vést ke vzniku autoimunitních onemocnění.
Mgr. Jan Dobeš, Ph.D.
KINÁZY V BUNĚČNÉM MEMBRÁNOVÉM TRANSPORTU: KLÍČOVÝ CÍL PRO VÝVOJ ÚČINNÝCH LÉČIV
Ing. Zuzana Kadlecová, Ph.D. – Lékařská fakulta Masarykovy univerzity
„Cílem projektu je objasnit roli enzymů při přijímání potravy buňky, což povede k lepšímu porozumění základních fyziologických procesů v těle.“
Endocytóza je aktivní proces, kterým buňka přijímá materiál ze svého vnějšího prostředí, a to včetně látek, které jsou příliš velké na volné projití membránou.
Přesto, že endocytóza hraje zásadní roli ve fyziologických dějích i proto, že díky ní buňka získává látky potřebné pro její vývoj, základní výzkum doposud přinesl překvapivě jen velmi málo poznatků o její molekulární regulaci. Ta spočívá v řízení buněčných procesů na molekulární úrovni, které závisí na interakci a působení biomakromolekul, jež se takto navzájem ovlivňují. Spolupráce mezi biomakromolekulami rozhoduje o jejich přesném umístění v buňce, funkci a vlastnostech, což vede ke správnému a rychlému vykonání daného úkolu.
„Mojí vizí je porozumět roli kináz neboli enzymů v endocytóze a následkům jejich deaktivace. Zaměřuji se na kinázy NAK, které jsou spojovány s řadou patologických procesů, jako je například jedna z nejhůře léčitelných bolestivých stavů – neuropatická bolest nebo virální infekce. Konkrétní molekuly, které zavádějí zbytky kyseliny fosforečné do NAK, tedy NAK fosforylují a ovlivňují jejich funkci, zůstávají velkou neznámou. Očekávám, že naše výsledky objasní konkrétní mechanismy terapeutického využití těchto kináz,“ říká Zuzana Kadlecová, která se svým týmem na Univerzitě v Cambridge přišla s velmi zajímavým zjištěním, že endocytóza je buňkou regulována. Tím vyvrátila dosavadní hypotézu, že tento proces probíhá spontánně. Díky podpoře GA ČR vědkyně naváže na svůj předchozí úspěšný výzkum.
Výzkumný projekt Zuzany Kadlecové přináší nové poznatky, díky kterým lépe porozumíme základním fyziologickým procesům v těle. Výsledky objasní konkrétní mechanismy terapeutického využití těchto kináz, které umožní vývoj nových léčebných postupů nebo protinádorových látek.
Ing. Zuzana Kadlecová, Ph.D.
MAPOVÁNÍ CHEMODIVERZITY PEPŘOVNÍKOVÝCH ROSTLIN POMOCÍ NOVÉ GENERACE PLATFORMY MZMINE
Mgr. Tomáš Pluskal, Ph.D., Ústav organické chemie a biochemie AV ČR
„Pomocí unikátní softwarové platformy MZmine zmapujeme chemickou rozmanitost produktů látkové přeměny metabolismu pepřovníkových rostlin a zjistíme, jakými mechanismy pepřovníky molekuly produkují na úrovni genů a proteinů.“
Projekt JUNIOR STAR Tomáše Pluskala se zaměřuje na vývoj nových výpočetních analytických metod, zejména vylepšení softwarové platformy MZmine, kterou původně vytvořil během doktorského studia. Tato unikátní platforma je hojně využívána vědci po celém světě pro analýzu dat z hmotnostní spektrometrie.
„Mým cílem je rozšířit MZmine o moduly pro identifikaci přírodních látek pomocí nejnovějších technik v oboru. Tyto nástroje budeme poté aplikovat na rostliny z čeledě pepřovníkovitých, která obsahuje asi 3600 druhů a je známá právě rozmanitostí svých metabolitů, což jsou produkty látkové přeměny metabolismu, z nichž mnoho má popsané léčivé účinky. Mezi pepřovníky patří kromě známého koření také např. psychoaktivní kava – pepřovník opojný nebo pippali – pepřovník dlouhý, který se používá v ajurvédské medicíně v Indii,“ představuje výzkum Tomáš Pluskal z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky (ÚOCHB), který původně studoval informatiku na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy.
Po ukončení studií se Tomáš Pluskal rozhodl díky své zálibě v bojových uměních vycestovat do Japonska. Zde se mu naskytla příležitost věnovat se molekulární biologii ve výzkumném institutu na Okinawě, která ho natolik zaujala, že se se rozhodl této oblasti i nadále věnovat. Po absolvování postdoktorální stáže na Massachussettském technologickém institutu v Cambridge otevřel vlastní laboratoř na ÚOCHB, kde se nyní snaží propojit nejnovější experimentální a výpočetní přístupy k biochemii přírodních látek. Takto získané znalosti se následně dají využít pro cílenou produkci vzácných molekul pomocí biosyntetických nástrojů.
Očekává se, že softwarové platformy a nástroje, které budou vyvinuty v rámci projektu, budou mít širší přínos pro zkoumání i jiných organismů, a to včetně živočichů.
Mgr. Tomáš Pluskal, Ph.D. (foto: Tomáš Belloň /ÚOCHB)
ROLE INSTITUCIONÁLNÍCH FAKTORŮ A INFORMACÍ NA TRZÍCH VEŘEJNÝCH ZAKÁZEK
Bc. Vítězslav Titl, M.Sc., Ph.D., Právnická fakulta Univerzity Karlovy
„Výzkum se zabývá především empirickou analýzou trhu veřejných zakázek, jehož výsledky povedou k vyšší efektivitě nebo úsporám ve veřejném sektoru.“
Výzkumný projekt Vítězslava Titla se zabývá efektivitou trhu veřejných zakázek. Konkrétně se zaměřuje na tři aspekty efektivity veřejných zakázek, které doposud nebyly detailně akademicky zkoumány: zakázky pouze s jedním soutěžícím, vliv cíleného informování firem o veřejných zakázkách a vliv veřejného dohledu a online monitoringu ve veřejných zakázkách.
„V České republice je obrovský podíl zakázek pouze s jedním uchazečem, který je výrazně vyšší než ve vyspělých západních zemích. Ve výzkumu se pokusím zjistit, jestli a jak moc tato situace snižuje efektivitu a jak mohou zadavatelé změnit svoje chování, aby se tento podíl snížil a zvýšila se konkurence ve veřejných zakázkách. Budu hledat důvody, proč se firmy neúčastní veřejných zakázek a jak to změnit.
Dalším tématem, kterým se zabývám, je role veřejnosti při dohledu nad trhem veřejných zakázek v rozvojových zemích. Zajímá mě, jaké podmínky musí být splněny, aby transparentnost trhu veřejných zakázek umožnila veřejnosti efektivně kontrolovat tento trh veřejných zakázek tak, aby se fungování tohoto trhu zlepšilo,“ doplňuje vědec, který se díky podpoře GA ČR vrátil po sedmi letech působení v Belgii a Holandsku zpět do České republiky.
Cílem projektu JUNIOR STAR je přispět k pochopení rozsahu neefektivity na trzích veřejných zakázek a návrh veřejných politik, které povedou k vyšší efektivitě anebo úsporám pro veřejný sektor.
Již sto let fascinuje fyziky i matematiky Einsteinova obecná teorie relativity. Ta je často označována jako nejkrásnější ze všech existujících fyzikálních teorií.
Einsteinova teorie gravitace má významné astrofyzikální důsledky. Například z ní vyplývá existence gravitačních vln, kosmologické expanze vesmíru anebo černých děr ― oblastí prostoru, ve kterých je prostor a čas zakřiven takovým způsobem, že z nich nic nemůže uniknout, dokonce ani světlo. Tato témata jsou již řadu let předmětem zkoumání prof. RNDr. Jiřího Podolského, CSc., DSc., z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. V poslední době se zabývá i přesným řešením rovnic teorie kvadratické gravitace, která přirozeně zobecňuje Einsteinovu teorii. A to bylo i tématem jeho projektu podpořeného Grantovou agenturou České republiky.
Hledání nerotující černé díry
Rovnice kvadratické gravitace jsou z matematického hlediska ještě mnohem složitější než Einsteinovy rovnice. Je velmi obtížné najít jejich přesná, explicitní řešení. „Dosavadní práce mnoha autorů se téměř vždy omezovaly jenom na přibližná, aproximativní řešení, anebo na jejich numerická řešení pomocí počítačů. My se ale dlouhodobě soustředíme na hledání a fyzikální analýzu exaktních řešení gravitačních rovnic, protože jen ty umožnují činit nezpochybnitelné závěry o fyzikálních důsledcích dané teorie,“ říká profesor Jiří Podolský.
Jeho tým se pustil do hledání nejjednodušší nerotující černé díry, která má dokonale sférickou symetrii. To se mu podařilo. „Našli jsme zobecnění slavného Schwarzschildova řešení z roku 1915, což je unikátní a jediné možné sférické vakuové řešení v Einsteinově teorii gravitace. My jsme ale rigorózně dokázali, že v obecnější teorii kvadratické gravitace je třída sférických černých děr mnohem širší,“ vysvětluje prof. Podolský.
„Schwa-Bachova“ černá díra
Prvním klíčovým krokem týmu profesora Podolského bylo přeformulovat složité rovnice do jednodušší podoby pomocí tzv. Bachova tenzoru. Druhým pak bylo použití úplně nového tvaru sférické metriky, který umožňuje Bachův tenzor snadno vyjádřit. Díky tomu se obecně nesmírně komplikované rovnice kvadratické gravitace zredukovaly na dvě krátké diferenciální rovnice pro dvě neznámé funkce jediné proměnné. Ve třetím kroku pak tým tyto rovnice kompletně vyřešil pomocí řad.
„Při tom se ukázalo, že existuje několik různých typů řešení. Tím jsme objevili nejenom zmíněné zobecnění klasické Schwarzschildovy černé díry (nazvali jsme ji Schwarzschildova−Bachova černá díra, familiárně prostě jen Schwa−Bach), ale také několik úplně nových a dosud neznámých tříd sférických řešení ve zcela obecné teorii kvadratické gravitace,“ uvádí profesor Podolský.
Podle výzkumníků může nově objevený typ černé díry pomoci lepšímu pochopení kvadratických korekcí Einsteinovy teorie nebo k testování teorií kvantové gravitace a sjednocených interakcí.
Od teorie k reálné astrofyzice a fyzice vysokých energií
„Naše výsledky jsou ryze teoretického charakteru, spadají do základního výzkumu gravitace. Existují ale jasné styčné body směrem k reálné astrofyzice a kosmologii, která dnes experimentálně studuje černé díry, jimi generované gravitační vlny i zrychlené rozpínání vesmíru způsobené temnou energií. A také k fyzice vysokých energií, částicové fyzice, kvantové teorii pole a superstrun,“ říká Jiří Podolský. Podle něho se jimi nalezená řešení mohou v budoucnu uplatnit i při testování kvantové gravitace a teorií sjednocených interakcí.
„Kvadratická gravitace totiž je ― na rozdíl od Einsteinovy obecné relativity ― renormalizovatelná, neboli v principu je snazší najít její kvantovou verzi a propojit ji s kvantovými poli hmoty,“ dodává profesor Jiří Podolský.
prof. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc. (*1963)
Vystudoval Matematicko-fyzikální fakultu Univerzity Karlovy, kde od té doby nepřetržitě působí na Ústavu teoretické fyziky. V letech 1990–91 studoval v USA na University of New Mexico, habilitoval se 2001 a v roce 2011 byl na MFF UK jmenován profesorem. Zabývá se relativistickou fyzikou, zejména studiem přesných prostoročasů v Einsteinově obecné teorii relativity a v kvadratické gravitaci, které popisují gravitační vlny, černé díry nebo kosmologické modely. Je autorem či spoluautorem více než 100 původních prací v mezinárodních odborných časopisech a dvou vědeckých monografií. Získal několik ocenění, mj. Cenu Bolzanovy nadace (1998) a Cenu děkana MFF UK za nejlepší monografii (2009) za knihu Exact Space-Times in Einstein’s General Relativity vydanou Cambridge University Press. Přeložil 16 populárně-naučných knih z oblasti teoretické fyziky a astronomie. Působil také jako odborný poradce desetidílného seriálu Génius: Einstein z produkce National Geographic, který se v letech 2016–17 natáčel v Česku.
Holocén neboli doba poledová je období, během kterého do přírodních procesů významnou měrou vstoupil také člověk. Na jeho začátkuse však příroda dynamicky vyvíjela vlivem klimatických změn, které nastaly po skončení poslední doby ledové.
Výměnu druhů formovalo kromě ústupu chladnomilných prvků zejména šíření těch teplomilných z různě vzdálených refugií, tedy míst, kde přečkaly dobu ledovou. To platí pro podstatnou část druhů našeho klimatického pásu. A právě holocennímu vývoji evropské bioty mírného pásu se věnoval projekt financovaný GA ČR prof. RNDr. Michala Horsáka, Ph.D., z brněnské Masarykovy univerzity, podle kterého studium těchto procesů umožňuje pochopit i současnou podobu naší živé přírody, tedy to, nakolik je ovlivněna přírodními procesy a nakolik lidskými vlivy v průběhu posledních osmi tisíc let.
Hledači pokladů
Velkou výzvou každého paleoekologického výzkumu, tedy studia vztahů mezi organismy a prostředím v minulosti, je nalezení vhodného záznamu vývoje. „Jsme na tom podobně jako Indiana Jones, hledači pokladů. Rosettskou desku pro nás představuje nalezení souvislého sledu sedimentů, který se plynule a pravidelně ukládal po dobu posledních 10–15 tisíc let, tedy právě po odeznění doby ledové,“ vysvětluje profesor Horsák. Podle něho pak lze v takovém záznamu číst jako v Alexandrijské knihovně – slovy jsou zachovalé schránky drobných plžů, semena a pyl rostlin, mikroskopické schránky krytenek (jednobuněčných eukaryot), ale také chemické vlastnosti sedimentu, jako jsou změny zastoupení prvků nebo jejich izotopů.
„Pomocí radiokarbonové metody jsme schopni hloubku sedimentu napojit na absolutní časovou osu. V tom může být někdy problém. Metoda je instrumentálně relativně jednoduchá, ale finančně nákladná a také skýtající mnohá úskalí. V určitém typu prostředí může docházet k výraznému zkreslení stáří, datovaného například pomocí ulit plžů, a na to je třeba dát velký pozor. Takovou komplikaci jsme řešili i v jedné z našich studií. Podařilo se nám ji zdárně překonat a výsledek stál za tu námahu,“ poodhaluje Michal Horsák práci na projektu, do kterého se zapojil tým vysoce motivovaných a schopných výzkumníků nejen z Masarykovy univerzity, ale i Univerzity Karlovy a také vědečtí kolegové ze zahraničí.
„Po vědecké stránce mě osobně překvapilo zjištění, jak moc bylo šíření lesních plžů z glaciálních refugií směrem na západ Evropy řízeno klimatem. Dříve jsem se klonil spíše k hypotéze, že současný úbytek lesní malakofauny [vysv. ed.: fauny měkkýšů] směrem na západ je podmíněn zejména holocenním působením člověka,“ říká profesor Horsák.
Poznání minulosti je klíčem k představě o budoucnosti
Tříletý projekt vědeckého týmu pod vedením profesora Horsáka přinesl okolo 35 vědeckých publikací, mnohé vyšly v prestižních oborových časopisech. Každá z nich má originální a zobecnitelné výsledky. Hlavní praktické uplatnění najdou zejména v ochraně přírody. „Naše výsledky jsou využitelné pro odhady dopadu budoucích klimatických změn i lidské činnosti na biodiverzitu a dynamiku ekosystémů,“ uvádí profesor Michal Horsák.
Jedna ze studií jeho týmu odhalila historický původ reliktních společenstev celoevropsky silně ohrožených travertinových mokřadů. Ty se za posledních tisíc let utvářely pod vlivem lidského hospodaření mnohem víc, než se myslelo. To jim vtisklo určitou paměť.
„Naše výsledky dokládají nutnost pravidelného ochranářského managementu, jako prostředku pro budoucí udržení tohoto přírodního, ale i kulturního dědictví.“
Nedocenitelnou hodnotu má právě ohromný archiv informací ukrytých v sedimentu těchto lokalit. „My jsme do něj sice nahlédli, ale rozvíjející se metody v budoucnu pravděpodobně umožní přečtení kvalitativně nových informací. Zničení takových archivů by byla nevratná ztráta,“ dodává prof. RNDr. Michal Horsák, Ph.D.
Michal Horsák (*1975) vystudoval zoologii na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně. V Ústavu botaniky a zoologie téže fakulty se věnuje zejména výzkumu kontinentálních měkkýšů mírného pásu, ekologii společenstev a kvartérní paleoekologii.
Jako vynikající Grantová agentura ČR ohodnotila výzkum zabývající se vývojem tenkých ohebných keramických substrátů s optimalizovanými elektrickými vlastnostmi pro plazmové zdroje. Pod vedením profesorů Martina Trunce a Mirko Černáka na něm pracoval tým odborníků ze Středoevropského technologického institutu CEITEC VUT a z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity. Na základní tříletý výzkum by nyní rádi navázali jeho pokračováním.
Prvotní nápad na projekt vznikl při přátelském posezení mladých vědců na zahrádce u piva. „Spekulovali jsme o novém směřování výzkumu keramických materiálů pro generaci bariérových výbojů. Právě tam vznikl základní impuls, který jsme následně sepsali do podoby projektu. Zabralo nám to zhruba rok,“ popisuje cestu k úspěšnému řešení jeden z vedoucích Martin Trunec z CEITEC VUT.
Konkrétně se jednalo o tříletý projekt pod záštitou Grantové agentury ČR s názvem Ohebné keramické substráty s optimalizovanými elektrickými vlastnostmi řešený v letech 2018–2020. Hlavním cílem projektu byl vývoj tenkých ohebných keramických substrátů s optimalizovanými elektrickými vlastnostmi pro plazmové zdroje. „Připravit takové substráty vyžadovalo vyvinout novou metodu přípravy, která umožní z nanometrových částic vytvořit velmi tenké keramické substráty s požadovanými vlastnostmi,“ upřesňuje Martin Trunec.
Výzkumníci rovněž zkoumali materiálové složení keramických substrátů pro dosažení optimálních podmínek pro zapálení a hoření plazmatu. „Při řešení projektu jsme se snažili připravit takový keramický materiál, kterým by svými fyzikálně-chemickými vlastnostmi usnadnil zapálení a udržovaní nízkoteplotního výboje. Právě to je totiž stěžejním prvkem pro průmyslové aplikace,“ říká Mirko Černák z Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity, který se se svým týmem věnoval především sestavování plazmových výbojek a jejich testování.
Jak ale známe z každodenního života, ohebnost keramických materiálů není jejich typickou vlastností. „Teoretické výpočty v průběhu výzkumu však ukázaly, že keramické substráty mohou být vysoce flexibilní, pokud má materiál vysokou pevnost a substrát je dostatečně tenký. To jsme následně i experimentálně potvrdili,“ objasňuje Martin Trunec. Ten se svým týmem díky dlouholetým zkušenostem v oblasti pokročilých keramických materiálů zaštítil proces přípravy keramických substrátů.
Vyvinuté plazmové výbojky založené na tenkých keramických substrátech mohou sloužit například jako základní jednotky nových pokročilých zařízení využívaných v průmyslu pro plazmové čištění od anorganických nečistot, pro dezinfekci, přípravu ozonu nebo například v zařízeních zvyšujících klíčivost osiv.
K úspěšnému řešení projektu podle obou vedoucích jednoznačně přispěla spolupráce vědců ze dvou významných brněnských institucí i výrazná angažovanost mladých studentů. „Studenti během řešení projektu zvýšili svou kvalifikaci a týmu zároveň poskytli neustálý tok nových myšlenek a přispěli také při řešení komplikací, které jsme nepředvídali,“ vyzdvihuje Mirko Černák.
Výstupem rozsáhlého projektu je mimo jiné i osm odborných publikací. „Posunovali jsme poznání v oblasti dielektrických bariérových výbojů sloužících ke generaci nízkoteplotního atmosférického plazmatu. S dílčími poznatky nyní dále pracujeme,“ uzavírá Martin Trunec. Výzkumníci už proto podali žádost o navazující projekt a doufají, že během něho budou moci ještě efektivněji prozkoumat a navrhovat keramické substráty zvyšující produkci volných radikálů v nízkoteplotním atmosférickém výboji. Ty by se v budoucnu mohly rovněž využívat například pro sterilizaci povrchů či produkci ozonu.
V posledních letech dochází ke zhoršení mužského reprodukčního zdraví, což se projevuje zejména snížením mužské plodnosti a nárůstem případů nádorů mužských pohlavních orgánů.
Chemické látky v životním prostředí kolem nás, které narušují hormonální rovnováhu v organismu, tzv. endokrinní disruptory, se zdají být jednou z hlavních příčin těchto vážných zdravotních problémů. Proto je důležité ve větším rozsahu hodnotit tzv. reprodukční toxicitu látek a identifikovat látky působící jako endokrinní disruptory, které mohou narušovat hormonální systém. Jak vybrané endokrinní disruptory ovlivňují negativně stavbu i funkce varlat, a jakými mechanismy by toto mohly způsobovat, zkoumal v projektu podpořeném Grantovou agenturou České republiky tým mladé vědkyně RNDr. Ivy Sovadinové, Ph.D., z výzkumného centra RECETOX na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně.
Mezibuněčná komunikace
Aby mnohobuněčný organismus mohl správně fungovat jako celek, musí všechny buňky ve tkáních a v těle mezi sebou navzájem komunikovat, a tím koordinovat a harmonizovat své chování. Existuje řada způsobů mezibuněčné komunikace, jako je komunikace na dálku prostřednictvím hormonů nebo komunikace přímým dotykem dvou sousedících buněk. „My jsme se zabývali dotykovou komunikací, která probíhá přes proteinové kanálky mezi sousedními buňkami, tzv. mezerovými spoji. Tento způsob komunikace a její rychlá kontrola je totiž velice důležitý při vývoji i funkci mužských pohlavních orgánů včetně varlat. Mezi sebou takto komunikují navzájem například Leydigovy buňky, které jsou zodpovědné za produkci důležitých mužských pohlavních hormonů, jako je testosteron, nebo buňky Sertoliho, které zodpovídají za podporu a výživu zárodečných buněk a spermatogenezi,“ vysvětluje Iva Sovadinová. Narušení normální fyziologické mezibuněčné komunikace působením látek nacházejících se v životním prostředí se pak může podle Ivy Sovadinové projevit jako snížená plodnost nebo nádorové onemocnění. Zejména, pokud k tomuto narušení dojde v citlivých obdobích vývoje, jako je prenatální nebo prepubertální vývoj.
Reakce buněk na chemické látky
Výzkum v laboratoři přinesl Sovadinové řadu překvapivých zjištění. „Bylo to například to, že různé typy testikulárních buněk, přestože používají stejné typy proteinových kanálků mezerových spojů, reagovaly na některé typy environmentálních toxikantů diametrálně odlišně. To ukazuje na komplikovanost vnitrobuněčných signálních a regulačních procesů kontrolujících mezibuněčnou komunikaci, které mohou být buněčně specifické. Velmi specifické a cílené pak může být i působení jednotlivých typů látek. I na základě těchto pozorování, prováděných v relativně ještě jednoduchých in vitro 2D buněčných kulturách, si lze představit celou řadu různých scénářů a mechanismů, kterými mohou chemické látky narušovat vývoj komplexních tkání a jejich funkce,“ uvádí Iva Sovadinová. Na jednu stranu to podle ní představuje další velkou výzvu při hodnocení zdravotní nebezpečnosti a rizik, zejména pomocí alternativních metod cílících na minimalizaci používání laboratorních zvířat. Na druhou stranu jsou to právě takovéto poznatky, které by byly v obdobném rozsahu jen obtížně prozkoumatelné in vivo a které upozorňují na zranitelné klíčové procesy a interakce. Na jejich základě pak mohou být navrhovány nové strategie a postupy pro hodnocení bezpečnosti chemických látek s ohledem na mužskou reprodukci, k čemuž se také snaží skupina Ivy Sovadinové aktivně přispět.
Z české laboratoře až k Eskymákům
Zajímavé bylo podle Ivy Sovadinové také pozorovat účinky směsi endokrinních disruptorů, kterou tým připravil na základě toho, v jakých poměrech a koncentracích se tyto látky našly v tuku tuleně kroužkovaného (Pusa hispida), který je jednou z hlavních složek stravy kanadských Eskymáků Inuitů. Látky, které tato směs obsahovala, se do Kanady nebo Grónska dostávají tzv. dálkovým transportem ze znečištěnějších oblastí. Ukázalo se, že působení této směsi na mezibuněčnou komunikaci v testikulárních buňkách bylo významně silnější než účinky jednotlivých látek. „A jsme opět u těch výzev – jakým způsobem taková působení a interakce účinků různých chemikálií zapracovat do postupů hodnocení bezpečnosti chemických látek,“ říká Iva Sovadinová.
Tým projektu
Povzbudivé výsledky projektu vzbudily ohlas v zahraničí
Projekt Ivy Sovadinové potvrdil, že testikulární mezibuněčná komunikace mezerovými spoji a její stavební bloky, proteiny konexiny jsou vysoce relevantním, ale přehlíženým cílem endokrinních disruptorů. Narušení jejich stavby a funkce v průběhu vývoje může vést ke zdravotním problémům později v životě, včetně snížení plodnosti.
Mezibuněčná komunikace mezerovými spoji může být efektivně využita v moderním toxikologickém a farmakologickém výzkumu a její analýza by se mohla stát cennou komponentou každé biologické studie.
„Naše poznatky mohou napomoci zlepšení testovacích metod, buněčných modelů a testovacích strategií tak, aby byly schopny efektivně a spolehlivě identifikovat látky narušující mužský reprodukční systém a došlo k minimalizaci zdlouhavých, nákladných a eticky problematických experimentů na zvířatech. Usilujeme například o to, aby se námi zdokonalená metoda pro testování mezibuněčné komunikace mohla v budoucnu stát mezinárodně uznávanou součástí strategie pro hodnocení tzv. negenotoxických karcinogenů,“ dodala Iva Sovadinová.
Její tým na základě článku v časopise Scientific Report navázal spolupráci s UiT The Arctic, University of Norway, která bude aplikovat tuto jejich metodu ve svém výzkumu. O spolupráci se přihlásil také italský výzkumný ústav CNR ISPA, zaměřený na bioaktivní látky z mořských bezobratlých živočichů. Probíhá i předběžné posuzovací řízení expertním panelem OECD týkající se možného využití metody v regulační toxikologii.
Iva Sovadinová je v současné době zapojena výzkumného projektu programu Horizon 2020 „OBERON“, v rámci kterého se podílí na vývoji integrované strategie pro hodnocení metabolických účinků endokrinních disruptorů, což by umožnilo identifikovat další látky s podobným dopadem a snížit jejich množství v prostředí. Metabolická disrupce způsobená endokrinními disruptory, totiž přispívá k rozvoji metabolických poruch, jako je obezita, cukrovka nebo chronické onemocnění jater.
RNDr. Iva Sovadinová, Ph.D., je absolventkou Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v oboru Ekotoxikologie, kde získala i doktorát v oboru Chemie životního prostředí. Během své postdoktorské stáže strávila tři a půl roku na dvou michiganských univerzitách (USA). Od roku 2010 pracuje v centru RECETOX na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně. Spolupodílí se na vedení skupiny Buněčná a tkáňová toxikologie. Dlouhodobě se zaměřuje na vývoj a praktické využití buněčných a tkáňových modelů jako plnohodnotné náhrady k testům na zvířatech. Aktuálně se věnuje studiu reprodukčního zdraví a reprodukční toxicity látek. Ráda do svého výzkumu zapojuje české i zahraniční vysokoškolské i středoškolské studenty.
Urbanizace na celém světě roste a městské oblasti představují jeden z nejrychleji rostoucích typů využití půdy. Důležitost biologické rozmanitosti pro správnou funkci celého ekosystému a dopady urbanizace na snížení jeho odolnosti již zmínila řada studií. Pro pochopení vlivu konkrétních prvků urbanizace je nutné věnovat pozornost různým typům opatření pro podporu biologické rozmanitosti.
Městská zeleň, Marche, Střední Itálie, foto Federico Morelli
Tým vedený doc. Federicem Morellim řešil standardní projekt GAČR “Vliv urbanizace na různé aspekty diverzity ptáků: vztah složení ptačích společenstev k míře znečištění, vegetaci a hustotě zástavby”. Hlavním cílem projektu bylo zhodnotit dopad různých vlastností městského prostředí na biodiverzitu, přičemž ptáci sloužili jako modelové organismy. Terénní sběr dat v 16 evropských velkoměstech, prostorová analýza a statistické modelování probíhaly od roku 2018 do roku 2020. Díky nim byly získány nové poznatky o možnostech identifikace území s vysokou kvalitou prostředí ve městech.
Emberiza citinella v Polsku, foto C. Korkosz
„Zmapovali jsme místní charakteristiky měst z hlediska způsobu využití půdy, struktury zástavby a typu a množství vegetace v městské zeleni a stanovili úroveň znečištění životního prostředí (např. světelné a hlukové znečištění). Zjistili jsme, že se vzrůstajícím zastoupením některých prvků městské zeleně jako je tráva, keře a stromy v krajině, stoupá i počet druhů ptáků, kteří se zde vyskytují. Rovněž byla odhalena souvislost mezi přítomností trávy, stromů a vodních prvků, jako jsou řeky a městské potoky, s fylogenetickou rozmanitostí ptačích komunit, tedy že s vyšší přítomností zmíněných prvků městské zeleně klesá příbuznost ptačích druhů,“ říká doc. Dr. Frederico Morelli, Ph. D. a dodává: „Naproti tomu všechny hlavní ukazatele vysoké úrovně urbanizace krajiny (např. zástavba, hustota chodců, úroveň světelného znečištění) jsou asociovány s vyšší fylogenetickou příbuzností druhů. Z hlediska fylogeneze jsou si dva druhy příbuznější, čím blíže do minulosti mají společného předka. Komunity charakterizované vysokou fylogenetickou příbuzností mají tendenci být homogennější a jsou potenciálně méně odolné, pokud čelí ekologickému stresu. Je zajímavé, že přítomnost keřů v zahradách a na zelených plochách pomohla zmírnit tento účinek.“
Městská zeleň v Praze 6, foto Federico Morelli
Hlavní význam projektu spočívá v jeho zaměření na velkou prostorovou škálu a v zapojení spolupracovníků z mnoha evropských zemí. Zásadní bylo i zhodnocení nejen taxonomické, nýbrž i funkční a fylogenetické diversity ptačích společenstev a průzkum jejich odezvy na rozličné komponenty městského prostředí, jako jsou různé typy zástavby, zeleně, ale i znečištění a hlukové či světelné zátěže. Výsledky projektu (www.urbanbiodiversity.net) mají ambici pomocí vhledu do odezvy ptačích společenstev na tyto faktory získat cenné informace použitelné v praxi, které by vedly k šetrnějšímu a přírodě bližšímu rozvoji městského prostředí. Podle zjištění projektu vede udržení diversity ptáků na jisté úrovni ke zvýšení odolnosti ekosystémů našich měst.
Passer domesticus italiae, foto Fabio Pruscini
„Naše zjištění naznačují, že udržování přiměřené úrovně ptačí rozmanitosti v městských sídlech může zvýšit potenciální odolnost městských ekosystémů vystavených stresu vyvolanému rychlými a nepřetržitými změnami. V neposlední řadě, jak bylo zdůrazněno v několika předchozích studiích, má ochrana městské biologické rozmanitosti také pozitivní dopad na život občanů,“ říká Morelli.
foto Yanina Benedetti
doc. Dr. Federico Morelli, Ph.D.
Skupina pro výzkum ekologie společenstev a ochrany biodiversity
Česká zemědělská univerzita, Praha
Federico Morelli je kvantitativní ekolog, v současné době pracující jako docent na České zemědělské univerzitě v Praze. Podílel se na několika evropských projektech modelování dopadu využívání půdy a změny klimatu na prostorové rozložení biologické rozmanitosti. Těžištěm jeho výzkumného zájmu je makroekologie, modely distribuce druhů, městská a silniční ekologie, prostorové vzory biologické rozmanitosti a bioindikátory jako nástroj plánování ochrany.
Text: ČZU
Úvodní fotka: Městský rozvoj – La Defense, Paříž, Francie, foto Federico Morelli
Eukaryotické organismy, mezi něž řadíme i lidi, jsou velmi složitou soustavou tvořenou eukaryotickými buňkami, která je v neustálém dynamickém kontaktu s vnějším prostředím – musí na něj reagovat a zároveň si zachovat svou vnitřní integritu. Existuje řada regulačních a komunikačních mechanismů, které chod celé této soustavy zajišťují, a jedním z těchto mechanismů je působení elektrického pole.
Tento fakt si při svých pokusech s elektřinou uvědomil již v 18. století Luigi Galvani. Od této doby lidé dokázali popsat a pochopit obrovský význam vlivu elektrického pole na jednotlivé buňky a v důsledku toho i na lidskou fyziologii. To dalo vzniknout celé řadě přístrojů a technik, které elektrické pole využívají. Můžeme vzpomenout například kardiostimulátor, elektroencefalograf (EEG) či elektrokardiograf (EKG).
V této oblasti je jednou z klíčových otázek dneška, jak přesně elektrické pole chování buněk ovlivňuje a jaké elektricky vodivé materiály je v biomedicíně možné využít. Klasické elektrické vodiče, tedy kovy, vynikají vysokou vodivostí, ale jejich použití v biomedicíně má své limity, jelikož je jejich vodivost založená výhradně na toku elektronů. Rovněž jejich mechanické vlastnosti jsou značně vzdálené vlastnostem řady tkání. Buňky a tkáně naopak využívají k elektrické komunikaci ionty, což může při kontaktu mezi klasickým vodičem a tkání působit problémy.
„Tyto limity mohou být částečně odstraněny pomocí elektricky vodivých polymerů. I když jsou elektricky vodivé polymery známy již po desetiletí, a jejich potenciálnímu využití v oblasti biomedicíny bylo věnováno hodně úsilí, zůstává v souvislosti s jejich využitím v biomedicíně řada otázek stále nezodpovězených. Odpovědi na tyto otázky by přitom mohly významně přispět k nalezení způsobů efektivní regenerace tkání skrze tkáňové inženýrství či léčby a diagnostiky některých onemocnění,“ vysvětluje prof. Ing. Petr Humpolíček, Ph.D., z Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně, jehož projekt Biomimetické materiály na bázi vodivých polymerů finančně podpořila Grantová agentura České republiky.
Na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně začal jeho tým vodivé polymery systematicky studovat v roce 2010. „Naši kolegové z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR s nimi pracují již mnohem déle. Obě pracoviště tedy měla v době podání projektu řadu zkušeností s tím, jak variabilními materiály elektricky vodivé polymery jsou a jak krásná práce s nimi může být,“ říká profesor Humpolíček.
V rámci přípravy projektu se tým Petra Humpolíčka rozhodl využít dosavadních zkušeností a posunout znalosti dále ve směru přípravy materiálů, které budou kombinovat elektrickou vodivost s vysokou biokompatibilitou, tedy jít cestou přípravy komplexních kompozitů. A právě díky podpoře GA ČR se mohl tým řešení tohoto problému intenzivně věnovat.
Největší výzva: příprava vodivých trojrozměrných materiálů
Výzkum biomateriálů je interdisciplinární vědní obor. Jednou z prvních velkých výzev bylo vytvoření mezioborového týmu, který si bude rozumět nejen profesně, ale i lidsky. Po odborné stránce pak velkou výzvu představovalo nalezení způsobu přípravy elektricky vodivých a zároveň trojrozměrných materiálů. Samotné vodivé polymery je možné připravit v různých podobách, jako jsou tenké filmy o síle několika set nanometrů, prášky se zrny v řádech desítek mikrometrů nebo koloidní disperze. Nejsou však schopny vytvořit robustní materiál, který můžete uchopit do ruky a snadno zpracovávat do potřebných tvarů. „Jednou z věcí, která se díky podpoře GAČR podařila, bylo právě vyřešení tohoto problému, a to skrze přípravu unikátních kryogelů, které jsou nejen vodivé, ale i elastické a porézní a jsou tedy svými vlastnostmi blízké struktuře mnoha tkání,“ uvádí profesor Humpolíček. Příprava elektricky vodivého materiálu, který vyvolává cílenou odezvu buněk, byla pak další výzvou, se kterou se tým potýkal. Při řešení tohoto úkolu vědci využili několika různých přístupů a zapojili do řešení i několik spolupracujících zahraničních pracovišť, například z Finska, Itálie či Slovinska. Z testovaných postupů se pak nejslibněji jevila příprava kompozitů z vodivých koloidních disperzí s komponenty mezibuněčné hmoty využitými jako stabilizátory. Materiály založené na tomto principu totiž vykazují dostatečnou elektrickou vodivost a zároveň užitečné biologické vlastnosti.
Našemu týmu se jako prvnímu podařilo připravit několik nových kompozitních materiálů s unikátními vlastnostmi. Popsali jsme i nové způsoby přípravy biokompatibilních a zároveň elektricky vodivých materiálů na bázi stabilních koloidních disperzí.
Spolupráce vědců na mezinárodní úrovni
Ve vědecké literatuře se po dlouhou dobu tradovalo, že dva často studované elektricky vodivé polymery, polyanilin a polypyrrol, se významně liší z hlediska základních biologických vlastností. V rámci řešení projektu náš tým provedl srovnávací studii, do které se zapojilo několik laboratoří. Jedním z výsledků pak bylo zjištění, že tyto vodivé polymery se z hlediska cytotoxicity, i některých dalších znaků biokompatibility, jako jsou například vybrané znaky embryotoxicity, ve skutečnosti téměř neliší. Ve vztahu k biokompatibilitě je klíčová spíše forma přípravy polymerů a jejich následné úpravy než samotný polymer. Dalším příjemným překvapením pak byla variabilita kompozitů, které lze z vodivých polymerů připravit. Toto zjištění nám ukázalo další cestu do budoucna, která umožní vlastnosti finálních materiálů lépe řídit.
Tým Ústavu makromolekulární chemie AV ČR
„Samotný projekt byl koncipován jako tříletý. Vytvoření znalostní a zkušenostní báze, nezbytné k jeho řešení, je však dlouhodobou záležitostí. Dr. Jaroslav Stejskal, který vedl spoluřešitelský tým na Ústavu makromolekulární chemie, pracuje s vodivými polymery po desetiletí. Právě jeho zkušenosti stály v roce 2010 u zrodu naší spolupráce. Po mnoho let jsme pak schopnost spolupráce, výměny ‚know how‘ a zkušeností rozšiřovali a prohlubovali. Jsem přesvědčený, že v oblasti elektricky vodivých polymerů a jejich biologických vlastností se naše týmy dostaly na vysokou mezinárodní úroveň, což se odráží i v ohlasech na naše publikované práce a v rozrůstajícím počtu spolupracujících týmů po celém světě,“ říká prof. Ing. Petr Humpolíček. Na projektu pracovaly dva týmy, a to výzkumná skupina Biomateriály z Centra polymerních systémů Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně a oddělení Vodivých polymerů z Ústavu makromolekulární chemie AV ČR. Kromě zkušených akademiků a výzkumníků se na řešení podílela také řada studentů.
Výsledky projektu tým publikoval v prestižních a zároveň úzce zaměřených oborových časopisech. Díky tomu si práce našly rychle své čtenáře. Počet citací publikací vzniklých v letech 2017–2019 se již nyní pohybuje ve stovkách. „Z mého pohledu jsou však důležitější ohlasy ve formě nových kontaktů a spoluprací, které se podařilo ustanovit díky prezentaci výsledků na mezinárodních konferencích. Počet zahraničních pracovišť, se kterými aktivně spolupracujeme, např. formou studentských stáží, se i díky řešení tohoto projektu významně rozšířil,“ uvádí Petr Humpolíček.
Naděje pro budoucnost
Pochopení komplexních vztahů mezi materiály a živými organismy je klíčové pro rozvoj společensky významných odvětví, mezi které bezesporu patří i tkáňové inženýrství. Celosvětově se výzkum v této oblasti zaměřuje nejen na možnost přípravy tkáňových náhrad, ale také na jejich schopnost cíleně interagovat s živými subjekty. Cílem těchto snah je umožnit individualizovaný přístup k pacientům. Nezbytným předpokladem pro splnění tohoto cíle je pak pochopení vztahů mezi materiály reagujícími na vnější stimuly a živými organismy. V rámci projektu byly jako možné responsivní složky studovány elektricky vodivé polymery a výsledky projektu prokázaly možnosti využití jejich různých forem. Řešitelský tým například jako první systematicky popsal vzájemné rozdíly mezi vybranými vodivými polymery a definoval oblasti jejich možného využití s ohledem na chování v biologických systémech.
„Projekty GAČR jsou ze své podstaty zaměřeny na základní výzkum, ale věřím, že některé naše výsledky v budoucnu přispějí k praktickým aplikacím v oblasti biomedicíny,“ dodává prof. Humpolíček.
Prof. Ing. Petr Humpolíček, Ph.D., je vedoucím výzkumné skupiny Biomateriály na Centru polymerních systémů Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Tým se zabývá výzkumem a vývojem biomateriálů, především pak s ohledem na stanovení jejich interakcí s eukaryotickými organismy. Specializuje se na elektricky vodivé polymery, koloidní systémy a chytré kompozitní materiály. Jeho tým spolupracuje s řadou prestižních pracovišť v zahraničí, a to nejen v oblasti řešení konkrétních problémů, ale také skrze dlouhodobé studentské stáže.
Na úvodní fotce vidíte tým Univerzity Tomáš Bati ve Zlíně.
Snaha minimalizovat výskyt chyb v počítačových programech je velmi aktuální téma, jak v komerční, tak v akademické sféře. Chyby, které se nepodaří najít a odstranit před jejich reálným nasazením, přitom mohou způsobit velké ekonomické ztráty, a dokonce i ztráty na lidských životech – příkladem mohou být dvě havárie letadla Boeing 737 MAX v letech 2018 a 2019, kde chyba v počítačovém systému způsobila špatnou ovladatelnost stroje a jeho pád.
Zájem o automatizované techniky odhalování chyb proto roste ve všech sférách průmyslu, což stimuluje intenzivní vývoj nových metod a nástrojů pro hledání chyb. „Verifikace a hledání chyb v pokročilém softwaru“ bylo i tématem projektu vědců pod vedením prof. Ing. Tomáše Vojnara, Ph.D., z Fakulty informačních technologií Vysokého učení technického v Brně a doc. RNDr. Jana Kofroně, Ph.D., z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Projekt byl financován Grantovou agenturou České republiky.
„Automatické hledání chyb v programech je velmi těžký problém a v úplné obecnosti lze říci, že víme, že nemůže existovat automatický nástroj, který by v libovolném programu našel všechny chyby. V některých programech je hledat a případně nalézt chyby snazší, v jiných je to velmi těžké, a typicky se to odvíjí od složitosti a velikosti analyzovaného programu. Naším cílem je v tomto směru zejména (i když nejen) první zmíněný aspekt, tedy umožnit analyzování složitějších programů, než jaké bylo možné analyzovat doposud,“ vysvětluje profesor Tomáš Vojnar.
Záhadné chyby v programech
Vědci se ve svém projektu zabývali například analýzou a verifikací paralelních programů, které jsou v současné době velmi populární. Udržet „na uzdě“ řadu současně běžících výpočtů však není snadné a vznikají při tom „záhadné“ chyby, kdy program většinou běží správně a pak neočekávaně selže. „Najít takové chyby, respektive garantovat jejich absenci v reálných programech představuje jeden ze zvláště obtížných problémů pro automatickou verifikaci,“ říká profesor Tomáš Vojnar.
Další oblastí, kterou se vědci zabývali, byly programy s tzv. dynamickými datovými strukturami vázanými ukazateli. „V tomto případě je zapotřebí efektivně pracovat s nekonečnými množinami složitých grafových struktur neomezené velikosti. Pro takové a další podobné problémy, jako např. automatická analýza výkonnosti programů, bylo zapotřebí navrhnout nejen vhodné formální nástroje z oblastí automatů či logik, umožňující modelovat chování analyzovaných programů, ale také efektivní algoritmy pro práci s takovými modely. Tyto algoritmy následně prototypově implementovat a ověřit na vhodných případových studiích,“ uvádí doc. Jan Kofroň.
Při řešení projektu si výzkumníci mimo jiné „vlastnoručně“ ověřili, že velmi jednoduché techniky jsou mnohdy efektivnější než přístupy výrazně složitější. „V našem případě se to projevilo například u použití poměrně jednoduchých úprav formulí jedné z logik používaných při verifikaci před jejich dalším zpracováním,“ vysvětlil Vojnar.
Metody automatizovaného hledání chyb se zdokonalují, ale vyhráno není
V průběhu projektu se vědcům podařilo vyvinout a implementovat metody, které skutečně přispěly k rozšíření skupiny programů, které je možné analyzovat. Tyto metody byly implementovány v prototypech softwarových nástrojů, které je možno experimentálně nasadit i v praxi.
„Některé z našich metod vyvinutých v projektu byly implementovány v dynamickém analyzátoru ANaConDA určeném pro odhalování chyb v paralelních programech. Při experimentálním nasazení v jedné velké nadnárodní společnosti zabývající se vývojem vestavěných zařízení pak pomohly nalézt reálné chyby, o jejichž existenci společnost tušila, ale měla problém je konkrétně identifikovat,“ uvedl jako příklad z praxe profesor Tomáš Vojnar. Podle něj to ovšem neznamená, že by tímto byl problém hledání chyb v programech vyřešen. Výzkum v této oblasti nadále pokračuje a dochází k dalšímu vývoji a vylepšování existujících metod.
Projekt prof. Tomáše Vojnara a doc. Jana Kofroně byl řešen po dobu tří let a podílelo se na něm 12 výzkumných pracovníků ze dvou spolupracujících týmů (FIT VUT a MFF UK) a asi 20 studentů, převážně doktorských studijních programů. „Pro studenty je účast na projektu cennou zkušeností, kdy si mohou vyzkoušet vývoj prakticky použitelných prototypů, stejně jako vývoj nových, prakticky motivovaných metod analýzy programů,“ říká Jan Kofroň.
Publikace výsledků projektu získaly několik ocenění. Například článek o výše zmíněném nástroji ANaConDA, jehož hlavním vývojářem je Ing. Jan Fiedor, Ph.D., z projektového týmu z FIT VUT, získal cenu za nejlepší článek o nástroji na prestižní konferenci ISSTA 2018 (27th ACM SIGSOFT International Symposium on Software Testing and Analysis). Ocenění za nejlepší článek získali vědci také na významné konferenci CADE 2019 (27th International Conference on Automated Deduction), na kterém se významně podíleli Ing. Vojtěch Havlena, Ing. Ondřej Lengál, Ph.D. a Mgr. Lukáš Holík, Ph.D. rovněž z projektového týmu z FIT VUT.
Prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D. Profesor Tomáš Vojnar působí na Fakultě informačních technologií Vysokého učení technického v Brně (FIT VUT), kde absolvoval inženýrské i doktorské studium a aktuálně zde působí jako proděkan pro vědu a výzkum. Po dokončení doktorského studia pobýval dva roky v laboratoři LIAFA (nyní IRIF) na Université Paris Diderot v Paříži. Zabývá se metodami automatizované statické i dynamické analýzy a verifikace, formální analýzy a verifikace a také souvisejícími aspekty teorie jazyků, automatů a logik. Na FIT VUT založil skupinu zabývající se automatizovanou analýzou a verifikací, jejíž členové pravidelně publikují na řadě špičkových mezinárodních konferencí a spolupracují s výzkumníky z řady zemí světa (např. Německo, Rakousko, Švédsko, Velká Británie, Tchaj-wan, USA či Francie).
Doc. RNDr. Jan Kofroň, Ph.D. Docent Jan Kofroň je členem Katedry distribuovaných a spolehlivých systémů na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. Po absolvování doktorského studia strávil sedm měsíců v Německu ve Forschungzentrum Informatik Karlsruhe. Se svou skupinou se věnuje výzkumu a vývoji v oblasti metod pro symbolickou verifikaci software. Se členy skupiny pravidelně publikuje na mezinárodních konferencích a v impaktovaných časopisech a spolupracuje se zahraničními výzkumnými pracovišti.
Optimalizační modely se využívají pro maximalizování či minimalizování určených funkcí při splnění omezujících podmínek. Příkladem může být logistika: úkolem je navrhnout nejlevnější způsob přepravy zboží tak, aby byla splněna řada omezení – například, že nesmí být překročena kapacita a dojezd vozidel, že řidiči vozidel nemohou pracovat déle než osm hodin a že zboží musí být doručeno do cíle nejpozději do zadaného termínu.
Maximalizace či minimalizace funkcí velkého počtu proměnných za daných omezujících podmínek je tradiční problém, jenž se v operačním výzkumu, v matematice a v teoretické informatice studuje dlouhá desetiletí. K optimálnímu rozhodování je třeba mít kvalitní vstupní data. Jestliže vstupní data optimalizačního modelu přesně neznáme (může to být například v důsledku toho, že cena některého vstupu se může měnit), vzniká při rozhodování nejistota či neurčitost. Otevírá se pak základní otázka, zdali nepřesnost vstupních dat – třeba zdánlivě zanedbatelná – může způsobit významnou chybu při „optimálním“ rozhodování.
Odpověď na tuto otázku zkoumal tým prof. RNDr. Ing. Michala Černého, Ph.D., z Katedry ekonometrie Vysoké školy ekonomické v Praze v rámci projektu Rozhodování při nejistotě: analýza stability a robustifikace optimalizačních modelů.
Nejistotu či nepřesnost na vstupu lze modelovat mnoha způsoby, například jako náhodnou veličinu. Pak i výsledek optimalizace je náhodná veličina, jejíž vlastnosti jsou předmětem výzkumu. Jiným příkladem je nahrazení vstupních dat, která neznáme přesně, horními a dolními mezemi. Existují ale i další přístupy, které se studují v rámci tzv. robustní optimalizace.
„Toto téma zajímá náš tým dlouhodobě. Každý z členů týmu se na něj dívá odlišnou optikou. Možná to nám dává hlavní inspiraci, navzájem se od sebe neustále učíme,“ říká profesor Černý. A jak podotýká, výzkum přinesl nejedno překvapení.
„Pěkné bylo například zjištění, že jistý problém z oblasti vícekriteriálního rozhodování má úzkou souvislost s geometrickou otázkou, které jsme začali říkat problém létajících polytopů. Lze ji ilustrovat tak, že máme množinu objektů, které se pohybují v prostoru a spojitě mění svůj tvar podle jistých pravidel. Úkolem je zjistit, kolikrát se mohou srazit. To může připomínat problémy, kterými se zabývají například odborníci na grafiku a počítačové hry,“ vysvětluje profesor Černý.
Náš projekt je teoretický, avšak motivace ke zkoumání hlavního problému – jaký vliv může mít nepřesnost vstupních dat na (ne)kvalitu „optimálního“ rozhodnutí – je velmi praktická.
Práce na problémech operačního výzkumu tým přivedla k dalším oblastem, kde je možné teorii nepřesných dat využít. Například ve statistice a v ekonometrii. „Zde se také řeší optimalizační problémy, například v regresi se často minimalizují ztrátové funkce nebo se maximalizuje věrohodnost. Tyto optimalizační problémy mají odlišnou motivaci, nicméně z matematického hlediska se na ně můžeme dívat podobnou optikou a využít pro ně již hotové výsledky, na kterých jsme pracovali v rámci operačního výzkumu,“ říká profesor Černý.
Na projektu financovaném Grantovou agenturou České republiky pracoval pětičlenný tým tři roky. V týmu byli dva doktorandi, kteří již obhájili svou disertační práci. „Důležité je, že takto talentované osobnosti zůstávají ve výzkumu a pracují na vlastních projektech,“ dodává s potěšením profesor Černý. „Třetí kolegyně bude obhajovat doktorskou disertaci záhy. Poté odjíždí na půlroční zahraniční stáž. Doufám, že se k nám vrátí a bude také mít zájem pokračovat v akademické sféře.“
Tým profesora Černého nyní pracuje na dalším projektu Grantové agentury České republiky s názvem Streamovaná finanční data a související optimalizační a identifikační problémy.
Prof. RNDr. Ing. Michal Černý, Ph.D., je profesorem ekonometrie a operačního výzkumu na Katedře ekonometrie Fakulty informatiky a statistiky Vysoké školy ekonomické v Praze. Je absolventem oboru Diskrétní matematika a optimalizace na MFF UK a Mezinárodní ekonomické vztahy na VŠE. Zabývá se především speciálními optimalizačními problémy a jejich složitostními vlastnostmi. Kromě toho pracuje v oblasti statistické analýzy speciálních typů dat a modelů (např. streamovaná data, intervalová data, modely zatížené parciální identifikací). Je členem Vědecké rady FSV UK, Vědecké rady FIS VŠE a Oborové rady Pravděpodobnost a statistika, ekonometrie a finanční matematika na MFF UK.
Na celém povrchu Země udeří v průměru padesát až sto blesků za sekundu a v každém okamžiku probíhá současně asi dva tisíce bouřek. Podmínkou vzniku bleskového výboje je separace kladných a záporných nábojů a vytvoření nábojových center opačné polarity uvnitř bouřkového oblaku. Mechanismus vzniku bleskového výboje stále není zcela objasněn a je objektem intenzivního výzkumu.
Na výzkum vzniku blesků, ale též na analýzu šíření jimi způsobených elektromagnetických pulzů a studium dalších přírodních elektromagnetických emisí za použití pozemních a družicových měření se zaměřil tým Ing. Ivany Kolmašové, Ph.D., z Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd České republiky. Tým z oddělení kosmické fyziky tohoto ústavu také mimo jiné vyvinul a otestoval vysokofrekvenční přijímač elektromagnetických vln pro sondu TARANIS, jejíž mise však bohužel skončila letos v listopadu neúspěšně, když se raketa VEGA po osmi minutách letu vychýlila z plánované trajektorie. Vědci a inženýři z Ústavu fyziky atmosféry AV ČR na projektu pracovali společně se spoluřešitelským týmem z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy vedeným prof. RNDr. Ondřejem Santolíkem, Dr.
Letový model vysokofrekvenčního přijímače pro sondu TARANIS před uzavřením teplotní vakuové komory v Thales Alenia Space ve francouzském městě Toulouse, kde se prováděly povinné předletové testy přístroje.
„Naštěstí se nám podařilo shromáždit dostatečné množství dat z pozemních měření a jiných družicových pozorování, která jsme prozkoumali, abychom splnili cíle projektu a přispěli k porozumění ještě ne zcela vysvětlených jevů souvisejících s bouřkami a blesky. Zaměřovali jsme se na elektromagnetické projevy bleskových výbojů, na jejich šíření ve vlnovodu tvořeném zemským povrchem a ionosférou, a na jejich šíření v ionosféře a magnetosféře Země,“ říká k projektu financovanému Grantovou agenturou ČR Ivana Kolmašová.
Zkoumání blesků a bouřek pomocí analýzy jejich elektromagnetických projevů má podle ní dvě nesporné výhody. Jednak se dá nahlédnout dovnitř bouřkového oblaku, což jiné metody nezvládnou buď vůbec, anebo s velkými obtížemi. Další výhodou je možnost zkoumat blesky z bezpečné vzdálenosti, neboť elektromagnetické signály vyzařované bleskovými výboji či jejich částmi se šíří v závislosti na jejich frekvenci na vzdálenosti stovek až desítek tisíc km. „O těchto výhodách zkoumání blesků ovšem nemá příroda ani ponětí, a tak se nám několikrát stalo, že nám příliš blízká bouřka zničila přístrojové vybavení či jeho část, které jsme pak museli vyměnit. Také nám nezbylo nic jiného, než se smířit s odloženým startem družice a tím i se skutečností, že ke splnění cílů projektu povede komplikovanější cesta,“ vysvětluje Ivana Kolmašová.
Největšího překvapení se vědci dočkali při analýze elektromagnetických emisí, které provázejí začátek bleskového výboje uvnitř bouřkového oblaku a které byly naměřeny současně dvěma zcela rozdílnými aparaturami. „Zkoumali jsme širokospektrální měření tzv. iniciačních pulsů vyzařovaných vnitrooblakovými proudy a porovnávali je s časy a polohami zdrojů krátkovlnných emisí pocházejících rovněž zevnitř oblaku a detekovaných polem úzkopásmových přijímačů. Data jsme analyzovali jinak než v předcházejících studiích a navzdory všeobecně přijímané hypotéze o nezávislosti krátkovlnných emisí a iniciačních pulsů jsme mezi nimi překvapivě objevili velmi dobrou časovou shodu. Tu jsme vysvětlili extrémně rychlým skokovým prodlužováním vnitrooblakových proudových kanálů, ke kterému dochází na úplném začátku vývoje bleskového výboje. Tento výsledek, měnící naše dosavadní chápání těchto důležitých dějů, jsme ještě ověřili na zcela jiném souboru dat, která jsme pak analyzovali společně s kolegy z univerzity v Mississippi,“ říká Ivana Kolmašová.
Zjistili jsme, že elektromagnetické vlny pocházející z bleskových výbojů mohou mít ve vnitřní magnetosféře Země výrazně vyšší intenzitu než ostatní přírodní emise a že by bylo tedy rozumné zahrnout i tyto zdroje do modelů a předpovědí kosmického počasí.
Na projektu se podílelo 14 vědců z oddělení kosmické fyziky Ústavu fyziky atmosféry Akademie věd České republiky a katedry fyziky povrchů a plazmatu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Tým byl složen ze zkušených i začínajících vědeckých pracovníků, a nezastupitelné místo v něm měli také inženýři a technici zodpovědní za fungování měřících aparatur a ukládání naměřených dat. Za dobu tří let trvání projektu se do práce zapojilo pět studentů magisterského či doktorského studia. Dlouhý seznam spoluautorů publikací, na kterých se badatelé podíleli, ukazuje, že výzkum probíhal v široké mezinárodní spolupráci s evropskými a americkými akademickými institucemi.
„Jeden z důležitých závěrů bádání vyplývá z našeho poměrně jednoduchého vysvětlení nesouladu předchozích měření v různých frekvenčních pásmech v době vzniku bleskového výboje. Věříme, že naše vysvětlení povede ke zpřesnění algoritmu výpočtu polohy zdrojů krátkovlnného záření a k hlubšímu pochopení dějů odehrávajících se uvnitř bouřkových oblaků, kterým ještě ani zdaleka nerozumíme dokonale. Podstatné změny v algoritmu již byly vyzkoušeny v krátké kampani, na jejíž data zatím čekáme a na jejich analýzu se těšíme,“ dodává Ivana Kolmašová.
Magnetická smyčková anténa měřící v širokém pásmu frekvencí od 5 kHz do 90 MHz umístěná na vrcholu La Grande Montagne (1028 m, 43.9410 s.š., 5.4836 v.d.) na plošině Plateau d’Albion v jižní Francii.
Dalším objektem zájmu týmu jsou velmi silné zimní bleskové výboje, které mohou být nebezpečné i tím, že jsou nečekané, a to obzvláště ve vyšších zeměpisných šířkách. Porozumění vlastnostem zimních blesků, pochopení podmínek, které vedou k jejich výskytu, a hledání případných efektů jejich elektromagnetických emisí v plazmatickém okolí Země, jsou pro tým Ivany Kolmašové další výzvou, které se nyní věnuje.
Ing. Ivana Kolmašová, Ph.D., vystudovala obory radioelektronika a fyzika plazmatu na Elektrotechnické fakultě Českého vysokého učení technického v Praze. Mezi oblasti jejího zájmu patří především vlny generované přírodními bleskovými výboji a vlnové emise v magnetosféře Země a Jupiteru. Dále se věnuje kontrole kvality a planetární ochraně družicových přístrojů vyvíjených v oddělení kosmické fyziky ÚFA AVČR.
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.
Mgr. Jan Dobeš, Ph.D.
Ing. Zuzana Kadlecová, Ph.D.
Mgr. Tomáš Pluskal, Ph.D. (foto: Tomáš Belloň /ÚOCHB)
Bc. Vítězslav Titl, M.Sc., Ph.D.
prof. RNDr. Jiří Podolský, CSc., DSc. (*1963)
Michal Horsák (*1975) vystudoval zoologii na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně. V Ústavu botaniky a zoologie téže fakulty se věnuje zejména výzkumu kontinentálních měkkýšů mírného pásu, ekologii společenstev a kvartérní paleoekologii.
Tým projektu
Městská zeleň, Marche, Střední Itálie, foto Federico Morelli
Emberiza citinella v Polsku, foto C. Korkosz
Městská zeleň v Praze 6, foto Federico Morelli
Passer domesticus italiae, foto Fabio Pruscini
foto Yanina Benedetti
Tým Ústavu makromolekulární chemie AV ČR
Prof. Ing. Petr Humpolíček, Ph.D., je vedoucím výzkumné skupiny Biomateriály na Centru polymerních systémů Univerzity Tomáše Bati ve Zlíně. Tým se zabývá výzkumem a vývojem biomateriálů, především pak s ohledem na stanovení jejich interakcí s eukaryotickými organismy. Specializuje se na elektricky vodivé polymery, koloidní systémy a chytré kompozitní materiály. Jeho tým spolupracuje s řadou prestižních pracovišť v zahraničí, a to nejen v oblasti řešení konkrétních problémů, ale také skrze dlouhodobé studentské stáže.
Prof. Ing. Tomáš Vojnar, Ph.D.
Doc. RNDr. Jan Kofroň, Ph.D.
Prof. RNDr. Ing. Michal Černý, Ph.D., je profesorem ekonometrie a operačního výzkumu na Katedře ekonometrie Fakulty informatiky a statistiky Vysoké školy ekonomické v Praze. Je absolventem oboru Diskrétní matematika a optimalizace na MFF UK a Mezinárodní ekonomické vztahy na VŠE. Zabývá se především speciálními optimalizačními problémy a jejich složitostními vlastnostmi. Kromě toho pracuje v oblasti statistické analýzy speciálních typů dat a modelů (např. streamovaná data, intervalová data, modely zatížené parciální identifikací). Je členem Vědecké rady FSV UK, Vědecké rady FIS VŠE a Oborové rady Pravděpodobnost a statistika, ekonometrie a finanční matematika na MFF UK.
Letový model vysokofrekvenčního přijímače pro sondu TARANIS před uzavřením teplotní vakuové komory v Thales Alenia Space ve francouzském městě Toulouse, kde se prováděly povinné předletové testy přístroje.
Magnetická smyčková anténa měřící v širokém pásmu frekvencí od 5 kHz do 90 MHz umístěná na vrcholu La Grande Montagne (1028 m, 43.9410 s.š., 5.4836 v.d.) na plošině Plateau d’Albion v jižní Francii.
Ing. Ivana Kolmašová, Ph.D., vystudovala obory radioelektronika a fyzika plazmatu na Elektrotechnické fakultě Českého vysokého učení technického v Praze. Mezi oblasti jejího zájmu patří především vlny generované přírodními bleskovými výboji a vlnové emise v magnetosféře Země a Jupiteru. Dále se věnuje kontrole kvality a planetární ochraně družicových přístrojů vyvíjených v oddělení kosmické fyziky ÚFA AVČR.