Semena rostlin jsou nejen fascinující orgány, ale také důležitá součást našeho jídelníčku. Dobrá kvalita semen je také nezbytná z hlediska jistoty zemědělské produkce. Cílem projektu podpořeného GA ČR vedeného prof. Petrem Smýkalem z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci bylo doplnění informací o dormanci semen – tedy době, kdy semena vyčkávají na signál pro klíčení – domestikovaného a planého hrachu.
Domestikace a vývoj semen rostlin
Semena rostlin jsou základním zdrojem potravy pro lidstvo již od počátků zemědělství a zůstávají klíčovým prvkem naší stravy dodnes. Asi 70 % potravin určených k lidské spotřebě představují semena, jako jsou obiloviny (pšenice, rýže, kukuřice), luštěniny (fazole, sója), olejniny (řepka, sója, slunečnice) a mnoho dalších. Semena jsou bohatým zdrojem energie, bílkovin, vlákniny, vitamínů i minerálů a jsou nezbytná pro zabezpečení stravy rostoucí světové populace, zvláště v kontextu probíhající klimatické změny. Porozumění procesům, které umožňují semenům plnit jejich biologické funkce, je proto důležité pro pochopení nejen rozmnožování rostlin, ale má také i praktický význam pro zemědělství.
Člověk svojí pěstitelskou činností domestikoval mnoho rostlin, které proměnil na základě svých potřeb a preferencí. Důležitými kritérii byly nejen chuť, barva (Obr. 1), výnos apod., ale také snaha o odstranění dormance semen a zabránění jejich přirozenému šíření. Nebylo by přece výhodné a pro přežití ani možné, aby semena vyklíčila až po několika letech.
Obr.1: Vliv domestikace na vlastnosti semen, jejich obranyschopnost a chuť. Na levé straně je zobrazený planý hrách, který disponuje vysokým stupněm dormance, obrannými metabolity ale není vhodný na konzumaci. Vpravo je domestikovaný hrách bez dormance, avšak s nižším obsahem obranných metabolitů v osemení, vhodným ke konzumaci chuťově i nutričním složením (Klčová et al. 2024).
Fascinující svět semen
Semena rostlin jsou fascinující orgány, které umožňují přežití rostlin a jejich další šíření. Poté, co se semena oddělí od mateřské rostliny, musí přežívat v často nehostinném prostředí a vypořádat se s řadou nástrah, jako jsou kupříkladu nejrůznější skupiny patogenních organismů. V obraně semen hraje zásadní roli jejich obal, tzv. osemení, které obsahuje specifické látky (především fenolické sloučeniny) a enzymy. Struktura a chemické složení osemení ovlivňuje také dormanci semen, tedy dobu, kdy semena vyčkávají na signál pro klíčení, jež je typická pro semena planých rostlin. Tímto tématem se skupina vedená prof. Petrem Smýkalem z katedry botaniky Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci zabývá již dlouhodobě.
Vývoj semen zahrnuje koordinovanou spolupráci tří geneticky odlišných entit: embrya, které představuje další generaci, endospermu, který slouží k jeho výživě, a mateřské rostliny, která přispívá osemením a oplodím k ochraně semene. Ačkoli se morfologie semen u různých čeledí rostlin liší (a používá se taxonomicky), základní složky jsou velmi konzervované. Mnoho informací týkajících se genetické regulace vývoje embrya bylo získáno studiem mutantů, zejména huseníčku (Arabidopsis thaliana), avšak tento model neumožňuje studovat všechny aspekty vývoje semen, jako je např. fyzikálně daná dormance semen typická právě pro semena bobovitých rostlin.
Vedle zásobních látek (jako jsou škrob, olej, proteiny) semena akumulují širokou škálu sekundárních metabolitů. Zejména fenolické látky (fenylpropanoidy), alkaloidy a různé další metabolity, které zvyšují jejich toleranci k vysychání a zlepšují odolnost proti abiotickému (sucho, teplota, UV záření) a biotickému (býložravci, patogeny a rostlinní konkurenti) stresu.
Po dokončení vývoje jsou zralá semena schopna klíčit, což však může být potlačeno navozením dormance, které je spojené se snížením obsahu vody v semeni a ukládáním zásobních látek. Dormance umožňuje šíření semen jak v prostoru, tak čase (některá semena mohou přežívat i desítky až stovky a v extrémních případech i tisíce let). Po přijetí vody semeno nabobtná a obnoví se metabolická aktivita, což znamená začátek klíčení semen. Fáze klíčení je ukončena okamžikem, kdy kořenová špička (radicula) protrhne osemení (Obr. 2), a od tohoto okamžiku pak již mluvíme o klíční rostlince. Pochopení dlouhověkosti a stárnutí semen, která vede ke ztrátě životaschopnosti během skladování, má zásadní význam pro ochranu rostlin a zemědělství.
Obr. 2: Raná fáze klíčení semene hrachu, protržení osemení v místě růstu radikuly (šipka).
Dormance semen
Načasování klíčení semen je jedním z klíčových kroků v životě rostlin. Určuje, kdy se rostliny zapojí do přírodních nebo zemědělských ekosystémů, a je základem pro produkci plodin. Dormance semen a klíčení jsou dva protichůdné, ale úzce spojené procesy, které jsou druhově specifické. Rozhodující je vnímavost k podmínkám prostředí. Semena některých druhů rostlin klíčí v jejich širokém rozmezí, naopak jiné jsou úzce specializované a potřebují velmi specifické podmínky. Jejich znalost je důležitá pro pochopení evoluce rostlin a adaptace k přírodním podmínkám. Přestože dormance je užitečná pro přežití semen v přírodě, kde jsou podmínky nejisté a nekonstantní, pro zemědělství a lidskou spotřebu je žádoucí, aby semena na poli klíčila rychle.
Výzkumníci se v rámci projektu se zaměřili na popis a porovnání vývoje osemení planého a kulturního hrachu, s důrazem na odlišnosti v dormanci. V rámci řešení projektu sledovali nejenom vývoj osemení, ale také genetické a fyziologické aspekty ovlivňující dormanci semen a jejich odlišnost mezi semeny planého a kulturního hrachu. Výsledky projektu přinesly nový pohled na vývoj semen luskovin a zejména pak na vývoj osemení, a to na základě srovnávací analýzy planě rostoucích a domestikovaných druhů hrachu.
Práce vědeckého týmu pod vedením prof. Smýkala představuje první komplexní popsání molekulárně biologických mechanismů (genové exprese, proteomiky a metabolomiky) vývoje osemení hrachu ve vztahu k dormanci semen a domestikaci. Kombinované metodické přístupy (anatomie, analytická chemie, proteomika, biochemie a molekulární biologie) vedly k identifikaci nových aspektů domestikace hrachu (Klčová et al. 2024, Plant Journal) a doplnily tak předchozí studie výzkumného týmu. Navíc při zkoumání profilů metabolických látek, především fenolických metabolitů a nepolárních složek kutinu (látek voskovité povahy v buněčných stěnách rostlin), výzkumníci vyvinuli nové postupy analýzy chemického složení, které zahrnují přípravu mikrovzorků pomocí elektronicky řízené mikromanipulace pod mikroskopickou kontrolou a zobrazování hmotnostní spektrometrií s laserovou desorpcí-ionizací (Krejčí et al. 2022, Talanta).
Při pátrání po klíčových hráčích zapojených v regulaci dormance semen a vývoje osemení planých a kulturních hrachů objevili výzkumníci gen kódující enzym polyfenoloxidasu (PPO). Společnými silami s kolegy z Katedry analytické chemie (vedené doc. Petrem Bednářem) a Katedry biochemie (vedené dr. Janou Sekaninovou) Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a dalšími pracovišti se výzkumníkům podařilo poodhalit funkci tohoto genu. Zjistili, že tento gen byl během procesu domestikace selektován a jeho funkce mění vlastnosti osemení (Balarynová et al. 2022 New Phytologist), a to nejen u hrachu, ale i dalších luskovin (Jayakodi et al. Nature 2023). Prokázali, že aktivita PPO je nutná pro oxidaci a polymerizaci řady fenolických látek v osemení planého hrachu. Tyto procesy se projevují také pigmentací pupku (Obr. 3), který může představovat pomyslnou ,,Achillovu patu“ obrany semen, na což navázal v současnosti řešený nový projekt podpořený GA ČR.
Obr. 3: Vztah mezi pigmentací pupku (hila) a aktivitou PPO. a), b) – pupky semen kulturních rostlin s neaktivní formou genu pro enzym PPO, c), d) – pupky semen planých rostlin hrachu s aktivní formou genu pro enzym PPO (Balarynová et al. 2022).
Domestikace změnila vývoj semen hrachu (tak jako u jiných plodin) a modifikovala (většinou snížila) složení látek, které semeno produkuje (transkriptů, proteinů a metabolitů), zejména těch zapojených v obraně semen. Můžeme předpokládat, že semena planých předchůdců dnešních plodin mají delší životnost a odolnost vůči stresu. Toto je však potřeba ještě experimentálně ověřit. Vzhledem k tomu, že semena planého hrachu musí mnohem přesněji monitorovat a reagovat na různé biotické a abiotické signály z prostředí, je u nich vyšší rozmanitost proteinů a metabolitů přítomných v jejich osemení.
Hlubší pochopení vývoje osemení umožňuje ovlivnění velikosti semen prostřednictvím změny genové exprese a zlepšení ochrany semen během jejich klíčení a skladování. Znalost biologie vývoje a klíčení semen má široké spektrum uplatnění, zasahující od výzkumu přes praxi v zemědělství a potravinářském průmyslu až po výživu a ochranu životního prostředí.
Výsledky tohoto výzkumu poskytly cenné poznatky pro porozumění biologie rostlin a procesu dormance semen a mohou mít praktické využití při šlechtění nových odrůd hrachu s lepšími vlastnostmi klíčení a výnosu. Takové informace mohou vést k vývoji odolnějších a výkonnějších kultivarů hrachu, což může přispět ke zlepšení produkce potravin a udržitelnosti zemědělství.
Vědecký tým z Fakulty rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích pod vedením Jana Mráze učinil významné objevy v oblasti hospodářství na rybnících a výživy ryb díky projektu podpořenému Grantovou agenturou České republiky (GA ČR).
Docent Mráz a jeho tým zjistili, že přirozená potrava a ekosystém v rybnících mohou výrazně zlepšit trávení kaprů. Konkrétně plankton a rybníkový ekosystém společně pomáhají kaprům rozkládat těžko stravitelné součásti potravy, jako je celulóza, chitin nebo fosfor. Vědci také přišli na to, že v obdobích, kdy je voda čistá a vyskytuje se v ní málo řas, ale hodně drobného zooplanktonu, je trávení kaprů ještě účinnější. Tento efekt, který se nazývá „synergický efekt trávení“ a který řešitelé projektu teoreticky popsali v roce 2022 a ověřili v letošním roce, by mohl v budoucnu pomoci zlepšit a zefektivnit hospodaření na rybnících (Obr. 1).
Obr. 1 (BioRender JA26MXISBO)
Další objev, který se vědcům v rámci projektu podařil, se týká hospodaření ryb s fosforem v mělkých jezerech. Při aktivním příjmu potravy (aktivní metabolismus) ryby obvykle vyvažují své hladiny živin uvolňováním přebytečného dusíku a fosforu, což prospívá růstu řas.
Ryby však mohou ukládat více fosforu a poskytovat menší množství této živiny řasám, pokud je přijímaná potrava bohatá na lysin a methionin v poměru k celkovému příjmu bílkovinné a nebílkovinné energie (tj. podíl sacharidové a lipidové energie v celkovém příjmu energie), a to až do té míry, že by mohlo dojít k potenciální absorpci fosforu z vody. Naopak, nedostatek těchto živin v potravě vede ke zvýšenému uvolňování fosforu rybami, což podporuje růst řas. Vědci také zjistili, že šupinaté ryby mají tendenci recyklovat méně fosforu pro řasy než ryby bez šupin.
Z podpořeného výzkumu vyplývá, že ne všechny druhy uhlíku, dusíku nebo fosforu ve vodních potravních řetězcích jsou stejně důležité pro předpověď recyklace fosforu rybami. Určité formy dusíku a uhlíku mají větší vliv na regulaci hladiny fosforu. Umělé vyvažování rybí stravy a udržování populací šupinatých ryb by mohlo v budoucnu nabídnout řešení pro zvládání eutrofizace (procesu obohacování vod o živiny). Součástí výsledku projektu docenta Mráze a jeho týmu je studie zveřejněná v prestižním časopise Science of The Total Environment.
Obr. 2 (BioRender MQ26VEPQTJ)
Tato zjištění z projektu GA ČR 22-18597S představují významný krok vpřed v oblasti nutriční ekologie vodních konzumentů a teorie ekologické stochiometrie sladkovodních ekosystémů. Výsledky jsou cenné pro řízení cyklů živin a eutrofizace mělkých jezerních ekosystémů, včetně rybníků. Výzkumný tým rovněž dodržoval praxi otevřené vědy, jelikož datové sady byly spolu s publikacemi zpřístupněny veřejnosti.
Autoři článku: Koushik Roy, Ph.D., doc. Antonín Kouba, Ph.D.
Roy, K., Kajgrova, L., Capkova, L., Zabransky, L., Petraskova, E., Dvorak, P., Nahlik, V., Kuebutornye, F.K.A., Blabolil, P., Blaha, M., Vrba, J. and Mraz, J., 2024. Synergistic digestibility effect by planktonic natural food and habitat renders high digestion efficiency in agastric aquatic consumers. Science of the Total Environment, 927, 172105. (IF 2023: 9.8). Linked Dataset.
Roy, K., Vrba, J., Kuebutornye, F.K., Dvorak, P., Kajgrova, L. and Mraz, J., 2024. Fish stocks as phosphorus sources or sinks: Influenced by nutritional and metabolic variations, not solely by dietary content and stoichiometry. Science of the Total Environment 938, 173611. (IF 2023: 9.8). Linked Dataset.
Podle studie podpořené v rámci projektu JUNIOR STAR financovaném Grantovou agenturou České republiky mohla pravidelná činnost související s psaním vést ke specifickým změnám na kostrách staroegyptských písařů. Tým autorů složený z odborníků z Univerzity Karlovy, Národního muzea a Českého vysokého učení technického zkoumal kosterní pozůstatky 69 dospělých mužů (mezi nimi 30 písařů), kteří byli pohřbeni na nekropoli v egyptském Abúsíru mezi lety 2700 a 2180 před naším letopočtem. Studie byla publikována v časopise Scientific Reports.
Odborníci ze zmíněných institucí zjistili častější výskyt degenerativních změn v určitých oblastech na kostrách písařů ve srovnání s muži, kteří se věnovali jiným povoláním. Jednalo se především o artrózu čelistního kloubu, degenerativní změny krční páteře, změny v oblasti pravého ramene, pravého palce ruky a kolenního kloubu. Prokázaly se také častější změny v oblastech úponů svalů a vazů na pažní kosti a levé kyčelní kosti a rovněž vyšší výskyt plošky na pravém kotníku způsobené setrváváním v podřepu.
„Tato studie je významná mimo jiné proto, že zjištění vyššího výskytu degenerativních a jiných změn ve všech nebo většinětěchto definovaných oblastí by v budoucnu mohlo pomoci s identifikací písařské činnosti i u koster jedinců, u nichž nejsou známy tituly ani další informace o jejich životě a práci. Pokud tedy bude nalezena kostra muže se silně degenerovanou krční páteří, artrózu čelistního i ramenního kloubu nebo palce pravé ruky či kolene, bude na prvním místě otázka, zda to také nebyl písař,“ uvedla k unikátnímu výzkumu hlavní autorka Petra Brukner Havelková z Antropologického oddělení Národního muzea, která je současně také členkou Českého egyptologického ústavu Filozofické fakulty Univerzity Karlovy.
Autoři studie předpokládají, že změny pozorované na krční páteři a ramenech písařů mohou být důsledkem dlouhodobého sezení se zkříženýma nohama, s hlavou předsunutou dopředu, ohnutou páteří a bez opory rukou. Změny na kolenou, kyčlích a kotnících by mohly naznačovat, že písaři možná dávali přednost sezení s levou nohou v kleče nebo se zkříženýma nohama a pravou nohou v podřepu. Sochy a nástěnná výzdoba v hrobkách zobrazují písaře, kteří při práci kromě stoje seděli v obou těchto polohách.
„Opotřebení čelistních kloubů by se mohlo zdát u profese písaře jako velmi překvapivé, ale pravděpodobně bude důsledkem žvýkání konců stonků rákosu do podoby štětců,“ dodává Veronika Dulíková z Českého egyptologického ústavu Filozofické fakulty Univerzity Karlovy.
Veronika Dulíková během výzkumu Anchiresovy hrobky zhlíží do míst, kde se původně nacházela barevně zdobená kaple (foto Martin Frouz).
Termín „písař“ ve starověkém Egyptě třetího tisíciletí př. n. l. byl vyhrazen mužům, kteří zastávali širokou škálu správních funkcí. Tito lidé měli v tehdejší společnosti výsadní postavení, protože pouze asi 1 % obyvatelstva bylo gramotné a patřili tedy mezi elitu doby stavitelů pyramid (Staré říše). Staroegyptským písařům bývá nejčastěji věnována pozornost s ohledem na jejich postavení ve společnosti, jejich znázornění v reliéfní výzdobě nebo na náplň a způsob vykonávání jejich činnosti. Tedy téměř výhradně z pohledu egyptologie, archeologie nebo historie. Často tak chybí propojení s antropologickým výzkumem, který může doplnit tyto prameny o stopy zanechané každodenními aktivitami na kostře písaře. Existuje pouze několik antropologických studií, které se zaměřují na kosterní pozůstatky konkrétního vysoce postaveného egyptského hodnostáře a změny na jeho kostře hodnotí již s vědomím, že mohly souviset s jeho „povoláním“ písaře. Doposud nikdo se však nezaměřil na písaře jako na profesní skupinu jedinců, jejichž kostry, ve srovnání s ostatními, vykazují shodné či podobné změny, které mohou souviset s úkony, jež opakovaně vykonávali a pozicemi, v nichž museli dlouhodobě setrvávat.
Pro samotný vznik studie byla velmi důležitá vzájemná interdisciplinární spolupráce. Ve výsledném článku se tak spojují hned tři obory: antropologie, egyptologie a matematika. Díky tomu mohla vzniknout komplexní práce, která zahrnuje nejrůznější aspekty zkoumání chování a návyků staroegyptských písařů.
Výzkum vztahu mezi literaturou a společností, potažmo literární vědou a sociologií, otevírá dveře k novému chápání jak literárních děl, tak společenských kontextů, v nichž tato díla vznikají a dále existují. Podpořený projekt JUNIOR STAR Jana Váni z Ústavu pro českou literaturu AV ČR se zaměřuje na syntézu různých teoretických přístupů a jejich aplikaci v praxi. Cílem je vytvořit nový teoretický koncept, který pomůže mezioborově uchopit literární díla ve společenských kontextech, aniž by jedno redukoval na druhé.
Láska k literatuře
Sociolog a literární teoretik Jan Váňa, hlavní řešitel projektu JUNIOR STAR, je milovníkem literatury již od dětství. Díla jako Lví král nebo Heidi, děvčátko z hor, ho vedla už k raným pokusům o vlastní tvorbu poezie a prózy. Postupem času se jeho zájem přetavil v akademickou kariéru. „Jsem přesvědčený, že bytostnou motivací každého píšícího člověka, i kdyby o sobě stokrát tvrdil opak, je nějak zasáhnout do společenských vztahů, kterých je účastníkem,“ uvádí základní impuls, propojovat literaturu se sociálními kontexty, který ho přivedl k současnému výzkumu. „Právě tato nevyhnutelná, ale taky nekonečně variabilní, provázanost literárního a sociálního světa mě fascinuje a je hnací silou mého bádání, které je spjato s tvůrčím psaním jako snahou chápat svět kolem sebe,“ dodává.
Kolektivní poznávací subjekt
Výzkum se zaměřuje na propojení různých teoretických přístupů ke studiu literatury a společnosti. Zkoumá, jak vědci a vědkyně z různých oborů přistupují k analýze literárních děl, přičemž často ignorují perspektivy jiných disciplín. Cílem je vytvořit společný jazyk mezi těmito přístupy a dosáhnout nového, vyváženějšího pochopení vztahu mezi literaturou a společenskými faktory. Výzkum se snaží překonat tradiční hranice mezi obory a nabídnout komplexnější pohled na literaturu, který bere v úvahu jak textovou analýzu, tak i sociální kontext autorstva a čtenářstva.
Mgr. Jan Váňa, Ph.D., Mgr. Anna Schubertová, Mgr. Olivera Těsnohlídková a Mgr. Julija Ovsec (zleva)
Projekt je rozdělen do dvou částí. V té první dochází k provedení metateoretické analýzy toho, jak byl vztah mezi literaturou a společností zkoumán v průběhu dějin literární teorie a sociologie. V druhé části syntézou vybraných teorií vytvoří vědecký tým teoretický koncept, který bude empiricky testovat na pěti případových studiích. K tomu slouží pro humanitní vědy ne zcela obvyklá organizace práce jako laboratoře, podle níž je pojmenován i samotný výzkumný tým Literature & Society Laboratory.
„Zde zapojíme do výzkumu úzké spolubytí pěti lidí, z nichž každý má svoji vědu jinak zažitou, protože roky fungoval v odlišném oboru, instituci a někdy i národním kontextu. Velkorysost časové dotace projektu JUNIOR STAR umožňuje, aby těchto pět lidí vytvořilo něco, čemu říkám ‚kolektivní poznávací subjekt‘. Tedy aby se spolu sžili natolik, že ty různé pro ně zažité oborové rozdíly se stanou součástí něčeho, co jednotlivce – a tím pádem i jednotlivé obory – přesahuje. V tomto kolektivním střetávání, nabourávání bariér, nebo naopak ustavování kontroverzí a sporů, vidím krásný sociální experiment. A jako každý správný experiment může přinést ledacos zajímavého, co si třeba ani na začátku nedovedeme představit,“ vysvětluje, pro něj nejzajímavější část svého výzkumu, doktor Váňa.
Mezinárodní přesah
Důležitým aspektem výzkumu je jeho mezinárodní přesah. Vedle hlavního řešitele v něm za Českou republiku působí Anna Schubertová, dále Olivera Těsnohlídková ze Srbska, Julija Ovsec ze Slovinska, a nově také Hernán Maltz z Argentiny. Kvůli navázanosti literárních děl na různé národní historie je obzvlášť důležité, že se výzkum opírá o literaturu psanou různými jazyky a z různých kulturních kontextů.
Výsledkem projektu by mohla být intenzivnější spolupráce mezi sociálními a literárními vědci a vědkyněmi. Takovýto dialog obohatí jednotlivé obory a umožní jim vnímat literární díla i jejich společenské souvislosti z nové perspektivy. „Můj projekt je aplikovatelný v tom smyslu, že dává dalším badatelům a badatelkám, ale i veřejnosti, nástroje k nové formulaci a vědomému promýšlení literárních děl a společenských okolností jejich oběhu,“ přidává příklad aplikovatelnosti svého výzkumu Jan Váňa.
Mgr. Jan Váňa, Ph.D. (Show Jana Krause, 19. 10. 2022)
JUNIOR STAR
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají významnou zahraniční zkušenost. Díky pětiletému financování s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno pouze 17 z celkových 175 návrhů projektů.
Během procesu buněčné meiózy, která je nezbytná pro sexuální rozmnožování, dochází ke vzniku zlomů DNA a jejich následné opravě. PARG-1 je klíčový regulátor tohoto procesu, který hraje roli při udržování integrity genomu, a jeho studium může přinést relevantní poznatky pro lidské zdraví. Díky výzkumu podpořenému Grantovou agenturou ČR (GA ČR) zkoumal Nicola Silva z Masarykovy univerzity složitosti dynamiky oprav DNA v zárodečné linii.
Lidské buňky se skládají z 46 chromozomů, z nichž polovina je přijata od matky a druhá polovina od otce. Všechny sexuálně se rozmnožující organismy prochází procesem meiózy, při které se počet chromozomů v nově vzniklých pohlavních buňkách, spermiích a vajíčkách, sníží na polovinu. Po oplodnění se genetická informace nesená vajíčkem a spermií spojí do zygoty, čímž dojde k obnovení původního počtu chromozomů.
V průběhu meiózy existuje několik mechanismů, které zajišťují, že obě gamety, tedy spermie a vajíčko, obdrží správný počet chromozomů. Pokud je proces chybný, vede k tvorbě dysfunkčních gamet, které mohou vést k přenosu dědičných mutací na potomky.
Jedním z klíčových aspektů meiózy je výměna částí DNA u každého páru mateřských a otcovských homologních chromozomů v procesu nazývaném homologní rekombinace. V procesu zvaném crossover dojde ke vzniku takzvaných dvouřetězcových zlomů DNA (DSB z anglického double-strand breaks), mateřské a otcovské chromozomy se spojí a vymění si navzájem odpovídající části DNA sekvence. Díky crossoveru dochází přeuspořádání genetické informace v dceřiných buňkách a vzniku genetické rozmanitosti.
Počet zlomů vzniklých během meiózy v pohlavních buňkách je ovšem výrazně vyšší než počet crossoverů, což naznačuje, že opravné systémy, které využívají homologní sekvence k obnovení integrity genomu, se také podílejí na opravě zlomů, které ke crossoveru nevedou.
Přísná regulace počtu dvouřetězcových zlomů DNA
Přerušení řetězce DNA představuje nebezpečí z hlediska zachování integrity genomu, a proto musí být jejich počet, umístění i aktivace DNA opravných systémů, pečlivě regulovány. Vědci již identifikovali řadu genů, které jsou zodpovědné za procesy opravy DNA. Mutace v jakémkoliv z těchto opravných genů mohou u lidí výrazně zvýšit riziko vzniku nádorových onemocnění. Příkladem mohou být geny BRCA1/BRCA2, jejichž mutace je spojována se zvýšeným rizikem rakoviny prsu a vaječníků nebo Fanconiho anémií.
Jednou z cest, jakými je možné kontrolovat opravy DNA, je připojení chemických skupin k proteinu po jeho syntéze nebo odstranění signálních peptidů po buněčné lokalizaci v procesu nazývaném post-translační modifikace. Jednou z hlavních změn, ke kterým dochází v odpovědi na poškození DNA, je poly-ADP-ribosylace (PARylace), proces, při kterém jsou na substráty přidány jednotky ADP-ribózy, což vede k regulaci jejich aktivity. Ačkoli byla PARylace rozsáhle studována na výzkumných modelech ex vivo, její studium v živém savčím organismu je obtížné kvůli embryonální letalitě spojené s mutací, která vede k úplné ztrátě funkce u jejích „zapisovatelů“, PARP1/2. Tyto enzymy jsou zodpovědné za syntézu řetězců ADP-ribózy v reakci na genotoxický stres. In vivo studium také komplikuje enzym „vymazávač“ PARG, který působí proti aktivitě PARP1/2 tím, že rozkládá řetězce ADP-ribózy.
Hlístice Caenorhabditis elegans, která je často využívaná jako modelový organismus pro studium stability genomu, poskytuje obrovskou výhodu ve srovnání s jinými modelovými organismy, protože toleruje mutace, které vedou k zániku funkčnosti genů PARP1/2 i PARG, což umožňuje studium jejich funkce v zárodečné linii.
Nicola Silva z Biologického ústavu Lékařské fakulty Masarykovy univerzity díky projektu financovanému GA ČR provedl podrobnou in vivo analýzu rolí, kterou tyto proteiny plní, což vedlo k identifikaci jejich klíčových funkcí, zejména PARG-1 (homolog savčího PARG u C. elegans) během meiózy.
Díky využití technik úprav genomu (CRISPR) byli výzkumníci schopni lokalizovat pozici PARG-1 při vývoji vajíček. Jejich analýza odhalila, že PARG-1 je nedílnou součástí důležité meiotické proteinové struktury, která udržuje chromozomy pevně spojené během meiózy a nazývá se Synaptonemální komplex (SC), viz Obrázek 1.
Obrázek 1. Vajíčka v uvedeném stadiu obarvené na různé podjednotky SC a PARG-1 (GFP). Janisiw a kol.; Nature Communications, 2020.
Výzkumníci si také všimli, že PARG-1 vytváří proteinové komplexy s proteiny zapojenými do indukce a zpracování meiotických dvouvláknových zlomů také u jiných druhů. Díky studiu C. elegans zjistili, že je PARG-1 je důležitý pro regulaci počtu zlomů DNA během vývoje zárodečných buněk a napomáhá jejich přesné opravě pomocí homologní rekombinace, viz Obrázek 2.
Obrázek 2. Vajíčka obarvená na různé podjednotky SC a místa crossoverů u mutantů se sníženým počtem DSB po ozáření.; Janisiw a kol.; Nature Communications, 2020.
Vědci také zjistili, že PARG-1 hraje díky schopnost lokalizovat se podél chromozomů klíčovou roli při indukci dvouvláknových zlomů a homologní rekombinaci, což naznačuje, že nejenže vykonává enzymatické funkce, ale je důležitý i ze strukturního hlediska.
Výzkumníky také zajímala proteinová struktura, kterou PARG-1 a další proteiny vytváří v zárodečných buňkách. Tato analýza vedla k identifikaci fyzické a funkční interakce s komplexem BRC-1-BRD-1, který je u člověka homologem BRCA1-BARD1. Tyto proteiny hrají hlavní role při regulaci stability genomu v mitotických buňkách, avšak jejich funkce během meiózy je složitější. Výzkum odhalil, že současná odstranění PARG-1 a BRC-1 způsobí zvýšenou neplodnost v důsledku rozsáhlé nestability genomu. Zejména výzkumníci pozorovali, že mnoho DNA poškození vzniklých během meiózy nebylo správně opraveno, což vedlo k vytvoření fúzí chromozomů a sníženému množství rekombinací.
Při odstranění různých opravných drah DNA spolu s BRC-1/PARG-1 pozorovali výzkumníci zhoršující se integritu genomu způsobenou nedostatkem polymerázy POLQ-1, o které víme, že hraje roli při realizaci důležité opravné dráhy DNA nazývané alternative non-homologous end joining.
Obrázek 3. Vajíčka uvedeného genotypu a stádia obarvené na marker jednořetězcové DNA, který zvýrazňuje přítomnost neopraveného poškození v nepřítomnosti BRC-1-PARG-1.; Trivedi a kol.; Nucleic Acids Research, 2022.
Výzkum Nicola Silvy byl prvním in vivo důkazem, že při narušené funkci BRC-1/BRCA1 je aktivita PARG-1/PARG nezbytná pro zachování integrity genomu v gametách. Navíc jeho zjištění o letalitě vyvolané současným zrušením funkce POLQ-BRCA1 má obrovský význam pro léčbu rakoviny a je v souladu s nedávnými výzkumy, které u lidí vykazují slibné výsledky při cílení na nádorové buňky pomocí inhibitorů POLQ a mohly by sloužit jako nová cesta ke zlepšení léčebných výsledků u nádorů s mutacemi BRCA1. Jeho práce zdůrazňuje klíčovou roli, kterou modelové systémy hrají při analýze konzervovaných drah u jednodušších organismů.
Před pouhými dvaceti lety se světu otevřela brána do fascinujícího světa grafenu – látky s jedinečnými fyzikálními vlastnostmi. Mezi ty, kdo se ponořili do jeho zkoumání, patří i Martin Rejhon z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy. Ve svém JUNIOR STAR projektu se zaměřuje na růst tří grafenových vrstev na sobě s cílem zajistit jejich využitelnost ve vývoji elektronických a optoelektronických zařízení.
Cesta ke grafenu
Grafen je speciální forma uhlíku, která má na výšku pouze jeden atom. Je tak 2D strukturou, která navíc nabízí ojedinělé fyzikální vlastnosti. Jedná se o materiál objevený poměrně nedávno, konkrétně v roce 2004, a v roce 2010 byla za něj udělena Nobelova cena. V tomto roce řešitel projektu JUNIOR STAR Martin Rejhon teprve nastupoval do bakalářského studia.
Výzkumu grafenu se věnuje od začátku doktorského studia. „Během doktorského studia jsem získal univerzitní grant na zkoumání světelných vlastností spojení karbidu křemíku [pozn. red.: sloučenina tvořená křemíkem a uhlíkem], označovaného jako SiC z anglického silicon carbide, a grafenu. Díky grafenu jsem se také dostal na stáž a později na postdoktorandský pobyt na New York University, kde jsem se zabýval mechanickými vlastnostmi 2D materiálů a jejich strukturálními změnami vyvolanými aplikovaným tlakem,“ popisuje doktor Rejhon svou cestu k výzkumu grafenu.
Kontrola atomárních vrstev grafenu
Při vysokých teplotách, dosahujících až 1700 °C, dochází k porušení kovalentních vazeb mezikřemíkem a uhlíkem karbidu křemíku, kdy křemík odlétá z povrchu, zatímco zbývající uhlík se začíná formovat do hexagonální struktury, tzv. včelí plástve, a utváří 2D materiál zvaný grafen.
V rámci svého projektu JUNIOR STAR se doktor Rejhon zaměřuje na přípravu více vrstev grafenu na sobě. „Abychom byli schopni kontrolovat uspořádání více grafenových vrstev, bude potřeba správně nastavit růstové podmínky, jako je teplota, čas, tlak a další. Na obrázku 1 je vidět práce s naší současnou růstovou aparaturou. V dolní části obrázku je patrný jasně bílý váleček, kde se ohřívá substrát SiC na vysoké teploty,“ vysvětluje svůj nelehký úkol řešitel projektu.
Obrázek 1 – Růstová aparatura grafenu
ABC uspořádání
Způsob, jakým jsou na sebe jednotlivé atomární vrstvy látek skládány, ovlivňuje jejich vlastnosti. Jeden způsob složení atomárních vrstev může z látky udělat izolant, zatímco jiný z ní vytvoří supravodič. Z tohoto důvodu je důležité mít nad způsobem uspořádání těchto atomárních vrstev kontrolu. „Náš výzkum bude primárně soustředěn na růst tří atomárních uhlíkových vrstev v ABC uspořádání, které má jedinečné vlastnosti vhodné pro aplikace v elektronice a optoelektronice. ABC uspořádání bohužel není nejběžnějším a v přírodě se více vyskytuje uhlík v ABA uspořádání nebo v úplně náhodném uspořádání,“ představuje hlavní oblast soustředění Martin Rejhon.
Součástí výzkumu bude příprava vzorků v ABC uspořádání, které vědci podrobně charakterizují a určí nejvhodnější parametry pro přípravu a složení grafenových vrstev. „Díky získanému grantu JUNIOR STAR pořídíme speciální mikroskop. Jeho princip si můžete zjednodušeně představit jako gramofon, kdy jehla jezdí po povrchu a zaznamenává výšku. Toto zařízení nám dovolí lokálně zkoumat elektrické, mechanické a další vlastnosti na škálách jednotlivých atomů až po mikrometry. Jakmile zvládneme růstovou etapu, pustíme se do vývoje elektronických a optoelektronických zařízení na ABC grafenu,“ dodává řešitel projektu.
Nové možnosti v elektronice a optoelektronice
Výzkumný tým si od projektu slibuje objevení nových možností využití grafenu v elektronice a optoelektronice. „Chceme například ukázat jeho možné využití jako detektoru dalekého infračerveného záření a záření v terahertzové oblasti. Tyto oblasti jsou v současnosti lákavé pro jejich využití v medicíně nebo bezpečnostních či komunikačních aplikacích,“ zmiňuje doktor Rejhon. Jedním z možných praktických využití výsledků bude nahrazení běžně používaného rentgenového záření, které je pro organismus škodlivé.
Mezinárodní tým z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy na výzkumu spolupracuje s americkými New York University a Sandia National Laboratories nebo italským institutem Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati.
RNDr. Martin Rejhon, Ph.D.
JUNIOR STAR
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a mají významnou zahraniční zkušenost. Díky pětiletému financování s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno pouze 17 z celkových 175 návrhů projektů.
Zkoumání lipidů, v tomto případě zejména tuků v lidském těle, vedlo profesora Michala Holčapka a jeho kolegy k vytvoření konceptu včasného zjišťování hned několika různých typů rakovinných nádorů. Tedy jejich rozpoznání v době, kdy se dají úspěšněji léčit. Jejich výzkumný projekt byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR a vznikla i firma, která chce jeho výsledky uvést do praxe.
Michal Holčapek je profesorem analytické chemie na Fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice. Už více než dvacet let se zabývá výzkumem lipidů. Lipidy nejsou jen rostlinné oleje nebo živočišné tuky, ale také celá řada látek, které plní důležité role v lidském organismu, tvoří například materiál pro stavbu buněčných membrán, přenášejí informace uvnitř buněk nebo v mezibuněčné komunikaci.
„Z pohledu vědy jsou lipidy moc zajímavé sloučeniny. A čím víc jsem je poznával a psal o nich vědecké práce, tím víc jsem přemýšlel, jak tohle poznání využít ještě jinak, nejlépe v medicíně,“ popisuje profesor Holčapek.
V roce 2010 byl na dvou konferencích ve Spojených státech a přelétal mezi americkými městy Phoenix a Salt Lake City. „V letadle jsem spíš z nudy vzal do ruky časopis letecké společnosti, kde byl docela zajímavý populární článek o nádorech. A mně to najednou sepnulo – vždyť lipidy přece tvoří membrány i v nádorových buňkách. Bylo by výborné využít naše znalosti k tomu, aby se dala zjišťovat rakovina!“ vzpomíná Michal Holčapek.
Stavební materiál rakovinných buněk
Nádorové buňky jsou nebezpečné zejména tím, že se nekontrolovaně a rychle množí. To ovšem znamená, že potřebují hodně „stavebního materiálu“, tedy i lipidů, které nutně potřebují pro stavbu membrán. Už dřívější studie ukázaly, že lipidy v nádorových buňkách mají trochu jiné složení než v buňkách normálních.
Změny koncentrací lipidů se neprojevují pouze v buňkách a nádorových tkáních, ale lze je detekovat i v tělních tekutinách, jako například v krvi nebo v moči. „Řekl jsem si tehdy: Pokud tyto ,rakovinné‘ lipidy zjistíme v tělních tekutinách, které se lidem dají velice snadno odebrat, můžeme tak určit, že tito lidé jsou nemocní,“ vysvětluje Michal Holčapek.
Společně s kolegy z Pardubic se spojili s vědci a lékaři z Univerzity Palackého v Olomouci a tamní Fakultní nemocnice, z Masarykova onkologického ústavu v Brně a dalších nemocnic. Získávali od nich biologické vzorky od nemocných pacientů i zdravých osob a určovali, čím se lipidy v nich liší.
Tři nemoci na mušce
„V našem zatím posledním výzkumném projektu, který financovala Grantová agentura ČR, jsme se zaměřili na nádory ledvin, a spíše pro srovnání jsme tam přidali i rakovinu slinivky břišní a plic. Ukázalo se však, že nejlíp se nám daří ze vzorků krve identifikovat nádory slinivky. Takový test na světě neexistuje,“ zdůrazňuje Michal Holčapek. Mezi řadou odborných publikací, které výzkumníci připravili, je právě článek o určování tohoto nádoru zlatým hřebem – publikoval jej prestižní vědecký časopis Nature Communications.
Nádory slinivky přitom patří mezi nejzákeřnější. Obvykle se totiž dají zjistit, až když jsou v příliš pokročilém stádiu a léčí se obtížně. Jejich včasná diagnostika je tedy pro nemocného životně důležitá.
Patenty i univerzitní firma
„Naše analytické postupy jsou velmi přesné, využíváme špičkové přístroje pro hmotnostní spektrometrii, kapalinovou chromatografii i superkritickou fluidní chromatografii. V případě lipidů zkoumáme koncentrace několika set různých molekul,“ konstatuje profesor Holčapek. „Jeden údaj by nám k ničemu nestačil, ale právě kombinace takového množství dat nám umožňuje velmi dobře určit, která z vyšetřovaných osob má nádorové onemocnění.“
Výzkumníci vytvořili vlastní software pro vyhodnocování naměřených výsledků. Získali už evropský patent na postup pro určování karcinomu slinivky, další evropský patent, pro diagnostiku nádorů ledvin, je zatím ve schvalovacím řízení. Tytéž patenty přihlásili i v USA, Japonsku a Singapuru.
Loni v květnu Univerzita Pardubice a pardubická společnost FONS založily společnou firmu LipiDiCa, která by měla převést tuto diagnostiku do klinické praxe.
„Naší představou je, že metoda by se dala používat pro screening rizikových skupin populace. Tedy lidí, v jejichž rodině se nádory opakovaně objevují, nebo kteří mají genetické mutace, jež riziko vzniku nádoru zvyšují,“ říká Michal Holčapek. „Další aplikace by měla být k dispozici pro lidi, kteří mají příznaky, jež by mohly být způsobeny nádorovým onemocněním.“
Celý test by podle předběžných propočtů měl stát asi dva a půl tisíce korun – od nabrání krve, přes zpracování vzorku až po vyhodnocení.
Prof. Ing. Michal Holčapek, Ph.D., pracuje na Fakultě chemicko-technologické Univerzity Pardubice, je analytickým chemikem a dvacet let se zabývá výzkumem lipidů. Vystudoval Univerzitu Pardubice, kde v roce 1999 získal doktorát, v roce 2009 se stal docentem a v roce 2013 profesorem. Absolvoval několik krátkých odborných stáží ve Francii, USA a Norsku. Je viceprezidentem Mezinárodní lipidomické společnosti.
Stres, úzkost a deprese během těhotenství mohou mít dlouhodobé důsledky na vývoj dítěte a mohou zapříčinit emoční a behaviorální problémy. Dosud však není dobře známo, jakými mechanismy k přenosu mezi matkou a plodem dochází. Ambiciózní projekt JUNIOR STAR Kláry Marečkové z výzkumného centra CEITEC si dal za cíl odhalení těchto mechanismů a přispění k vysvětlení vztahu mezi duševním zdravím matky během těhotenství a mozkem a chováním dítěte.
Cesta k tématu
K tématu vlivu zdraví matky během těhotenství na vývoj mozku a chování dítěte se řešitelka projektu Klára Marečková poprvé dostala v rámci svého doktorského studia v Anglii.
„V rámci svého Ph.D. studia mě velmi zaujala studie dvouvaječných dvojčat, která prokázala, že ti, co byli v děloze s chlapcem – nehledě na to, jestli oni samotní byli dívky či chlapci – měli v důsledku vyšší hladiny prenatálních androgenů (mužských pohlavních hormonů) větší mozek než ti, co byli v děloze s dívkou. Androgeny, které produkoval plod chlapce, se difuzí dostaly ke druhému dvojčeti a zásadně ovlivnily vývoj jeho mozku směrem k maskulinitě,“ objasňuje řešitelka, proč ji téma poprvé oslovilo.
Dále, již jako postdoktorandka na Harvardu, studovala vliv několika zánětlivých markerů (látek v krvi, které jsou obvykle známkou přítomnosti zánětu) u matek během těhotenství na funkci mozku jejich potomků. Tyto a další výzkumy a jejich výsledky přiměly řešitelku se oblasti mechanismů prenatálního programování věnovat na svém pracovišti naplno a následně úspěšně žádat o grant JUNIOR STAR od Grantové agentury ČR.
Pochopení vývojových mechanismů
Cílem podpořeného projektu, jak již bylo řečeno, je pochopit mechanismy, které v těhotenství ovlivňují vývoj mozku a které mají následně vliv na chování dítěte. K odhalení a pochopení těchto mechanismů je potřeba obrovského množství dat.
V rámci projektu tak probíhá pravidelný sběr biologických vzorků nejen dětí, ale i maminek v průběhu těhotenství. Děti také absolvují psychologické vyšetření kognitivních schopností a vyšetření magnetickou rezonancí.
„Budeme například zkoumat souvislost biologického věku matky během těhotenství, biologického věku děťátka po narození a biologického věku dítěte v 6 letech na strukturu a funkci mozku těchto šestiletých dětí. Zajímá nás také, jak prostředí, jako například socioekonomický status, sociální podpora, zdravotní stav před otěhotněním nebo vystavení toxickým látkám může tyto vztahy zesilovat, nebo naopak zmírňovat,“ uvádí hlavní výzkumné otázky projektu Klára Marečková.
Přenos výsledků do praxe
Pokud se v rámci projektu prokáže vliv konkrétních zánětlivých markerů nebo jejich kombinací během těhotenství na vývoj mozku dítěte, mohly by se tyto hladiny markerů v budoucnu u všech těhotných monitorovat a regulovat pomocí protizánětlivých diet nebo léčby tak, aby k neoptimálnímu vývoji mozku a vývojovým poruchám u dětí nedocházelo. Pokud by se prokázalo, že existují nějaké enviromentální vlivy, které zánětlivé markery a biologické stárnutí ovlivňují, například jejich vliv zesilují nebo naopak mírní, mohlo by se cílit i na ně. Takovéto cílené intervence by pak zamezily mezigeneračnímu přenosu neurovývojových a duševních poruch.
Vesmírné vyšetření
Kvůli obavám z hladkého průběhu vyšetření dětí magnetickou rezonancí (MR), výzkumný tým upravil a nadále upravuje prostředí výzkumného institutu CEITEC. „Vyšetření magnetickou rezonancí bude pro děti motivované cestou do vesmíru. U MR skeneru tedy už máme velkou raketu, na stěnách obrázky planet a malých astronautů. Děti si také budou moct obléct do skafandru plyšového medvídka, kterého si pak sami zkusí vyvézt na lehátku do skeneru, než do něj půjdou sami. Během MR vyšetření samotného jim pak budeme na obrazovku pouštět kreslenou pohádku a po vyšetření na ně bude čekat odměna,“ vysvětluje řešitelka projektu JUNIOR STAR a dodává, že prvním pilotním účastníkem studie byla její sedmiletá dcera, která byla z vyšetření nadšená.
Hlavní řešitelka projektu Klára Marečková, Ph.D., M.Sc.
JUNIOR STAR
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro excelentní začínající vědce, kteří získali titul Ph.D. před méně než 8 lety a kteří již publikovali v prestižních mezinárodních časopisech a absolvovali významnou zahraniční stáž. Díky pětiletému projektu s možností čerpat až 25 milionů Kč umožňují granty JUNIOR STAR vědecké osamostatnění a případné založení vlastní výzkumné skupiny. Na podporu dosáhne pouze zlomek podaných projektů. Pro rok 2024 bylo podpořeno 17 z celkových 175 návrhů projektů.
Chemik Radek Cibulka z Vysoké školy chemicko-technologické se snaží položit základy nových metod pro fotochemické redukce, díky kterým bychom v budoucnu mohli v některých chemických syntézách nahradit toxické nebo drahé kovy. V loňském roce za svůj projekt získal čestné uznání předsedy Grantové agentury České republiky.
V syntetických chemických reakcích, které nám umožňují připravit řadu užitečných látek, například léčiv, barviv nebo organických materiálů, se uplatňují rozličná činidla a katalyzátory. Ty jsou často vysoce účinné a selektivní, ale mohou být problematické z hlediska životního prostředí z důvodu jejich toxicity a nebezpečnosti, nebo jsou velmi drahé a s omezenou dostupností.
Výzkum Radka Cibulky nás přiblížil k možnosti provádět redukce v organické syntéze ekologičtější cestou pomocí světla a jednoduchých organických látek, které se běžně vyskytují v buňkách živých organismů, a které nazýváme flaviny. Flaviny jsou obsažené ve více než tisícovce enzymů, kde zastávají řadu funkcí, zejména při přenosu elektronů. Nejznámější z flavinů je vitamín B2, riboflavin, který si řada organismů vyrábí. Člověk tuto schopnost nemá, a proto jej musí přijímat v potravě.
Světlo jako zdroj energie
Doménou Radka Cibulky je fotoredoxní katalýza, tedy oblast chemie, která využívá světlo a katalyzátory k pohánění chemických reakcí. Princip fungování takových reakcí není složitý: když na molekulu katalyzátoru posvítíme viditelným světlem, tak jej pohltí a dostane se do vyššího energetického stavu, ve kterém je reaktivnější než ve stavu základním, a ochotněji tak reaguje s okolními látkami.
Fotoredoxní katalyzátory mohou výchozí chemické látky buď oxidovat, nebo redukovat. Známe řadu silných fotochemických oxidačních činidel, ovšem skutečně silné fotoredukční činidlo nám bylo ještě donedávna neznámé. „V době, kdy jsme žádali o grant, už byly známé redukční systémy fungující na bázi organických molekul a světla, ale rozhodně nebyly dostatečně silné. Naším cílem bylo najít katalyzátor, který by umožňoval redukce chemicky těžko opracovatelných systémů, jako jsou například elektronově bohaté halogenbenzeny,“ vysvětluje Radek Cibulka hlavní smysl jeho výzkumu. „V průběhu řešení projektu se začaly objevovat zahraniční práce na podobné téma, které nám potvrdily, že jde o důležitý a atraktivní směr výzkumu a konkurenční prostředí.“
Flavin jako klíč
Vhodné organické redukční činidlo začal Radek Cibulka hledat mezi flaviny. „Vycházeli jsme z toho, že flaviny vystupují v přírodě jako oxidační i redukční činidla, a navíc jsou schopná absorbovat viditelné záření. Chemici je běžně využívají v oxidačních reakcích, ale my jsme měli na základě předchozích výzkumů signály, že by mohly mít daleko větší uplatnění při redukcích,“ popisuje jeden z důležitých momentů.
Prvním krokem k úspěchu výzkumu Radka Cibulky a jeho kolegů bylo nalezení vhodného derivátu flavinů. Kromě svých zkušeností a popisu vlastností jednotlivých derivátů využíval také kvantově chemické výpočty. „Odhalit správný derivát byl asi nejtěžší krok celého projektu. Nejprve jsme zkoušeli využít analoga vitamínu B2, ale s výsledky jsme nebyli spokojeni, a proto jsme se uchýlili k jinému derivátu, deazaflavinu.“ Ten se vyskytuje ve fotosběrných systémech některých enzymů, a jeho redoxní potenciál je daleko zápornější, což indikuje, že je vhodnější pro redukce. „Jakmile jsme to zjistili, tak se projekt rozběhl na plné obrátky,“ popisuje Radek Cibulka.
V další fázi bylo nutné katalyzátory syntetizovat a otestovat na modelových reakcích. „První pokusy neměly příliš vysoké výtěžky, ale jak já říkám, když je výtěžek 10 %, tak proč by nemohl být 90 %,“ přibližuje Radek Cibulka své odhodlání. Zvýšit výtěžek se chemikům podařilo díky vhodné úpravě struktury deazaflavinových katalyzátorů, optimalizaci rozpouštědel a také množství aditiv přidávaných do reakční směsi. Nalezenou metodiku pro redukce pak ve skupině Cibulky vyzkoušeli na širokém spektru substrátů, aby zjistili její případná omezení.
Zásadní a velmi náročnou částí projektu bylo prokázání reakčního mechanismu, který musel Radek Cibulka a jeho kolegové znát, aby mohli metodu dále rozvíjet. Bylo potřeba ukázat, které zásadní meziprodukty se v reakční směsi vyskytují. „Ve fotoredoxní katalýze to často bývají radikály a molekuly v excitovaném stavu, což jsou částice žijící jen velmi krátkou dobu. Jejich prokázání tedy není jednoduché a výzkum je časově náročný,“ vysvětluje Cibulka. Mechanismus reakce řešil ve spolupráci s kolegy z Univerzity v Regensburgu a jeho znalost navíc pomohla výsledky opublikovat v prestižním odborném časopise.
Před tím, než budeme moci flaviny při redukcích běžně využívat, třeba v průmyslovém měřítku, čeká chemiky ještě dlouhá cesta. „Zatím se pohybujeme v oblasti základního výzkumu a širší využití bude vyžadovat další zkoumání.Budeme muset například vyřešit otázku stability flavinů, protože většina z nich je mimo enzym relativně nestabilní. Když je porovnáme s tradičními kovovými redukčními katalyzátory, tak zjistíme, že vydrží jenom omezený počet katalytických cyklů,“ uzavírá svůj výzkumný příběh chemik Cibulka.
Díky grantové podpoře se mohlo do výzkumu Radka Cibulky zapojit několik magisterských i doktorských studentů, vznikla knižní publikace a také několik kvalitních odborných článků, včetně dvou velmi prestižních publikací v časopisech Nature a Nature Communications.
Při nedostatku kyslíku nebo živin buňky podléhají stresu. Osud stresované buňky z velké míry řídí protein ATF4. Ten zajišťuje, aby se buňky ze stresu rychle vzpamatovaly a nestaly se pro své okolí nebezpečné – například nekontrolovaným dělením a vznikem nádorových onemocnění. Vědci z Mikrobiologického ústavu AV ČR teď za podpory Grantové agentury České republiky (GA ČR) významně rozšířili popis již víc než dvacet let ustanoveného molekulárního mechanismu, kterým buňka hlavní „protistresový“ protein vytváří, a popsali novou, mnohem složitější cestu k jeho tvorbě. Výsledky, které publikoval časopis Cell Reports, jsou klíčové pro pochopení, jak naše těla reagují na stres. Mohou tak v budoucnu napomoci výzkumu léčebných terapií proti řadě onemocnění.
Buňka, stejně jako lidské tělo, podléhá v nepříznivých podmínkách stresu. Protein ATF4 je důležitým nástrojem, jenž slouží k tomu, aby se buňka dokázala se stresem vyrovnat. „Protistresovým“ proteinem a mechanismem jeho produkce se deset let zabývala Laboratoř genové exprese v Mikrobiologickém ústavu AV ČR. Vědci do detailu popsali molekulární mechanismus, kterým buňka protein tvoří, a to pouze v okamžiku, kdy se ocitne ve stresové situaci.
„Zatímco během stresové situace se syntéza velké většiny proteinů v buňce prakticky zastaví, syntéza ATF4 se naopak „rozjede“ na plno. Děje se tak díky speciálním regulačním prvkům, které se nacházejí na začátku mRNA, jež tento protein kóduje,“ vysvětluje vedoucí laboratoře Leoš Shivaya Valášek z Mikrobiologického ústavu AV ČR.
Protein, který řídí osud stresovaných buněk
Buňky si jako reakci na stresové situace vyvinuly různé mechanismy. Příkladem jsou signální dráhy, které po aktivaci cíleně ovlivňují a mění chování buňky.
Právě ATF4 protein je klíčovým průsečíkem několika takových signálních drah, který udává, co se stane se stresovanou buňkou hned v několika ohledech.
„Tento protein umožní buňce v okamžiku úplně přeprogramovat její činnost, aby všeho nechala a veškerou energii soustředila na vyrovnání se s daným stresem. Pokud se jí to v přesně daném časovém okamžiku nepodaří, ATF4 spustí tzv. programovanou buněčnou smrt, aby se takto stresovaná buňka nestala pro své okolí nebezpečnou – např. zhoubnou, tedy nekontrolovaně se dělící,“ vysvětluje Anna Smirnová z Mikrobiologického ústavu AV ČR.
Nově popsaný mechanismus významně rozšiřuje předchozí teorii
Mechanismus, jakým buňka ve stresových situacích ATF4 syntetizuje, popsaly ve dvou prestižních publikacích už v roce 2004 hned dvě vědecké skupiny – skupina Dr. Ronalda Weka v Indiana University School of Medicine a skupina Dr. Davida Rona v University of Cambridge.
„Dlouho se pak mělo za to, že tato mnoho let trvající záhada byla jednou pro vždy vyřešena. Časem se ale začaly hromadit výsledky jiných studií, které naznačovaly, že molekulární mechanismus regulace syntézy tohoto důležitého bojovníka proti stresu je mnohem složitější, než se původně zdálo,“ říká Leoš Shivaya Valášek.
Na základě těchto studií začali vědci v Mikrobiologickém ústavu AV ČR jejich desetiletý výzkumný projekt. „Shodou okolností den poté, co byl tento článek přijat, přednášel člen Britské královské společnosti David Ron v Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR jako zvaný řečník. Sešel jsem se s ním a čerstvě přijatý manuskript mu předal s věnováním a přáním, aby mu cesta zpět domů s tímto manuskriptem v ruce rychle utekla,“ dodává badatel.
Přizpůsobení budoucích terapií
Objev je důležitý při zkoumání nových léčebných terapií. „Vzhledem k tomu, že deregulovaná syntéza ATF4 provází různé patologické stavy, včetně nádorových onemocnění, naše práce jasně ukazuje, že při zvažování vhodných terapií, které cílí na ATF4, je třeba brát na zřetel komplexnost kontroly syntézy tohoto klíčového regulátoru života či smrti stresovaných buněk,“ doplňuje.
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.
