Gabriela Pavlínková z Biotechnologického ústavu AV ČR zkoumá molekulární mechanismy, které se podílejí na vývoji sluchového ústrojí. Jejich znalost v budoucnu může pomoci při biologické léčbě sluchových vad. V loňském roce za svůj výzkum získala čestné uznání předsedy Grantové agentury České republiky.
Sluch je jedním z pěti základních lidských smyslů, který nám umožňuje komunikaci a spojení s ostatními lidmi. Jeho ztráta s sebou přináší velkou izolaci a může vést i k těžkým psychickým problémům. Neslyšící se podstatně hůře orientují v aktuálním dění, nemohou vést konverzaci s okolím a postupně přichází o schopnost formulovat své myšlenky.
Počet lidí s poškozeným sluchem neustále roste a rizikovou skupinou již zdaleka nejsou jen senioři, ale například i mladí lidé, kteří jsou denně vystavováni vysoké hladině hluku v centru velkých měst. Řada dětí se také s poškozeným sluchem již narodí a jiní o jeho dobrou kvalitu přicházejí v průběhu života následkem úrazu, infekce nebo stáří.
Ztráta sluchu způsobená poškozením senzorických buněk nebo neuronů a je nevratná, protože tyto buňky nejsou schopné regenerace. Pomoc lidem se zhoršujícím se sluchem mohou v současnosti nabídnout technologie v podobě kochleárních implantátů nebo naslouchátek. V budoucnu by mohla také pomoci biologická léčba, konkrétně naprogramování kmenových buněk tak, aby například nahradily chybějící neurony a senzorické vláskové buňky. A právě studiem molekulárních mechanismů, které by k tomu mohly přispět, se ve svém výzkumu podpořeném Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) zabývala Gabriela Pavlínková z Biotechnologického ústavu Akademie věd České republiky.
Hlemýžď vnitřního ucha jako výborný model
Cílem výzkumu Gabriely Pavlínkové je pochopit, jak se v průběhu vývoje formuje sluchová dráha, která převádí sluchové informace z vláskových buněk v hlemýždi přes řetěz neuronů do sluchové kůry předního mozku. „Hlemýžď vnitřního ucha je výborný model pro studium, protože má jasnou strukturu, kterou tvoří několik řad vláskových buněk a na ně napojené neurony. Díky tomu můžeme pozorovat dopad faktorů, které vedou k narušení buněčné struktury hlemýždě,“ vysvětluje Gabriela Pavlínková. Poškození nebo ztráta senzorických vláskových buněk či neuronů během embryonálního vývoje ve vnitřním uchu v konečném důsledku vede k částečné nebo úplné ztrátě sluchu.
V rámci projektu se Pavlínková zabývala rolí proteinů NEUROD1 a ISL1 při vývoji sluchového systému vnitřního ucha a na něj napojených mozkových struktur. Úkolem těchto dvou proteinů je regulace genové exprese. Jako modelový organismus při svém výzkumu využívala myši. Embryím pomocí metod molekulární biologie zablokovala tvorbu proteinů NEUROD 1 a ISL1 v oblasti vnitřního ucha a pozorovala, jaké změny z hlediska vývoje sluchové dráhy nastanou.
Kromě detekce morfologických a molekulárních změn také měřila, jakým způsobem se akustický signál přenáší a zpracovává v centrální části mozku. „Moje skupina je zaměřená zejména na výzkum v oblasti molekulární genetiky, takže tato měření jsme prováděli ve spolupráci s týmem profesora Josefa Syky z Ústavu experimentální medicíny AV ČR, který je špičkový český neurofyziolog a zaměřuje se na studium fyziologie sluchu.“ Právě měření toho, jak změny v periferii ovlivňují vývoj celé centrální sluchové dráhy, byla pro výzkum naprosto zásadní a přinesla celou řadu důležitých informací.
Výhodou myšího modelu je, že vnitřní ucho je strukturně i funkčně velmi podobné tomu lidskému a výsledky jsou tak snadno přenosné na člověka. „Na základě našeho výzkumu můžeme říct, že bez proteinu NEUROD1 se nemohou správně vyvíjet sluchové neurony. Pokud bychom tedy v budoucnu chtěli diferencovat neurony z kmenových buněk, tak víme, že tento protein musí být při vývoji buněk přítomen,“ popisuje Pavlínková možné praktické využití jejího výzkumu.
Výzkum zaměřený na protein ISL1 ukázal, že bez jeho přítomnosti neurony v uchu sice vznikají, ale jejich genetický program je úplně změněn a nejsou schopné se správně spojit s ostatními buňkami. „Nečekali jsme, že pokud vyřadíme protein ISL1, tak to bude mít tak veliké dopady. Je fascinující, že i navzdory tomuto dramatickému poškození, byla částečná funkčnost sluchu zachována. Plasticita vyvíjejících se neuronů během embryonálního vývoje je obrovská a v konečném důsledku vede k částečně úspěšné snaze vytvořit funkční sluchovou dráhu,“ shrnuje jedny z nejpřekvapivějších závěrů výzkumu Pavlínková. „Vědomí, že stejně velkou plasticitu musí vykazovat i buňky během embryonálního vývoje člověka, je dle mého názoru naprosto úžasné a šokující,“ dodává s nadějí, že by jednou mohly výsledky jejího výzkumu přispět k léčbě některých sluchových vad u konkrétních pacientů.
Oxid ceričitý patří k intenzivně zkoumaným materiálům, bez kterého se neobejde moderní biomedicína, energetika ani elektrotechnika. Významný podíl na výzkumu má také chemik Pavel Janoš, jehož právě skončený projekt „Příprava a charakterizace oxidu ceričitého pro pokročilé aplikace“ podpořený Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) přinesl nové pohledy na vlastnosti a možné využití tohoto materiálu.
Oxid ceričitý je jemný prášek většinou světlé žluté barvy. Je nezbytnou součástí automobilových katalyzátorů, neobejde se bez něj výroba moderní elektroniky, ale zejména raketově roste počet jeho aplikací v biologických vědách a v medicíně. Cer se řadí mezi prvky vzácných zemin a díky vysoké poptávce po prvcích, které jej v přírodě doprovázejí (např. dysprosium, samarium) je cer produkován v přebytku.
Zkoumání ceru a jeho oxidu zasvětil svůj život prof. Janoš z Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem. „Příčinou jedinečných vlastností oxidu ceričitého jsou jak vlastnosti atomu ceru, který se vyskytuje ve formě trojmocného nebo čtyřmocného kationtu a může snadno přecházet z jedné formy na druhou, tak vlastnosti krystalové mřížky oxidu ceričitého, která je jednoduchá a vysoce stabilní,“ říká. Vědecká cesta Pavla Janoše započala ve Výzkumném ústavu anorganické chemie, kde se zabýval separací ceru ze směsi jiných prvků vzácných zemin. Oxid ceru se v té době využíval například při výrobě skla a lešticích prášků pro leštění bižuterie a optických součástí.
Aparatura pro přípravu aktivního oxidu ceričitého. Foto: J. Štojdl
Po příchodu na ústeckou univerzitu začal Janoš spolupracovat se skupinou Václava Štengla z Ústavu anorganické chemie v Řeži na problematice tzv. reaktivních sorbentů. Spíše náhodou jeden z jeho diplomantů zjistil, že oxid ceričitý je schopen rozkládat vysoce toxický insekticit s názvem parathion methyl. Výzkum byl postupně rozšířen na studium možností rozkladu dalších organofosforečných pesticidů a nervově paralytických látek s podobnou chemickou strukturou, mezi které patří například sarin, soman či VX agent.
Když studenti prezentovali tyto výsledky na studentské konferenci v Brně, povšiml si některý z posluchačů, že rovnice, kterými je popisován rozklad parathion methylu, se podobají rovnicím popisujícím odštěpování fosforečné skupiny z látky zvané adenosin trifosfát (ATP), což patří k nejdůležitějším reakcím probíhajících v živých organismech. Ovšem reakční podmínky byly zcela odlišné, a to byla nová výzva pro tým prof. Janoše. Vydali se na cestu objevování toho, zda a jak může oxid ceričitý ovlivňovat biochemické reakce. „Museli jsme zvládnout nové experimentální postupy, a hlavně jsme se museli jsme naučit dívat na problémy zcela novým pohledem, což by nás bez té konference patrně nikdy nenapadlo,“ vzpomíná Pavel Janoš na začátek nové větve výzkumu.
Schopnost urychlovat biochemické reakce má řada anorganických látek, pokud jsou připraveny v nanokrystalické formě (souhrnně jim říkáme nanozymy). Janošův výzkum ukázal, že oxid ceričitý urychluje rozklad nejen ATP, ale i dalších biologicky významných látek, mimo jiné i cyklického adenosin monofosfátu (cAMP). „ATP je energeticky bohatá molekula, jejíž rozklad probíhá velice snadno a zrychlení reakcí za přítomnosti oxidu ceričitého tedy není vlastně nijak překvapivé. Naopak cAMP je molekula vysoce stabilní, její poločas rozkladu se odhaduje na miliony let. Obsahuje podobnou vazbu jako DNA a bývá při některých studiích používána jako její analog,“ vysvětluje Janoš, který ukázal, že za přítomnosti oxidu ceričitého se poločas rozkladu cAMP zkracuje z milionů let na desítky minut. Poukázal také na možnost štěpení DNA za přítomnosti oxidu ceričitého.
Schopnost efektivně urychlovat rozklad organofosforečných látek zatím vědci neprokázali u žádného jiného z necelé stovky doposud studovaných oxidů a vše nasvědčuje tomu, že jde o unikátní vlastnost oxidu ceričitého.
Právě proto je třeba výzkumu oxidu ceričitého věnovat další pozornost. Neznáme totiž přesný mechanismus jeho působení při rozkladu organofosforečných látek, ale víme, že schopnost rozkladu těchto látek se může vyskytovat nejen u nanomateriálů, ale i u produktů, které jsou běžně dostupné, jako například lešticí prášky. A to může představovat určité zdravotní riziko.
Prof. Pavel Janoš z Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem
K nejbližším spolupracovníkům prof. Janoše patří Jakub Ederer, Martin Šťastný a Jiří Henych; řadu doktorandů a diplomantů lze stěží vyjmenovat. V článku zmíněný Václav Štengl, který byl po dlouhou dobu motorem týmu, bohužel před několika málo roky zemřel.
Vědci z přírodovědecké fakulty díky podpoře Grantové agentury České republiky popsali důležitou součást složitého mechanismu, pomocí kterého rostliny řídí růst kořenových vlásků. Tato drobná a početná zakončení kořenového systému hrají v životě rostlin důležitou roli při čerpání vody a živin z půdy. Získané poznatky budou moci být spolu s novou metodou šetrného mikroskopického zkoumání kořenových vlásků, kterou olomoučtí vědci pod vedením Miroslava Ovečky a Jozefa Šamaje úspěšně otestovali, využity při pěstování zemědělských plodin.
Výsledky bádání zaměřeného na kořenové vlásky byly publikovány ve třech samostatných publikacích v prestižních časopisech Plant Physiology a Journal of Experimental Botany. Všechny tři vědecké články byly zároveň vyzdviženy na obálkách těchto časopisů.
Rostliny jsou ukotveny v půdě pomocí kořenů, které jsou pro jejich růst, vývoj a prosperitu nepostradatelné. Kvalitu kořenového systému dotváří kořenové vlášení složené z kořenových vlásků reprezentujících tubulární výrostky individuálních buněk epidermy kořene, takzvaných trichoblastů. Jedná se o významný model ve vývojové a buněčné biologii rostlin, na kterém vědci intenzivně studují polaritu rostlinných buněk a její regulační mechanizmy.
Za polární růst kořenových vlásků, který se odehrává pouze na jejich vrcholu, zodpovídá řada faktorů. „Mnoho z nich ale stále neznáme. Víme, že významnou roli sehrávají proteiny ukotvené do plazmatické membrány. Otázkou ovšem zůstává, jak kořenové vlásky dosahují a udržují jejich asymetrickou akumulaci právě v rostoucí špičce,“ uvedl Miroslav Ovečka z katedry biotechnologií Přírodovědecké fakulty UP, který spolu s Jozefem Šamajem stojí v čele skupiny vědců zkoumajících děje uvnitř kořenových vlásků.
Na problematiku růstu kořenových vlásků byla proto zaměřena nedávno publikovaná studie z laboratoře olomouckých vědců. Odborníci zjistili, že vrcholová část kořenového vlásku včetně plazmatické membrány se kvůli růstu neustále posouvá laterálně mimo apex. K pochopení mechanizmu prostorové a časové regulace vrcholového růstu kořenových vlásků bylo proto podle Ovečky důležité objasnit, jak je optimální koncentrace a precizní lokalizace membránových proteinů v rostoucí špičce udržována. „To se týká i mechanizmu polarizované dopravy a zabudovávání těchto proteinů do plazmatické membrány,“ podotkl Miroslav Ovečka.
Vědci z katedry biotechnologií pomocí modelového druhu, kterým byla rostlina huseníček rolní (Arabidopsis thaliana), postupně prokázali, že v případě enzymu produkujícího reaktivní formy kyslíku do buněčné stěny je jeho optimální koncentrace ve špičce kořenového vlásku vytvářena prostřednictvím dynamického vezikulárního transportu pomocí váčků trans-Golgi sítě. Tento mechanizmus odborníci objevili díky využití pokročilé kvalitativní a kvantitativní „light-sheet“ a superrozlišovací mikroskopie.
Ve druhé publikované studii vědci z katedry biotechnologií prokázali nejen základní roli reaktivních forem kyslíku v regulačním mechanizmu vrcholového růstu kořenových vlásků, ale odborné veřejnosti představili také efektivní a lehce aplikovatelné postupy pro jejich značení a detailní mikroskopickou lokalizaci. „Reaktivní formy kyslíku jsou malé molekuly, které, jak vyplývá z jejich názvu, jsou vysoce reaktivní. V buňce se uplatňují pozitivně jako signální molekuly u různých vývojových procesů, ovšem ve stresových situacích jejich nadměrná produkce vede k poškozování buněčných struktur,“ uvedl Miroslav Ovečka.
Rostlinná buňka proto musí mít molekuly reaktivních forem kyslíku pod kontrolou. Avšak kvůli jejich fyzikálním a chemickým vlastnostem byla dosud možnost detailní vizualizace reaktivních forem kyslíku v živých rostoucích buňkách obtížně dosažitelná. „Nám se u Arabidopsis thaliana podařilo vypracovat metody precizní subcelulární lokalizace molekul reaktivních forem kyslíku s rozlišením na úrovni individuálních buněčných organel v kořenových vláscích, avšak při zachování optimálních fyziologických podmínek k jejich nerušenému růstu. Tato nová atraktivní metoda umožňuje vysoké rozlišení při zachování všech dynamických procesů potřebných k vrcholovému růstu,“ upozornil Miroslav Ovečka.
Podle Jozefa Šamaje nové poznatky olomouckých vědců otevřely cestu k detailnímu studiu živých kořenových vlásků při nejvyšším možném prostorovém a časovém rozlišení pomocí nejmodernějších mikroskopických metod. „Využili jsme to při studiu modelové rostliny huseníčku, ovšem naší ambicí bylo přenést a úspěšně aplikovat získané know-how na zemědělské plodiny,“ podotkl Jozef Šamaj.
Vědci svoji pozornost dlouhodobě upírají na vojtěšku a ječmen. Především u vojtěšky mají kořenové vlásky nezastupitelnou roli při zakládání symbiotického vztahu mezi touto rostlinou a prospěšnými půdními bakteriemi rodu Rhizobium, který vede k asimilaci vzdušného dusíku v kořenových hlízkách. „Naše studie prokázala, že na tomto procesu se významně podílí mitogenem aktivovaná protein kináza SIMK. Tato kináza sehrává významnou signální roli, především při brzkém rozpoznání prospěšných bakterií a jejich internalizaci do kořenových vlásků,“ doplnil Miroslav Ovečka.
Výsledky badatelů významně doplnily aktuálně platný model iniciace symbiotické interakce mezi luštěninami a půdními bakteriemi Rhizobium. „Pochopení tohoto procesu může mít bezesporu obrovský zemědělský a biotechnologický aplikační potenciál,“ dodal Jozef Šamaj.
Výzkum byl podpořen grantem GAČR, GA19-18675S „Objasnění rolí aktinu, NADPH oxidázy a strukturních sterolů ve vrcholovém růstu kořenových vlásků pomocí pokročilé mikroskopie a proteomiky“, řešeného v období 2019–2023.
Ve čtvrtém, posledním, díle webového seriálu se můžete seznámit s dalšími čtyřmi vysoce výběrovými projekty JUNIOR STAR, jejichž řešení započalo v lednu letošního roku. Další podpořené projekty jsme představili v minulých měsících v prvním, druhém a třetím díle seriálu.
Soutěž JUNIOR STAR je určena pro excelentní začínající vědce a vědkyně a svou nadstandardní výší podpory jim umožňuje založení vlastní výzkumné skupiny a vědecké osamostatnění. Podmínkou pro podání návrhu projektu JUNIOR STAR je dokončení doktorského studia před méně než osmi lety, publikování v odborných časopisech a získání významné zahraniční zkušenosti.
Nová generace algoritmů pro řešení problémů geometrie kamer
RNDr. Zuzana Kúkelová, Ph.D., Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze
„Vyvíjíme efektivní algoritmy pro řešení problémů geometrie kamer a automatické metody pro generování takovýchto algoritmů.“
Kamery jsou v dnešní době nedílnou součástí našich životů. Používají se v průmyslu, autonomních vozidlech, ale i v každodenním životě. Pro využití získaných obrazů je nezbytná kalibrace kamer, díky které dochází mj. k odstranění zkreslení čočky.
„Kalibraci a určování geometrie kamer řešíme komplikovanými systémy polynomiálních rovnic. Ty je sice možné vyřešit existujícími matematickými metodami, pro většinu aplikací v počítačovém vidění jsou ale pomalé,“ vysvětluje řešitelka projektu doktorka Kúkelová.
V rámci svého JUNIOR STAR projektu navazuje řešitelka na své již dříve vyvinuté metody řešení těchto složitých matematických rovnic. Tyto metody propojí se strojovým učením a neuronovými sítěmi, čímž umožní například volbu vhodného algoritmu pro daný problém v reálném čase.
Její dříve vyvinuté algoritmy se již úspěšně používají v praxi — od lokalizačních systémů dronů přes software k vytváření 3D modelů z fotografií až po aplikace pro řízení trajektorií satelitů. To však na ambicích řešitelky a jejího týmu neubírá, právě naopak: „Naším cílem je vyřešit dosud nevyřešené problémy v oblasti určování geometrie kamery, zrychlit stávající algoritmy a využít je v nových aplikacích. To může umožnit použití složitějších kamerových systémů v aplikacích, kde jsou omezené výpočetní zdroje nebo je vyžadováno extrémně rychlé řešení. Jedná se například o autonomní automobily, autonomní vozítka, která zkoumají povrch Marsu či Měsíce, nebo systémy rozšířené reality,“ dodává doktorka Kúkelová.
RNDr. Zuzana Kúkelová, Ph.D.
Identifikace částic v experimentech fyziky vysokých energií a ve vesmíru
s pokročilými detekčními systémy
Dr. rer. nat. Benedikt Bergmann, Ústav technické a experimentální fyziky, České vysoké učení technické v Praze
„Zdokonalíme detektory měřící neviditelné částice ionizujícího záření známého jako radioaktivita.“
Na rozdíl od známých detektorů radioaktivity, které při každém zaregistrování ionizujícího záření vydají typický praskavý zvuk, jsou detektory, které vyvíjí doktor Bergmann, hotovými „radiačními kamerami“. Dokáží totiž radioaktivitu kromě jejího detekování také vizualizovat. Ve svém JUNIOR STAR projektu využívá moderní přístupy strojového učení k přiřazení rozeznaných tvarů k určitým typům částic, jejich energiím a směrům letu. Detektory, které doktor Bergmann vyvíjí, navíc tím, že nejsou větší než lidský palec, daleko předčí v současnosti používané přístroje, které vyžadují obrovský výpočetní výkon a složité kombinace různých detektorových technologií.
„Miniaturizace přístrojů umožní jejich použití v místech, kde by jinak přesná analýza radiačního pole byla komplikovaná kvůli omezenému prostoru, hmotnosti nebo rozpočtu na energii. Například ve vesmíru umožní miniaturizace použití na malých družicích nebo nasazení pro dálková měření na Měsíci anebo na jiných planetách,“ konstatuje řešitel Benedikt Bergmann.
Doktoru Bergmannovi, který v České republice působí již od roku 2012, se podařilo svým výzkumem oslovit a přilákat do svého týmu vědce z předních univerzit, jako je například University of Cambridge nebo University College London. V rámci výzkumu budou spolupracovat s institucemi, jako je Evropská kosmická agentura (ESA) nebo Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN). Experimentální část projektu bude probíhat například v Národní laboratoři v americkém Los Alamos.
Dr. rer. nat. Benedikt Bergmann
Normalizace a vznik: Přehodnocení dynamiky matematiky Případ Prahy v první polovině 19. století
Elías Fuentes Guillén, Ph.D., Filosofický ústav AV ČR, v.v.i.
„Umožníme lepší pochopení oběhu a vývoje matematických znalostí a postupů v českých zemích v první polovině 19. století.“
Vývoj matematiky v Praze a českých zemích v evropském kontextu konce 18. a první poloviny 19. století je velmi málo probádaný. Konkrétně to, jak a proč byly určité způsoby matematiky nastaveny jako norma a jak se do nich začleňovaly nebo se u nich objevovaly odlišné nebo nové postupy. Vnést do této dynamiky matematiky více světla a do hloubky ji prozkoumat a pochopit je cílem projektu JUNIOR STAR doktora Fuentese Guilléna.
„V takovém kontextu nás s mým týmem zajímají zejména případy Prahy a Bernarda Bolzana, protože obojí lze považovat za aktéry svého druhu, a navíc se snažíme oživit a dlouhodobě přispět ke studiím Bolzana,“ zdůrazňuje hlavní řešitel Elías Fuentes Guillén.
Projekt zahrnuje hloubkový výzkum institucí (např. pražské univerzity), společností, skupin (mj. Královské české společnosti nauk) a jednotlivců, jako jsou soukromí učitelé, kteří předávali matematické postupy prostřednictvím výuky a různých aktivit a textů. Zabývá se však také motivacemi těch aktérů, kteří v první řadě stanovovali určité praktiky jako normy, tedy císařských úřadů, církve nebo šlechty. „Náš výzkum vyžaduje studium publikovaných prací, návrhů, zkoušek, deníků, dopisů a dalších dokumentů učitelů matematiky, studentů a praktiků, ale také dalších materiálů, které vypovídají o kontextech, včetně dekretů, map, kázání nebo katalogů knihoven a knižních veletrhů,“ vysvětluje doktor Fuentes Guillén.
Dr. Fuentes Guillén, který původně pochází z Mexika, na projektu spolupracuje, mimo jiné, s výzkumnou skupinou na Univerzitě v Seville nebo mezinárodní Společností Bernarda Bolzana. Je také jedním z autorů významného vydání dosud nepublikovaných Bolzanových matematických svazků. Kromě vydání řady publikací bude se svým týmem budovat digitální archiv Bolzanových rukopisů, trénovat model rozpoznávání rukopisného textu a zároveň v knihovně Filosofického ústavu v Praze již založil sbírku publikací Bernarda Bolzana. Nejen díky těmto výsledkům hodlá v tomto ústavu založit badatelskou skupinu věnovanou Bolzanovi.
Elías Fuentes Guillén, Ph.D. (foto: Jana Říhová, Filosofický ústav AV ČR)
Intenzivní elektromagnetické impulsy: vznik, charakterizace a ovládání
Ing. Jakub Cikhardt, Ph.D., Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze
Elektromagnetické impulsy (EMP) vznikají při soustředění svazku vysoce výkonného laseru do malého bodu na povrchu materiálu, tzv. terče. A právě studiu EMP se ve svém JUNIOR STAR projektu věnuje Jakub Cikhardt. „Výkon moderních laserů dosahuje řádu terawattů až petawattů a jeho délka se pohybuje v rozmezí od femtosekund po nanosekundy. Pro lepší představu lze říci, že po velmi malý zlomek sekundy má takový laser výkon odpovídající tisícům až milionu jaderných elektráren,“ vysvětluje řešitel doktor Cikhardt.
Při působení takto extrémně výkonného laseru na látku okamžitě nastává ionizace a vzniká horké husté plazma, ve kterém se odehrává mnoho fyzikálních procesů, jedním z nich je i vznik zkoumaných EMP. Vědecký tým se v rámci projektu zaměří na fyzikální podstatu EMP, jejich charakterizaci pro různé parametry laserového svazku a terče nebo například na optimalizaci současných diagnostických metod.
„Chceme porozumět fyzikální podstatě laserem generovaných EMP a zároveň hledat způsoby, jak tento fenomén ovládat a využít ho v praxi. Vzhledem k tomu, že EMP mohou rušit signály a poškozovat elektronická zařízení, hledáme také metody k omezení jejich emisí a dopadů, což je důležité zejména v energetických, telekomunikačních nebo medicínských aplikacích,“ dodává Jakub Cikhardt.
Kvůli komplexnosti praktických experimentů a mezinárodnímu zájmu o problematiku laserem generovaných EMP spolupracuje tým doktora Cikhardta s vědci z Německa, Velké Británie, Itálie, Francie nebo Polska.
Cesty, jakými se jazykové formule a vzorce předávají napříč staletími a kulturami, nám mohou napovědět, jak se vyvíjela společnost a kultura v dobách minulých. Jana Mikulová z Ústavu klasických studií Masarykovy Univerzity v Brně se v rámci výzkumu podpořeného Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) věnovala vývoji prostředků, které uvozují přímou řeč v latině od 1. stol. př. n. l. až do 8. stol. n. l. Co nám její závěry prozradily o tehdejší i dnešní době?
Knihy z počátku našeho letopočtu vypadaly jinak než dnes. Byly ručně psané na papyrových svitcích a později pak měly podobu kodexu, tedy svázaných dvojlistů. Také grafická podoba textu se od té moderní velmi lišila. Některé texty byly napsány pouze velkými písmeny a systém interpunkce byl mnohem chudší, takže bychom v antickém textu marně hledali například uvozovky. Jak se tedy kdysi značila přímá řeč?
Klasici jako vzor vzdělanosti
Chybí-li v textu uvozovky, o to důležitější jsou slova, která přímou řeč signalizují. V latině se k tomuto účelu nejčastěji používala slovesa, a to zejména ta s významem „říct“. Bylo jich hned několik, ale ne všechna se využívala ve všech dobách stejně. V 1. stol. př. n. l. a kolem přelomu letopočtu vévodilo statistikám sloveso inquit (říká, řekl/a), které bylo uprostřed přímé řeči a mělo jen některé tvary. Takový typ uvození přímé řeči máme i v moderní češtině, např. „To je krása,“ řekl, „nezastavíme se zde na chvíli?“
Čtenář se v textu orientuje snáze, když je na přímou řeč upozorněn v předstihu. To mohlo přispět k tomu, že se postupně stále více užívala také další slovesa jako aio a dico (říkám), která stála nejčastěji před přímou řečí. Řekl: „To je krása, nezastavíme se zde na chvíli?“
Navzdory očekávání ovšem sloveso inquit s nevýhodnou polohou uprostřed postupně nevymizelo. I když jeho výskyt v prvních staletích n. l. poklesl, někteří autoři jej stále hojně užívali. Proč? Důvodem je společenský a kulturní vývoj. Už na konci 1. století n. l. byl styl tzv. klasiků z 1. stol. př. n. l. a přelomu letopočtu vnímán jako vzor správné výstavby latinského textu. Prominentní místo mezi klasickými prozaiky získal řečník, politik, filozof a spisovatel Marcus Tullius Cicero, který se v pozdějších stoletích stal vzorem pro všechny, kteří aspirovali na kultivovaný latinský text na úrovni. A právě použití klasického inquit bylo snadným způsobem, jak se ke klasické tradici přihlásit.
Pozdní latinští vzdělanci ovšem nenapodobovali klasiky beze zbytku, a kromě inquit používali také další slovesa s významem „říct“. Díky tomu vytvářeli svébytnou kombinaci starých a nových prvků. Vedle toho však existovaly i texty s celkově horší úrovní latiny, které stereotypně opakují jedno sloveso nebo celou uvozující formuli, např. „a ten řekl“.
Ukázka knihy z počátku našeho letopočtu
Bible jako vzor
Překlad bible do latiny ve 3. stol. n. l. byl dalším důležitým milníkem, který ovlivnil volbu výrazů uvozujících přímou řeč. Její překladatelé se v obavě ze zkreslení obsahu někdy uchylovali k překladu doslovnému. V latinských překladech se proto začalo objevovat uvozující slovo dicens (říkající, řka, říkaje) i tam, kde nebylo z hlediska významu nutné, např. ve spojení „odpověděl řka“, nebo tam, kde by bylo logické použít „a řekl“, např. „objevil se tam řka“.
Spolu s šířením křesťanství se text bible stával postupně vzorem i po jazykové stránce a díky tomu došlo k rozšíření „řka“, které v předchozích dobách přímou řeč prakticky neuvozovalo a které se opíralo o autoritu posvátného textu. Jazyk bible tak některé křesťanské autory postavil před morální dilema – mají se přidržet „dokonalé“, ale „pohanské“ klasiky, nebo se spíše přiklonit k biblickému stylu, který sami považovali za „špatný“ a za který by je jejich učitelé gramatiky notně vypeskovali? I to je jeden z příznaků přelomové doby, v níž se měnily mnohé aspekty života společnosti.
Slovesa jako okno do minulosti
Jazykem učenců ve středověku byla latina. Její jazykové vzorce se začaly později propisovat do textů v národních jazycích, a tak i dnešní moderní jazyky v sobě nesou otisk tehdejší doby a studium antických sloves souvisí s naším kulturním prostorem více, než bychom si mohli myslet.
Ostatně, správné uchopení přímé řeči je klíčové i v dnešní době. Jejím smyslem je vyvolat dojem, že obsahuje výrok tak, jak reálně zazněl. Ani to však nemusí být pravda, protože výrok je vždy vytržen z původní situace a přenesen do nového kontextu, což může jeho vyznění zásadně ovlivnit nebo dokonce změnit. Pouze mluvčí rozhoduje o tom, co podá formou přímé řeči, jak původní výrok upraví, co vypustí a co přidá. Může si samozřejmě celou přímou řeč vymyslet a připsat ji existující i neexistující osobě. Přímá řeč, která připouští citoslovce, nespisovné a různé emotivní výrazy i v jinak spisovném textu, se tak může stát mimořádně účinným nástrojem manipulace. A na to bychom neměli zapomínat především.
Aleš Vaněk a jeho tým v rámci projektu podpořeného Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) zkoumali, jak se v minulosti měnilo znečištění atmosféry thalliem, olovem a zinkem, tedy toxickými prvky hojnými v důlních oblastech střední Evropy. Výsledky projektu přinášejí nový pohled na rašeliniště a jejich možné využití při sledování trendů historické depozice thallia a olova.
Rašeliniště, stejně jako jezerní sedimenty, ledovce nebo dřevo s rozlišitelnými letokruhy, slouží jako tzv. geochemické archivy. Jejich různě staré vrstvy nám mohou prozradit, jak se měnilo historické složení atmosféry, jakého charakteru bylo lokální znečištění nebo k jakým klimatickým změnám docházelo v blízké či dávné historii Země. Abychom mohli rašeliniště jako archiv využít, tak musí průběžně přirůstat v čase a prvek, jehož vývoj chceme v profilu rašeliniště sledovat, nesmí být mobilní, aby nedocházelo k jeho mísení mezi různě starými vrstvami.
Souprava pro odebírání rašelinného profilu
Dnešní rozloha rašelinišť představuje pouze zlomek z jejich původní přirozené plochy, protože zemědělská a průmyslová činnost mají dlouhodobě negativní vliv na rašeliništní ekosystémy a přispívají k jejich ústupu z krajiny. Odvodňování a odlesňování krajiny za účelem obdělávání půdy, úpravy říčních toků, průmyslové emise nebo samotnou těžbu rašeliny lze považovat za hlavní faktory zodpovědné za jejich nenávratnou ztrátu. Globální přirozené nebo nepřirozené klimatické změny pak mohou tyto faktory ještě umocňovat.
Aleš Vaněk a jeho tým z České zemědělské univerzity v Praze a Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy se v rámci svého výzkumu zaměřili na to, zda a jak bychom mohli využít tyto ustupující ekosystémy při sledování historického znečištění atmosféry thalliem, olovem a zinkem, tj. toxickými prvky, které se hojně vyskytují v důlních oblastech střední Evropy. Kromě studia koncentrací a forem jednotlivých prvků v rašelině, také poprvé využili kombinaci izotopových poměrů thallia a olova pro přesnou identifikaci a kvantifikaci hlavních zdrojů znečištění.
Koncentrace a izotopové poměry thallia (Tl) a olova (Pb) ve vertikálním profilu rašeliništěm (Wolbrom, Polsko)
V rámci výzkumu prokázali, že mobilita thallia je v rámci rašelinného profilu minimální a prvek se chová podobně jako olovo. Naopak zinek systematicky vykazoval tendenci migrovat a jeho využití pro sledování přenosu částic a chemických látek ze vzduchu na zem je tak v případě rašelinišť velmi nevhodné.
Porovnání geochemických parametrů a izotopového složení thallia a olova přineslo ještě jeden zajímavý výsledek. Aleš Vaněk a jeho tým zjistili, že historický záznam thallia v rašelině je významně ovlivněn půdní a horninovou erozí a že se thallia v preindustriálním období, tedy v době přibližně před 250 lety, ukládalo pouze minimum, tj. oproti olovu. Tato první stopa thallia v rašelinném profilu tak zjevně souvisí s postupným rozvojem zemědělské činnosti v dobách ranného zemědělství, respektive zvýšenou mobilizací a depozicí „půdního prachu“.
doc. RNDr. Aleš Vaněk, Ph.D. – Česká zemědělská univerzita v Praze
V již třetím díle webového seriálu představujeme další čtyři začínající vědkyně a vědce a jejich JUNIOR STAR projekty, které řeší od začátku letošního roku. O dalších letos podpořených projektech a jejich řešitelkách a řešitelích se můžete dozvědět v prvním a druhém díle seriálu.
Vysoce výběrové granty JUNIOR STAR jsou určeny pro vědce a vědkyně na začátku vědecké kariéry, kteří již působili v zahraničí, publikovali v odborných vědeckých časopisech a kteří dokončili doktorské studium před méně než osmi lety. Granty nabízí finanční podporu ve výši až 25 milionů korun v rámci pětileté doby řešení projektu. Hlavním cílem JUNIOR STAR grantů je umožnit začínajícím perspektivním vědcům a vědkyním založit si svou vlastní vědeckou skupinu a věnovat se vlastním výzkumným tématům.
Řízení a vizualizace delokalizace náboje v atomárním měřítku v molekulárních nanomodelech pohlcujících světlo
Bruno de la Torre, Ph.D., Český institut výzkumu a pokročilých technologií, Univerzita Palackého v Olomouci
„Pochopením elektronických a strukturálních vlastností nových ‚molekulárních komponentů‘ můžeme vyvinout prototypy molekulárních zařízení.“
Přenos náboje mezi organickými molekulami řídí mnoho přirozeně se vyskytujících jevů, jako je fotosyntéza, buněčné dýchání u živých organismů nebo například poškození a opravy DNA. Projekt JUNIOR STAR doktora de la Torreho zkoumá konkrétní aspekty fotosyntézy, v rámci níž rostliny a bakterie účinně přeměňují světlo na jiné formy energie. Tento proces je možný díky složitému fotosyntetickému aparátu zahrnujícímu řadu molekulárních struktur. Projekt si klade za cíl identifikovat kritické části tohoto procesu, které by v případě úplného pochopení mohly pomoci toto chování replikovat ve větším měřítku. Další z klíčových priorit projektu je pochopení pohybu nábojů v molekulách, který hraje v celém procesu zásadní roli.
Ačkoliv se výzkum zaměřuje především na objevy v atomárním měřítku, je možné, že výsledky projektu podnítí vývoj zařízení pro sběr světla na bázi organických komponent v nanometrickém měřítku. „Jakmile hlouběji porozumíme přenosu náboje a molekulárnímu chování, mohou naše zjištění přispět k návrhu nových technologií pro sběr energie, které budou napodobovat přírodní procesy na atomární úrovni,“ vysvětluje řešitel doktor de la Torre.
„Přímé aplikace nemusí být okamžitě zřejmé, i tak by ale náš výzkum mohl položit základy pro budoucí technologický pokrok. Vzhledem k tomu, že společnost stále více hledá čistší a ekologičtější řešení, představujeme si budoucnost, kdy se lidé budou snažit replikovat přírodní procesy pomocí nanotechnologií,“ dodává na závěr doktor de la Torre, který v České republice působí již od roku 2016.
Bruno de la Torre, Ph.D.
Tvarované svazky pro novou éru elektronové mikroskopie a spektroskopie
Ing. Andrea Konečná, Ph.D., Fakulta strojního inženýrství, Vysoké učení technické v Brně
„Propojením elektronové mikroskopie s nanofotonikou navrhneme nové způsoby korekce vad elektronových mikroskopů.“
Elektronové mikroskopy nabízí vyšší rozlišovací schopnosti a umožňují docílení mnohem vyššího zvětšení než klasické světelné mikroskopy. Díky tomu je možné pozorovat i jednotlivé atomy. Stále však existuje potenciál tato komplikovaná zařízení vylepšit. „Podobně jako ve světelné optice, kde nejlepší objektivy skládáme z celé řady čoček, aby nedeformovaly výsledný obraz, i optika elektronového mikroskopu potřebuje soustavy čoček pro korekci obrazu a eliminaci vad, což je nákladné a složité z hlediska seřizování. Standardní elektronová optika navíc umožňuje dosáhnout pouze určitých omezených ‚tvarů‘ elektronového svazku,“ vysvětluje řešitelka projektu Andrea Konečná.
V rámci svého JUNIOR STAR projektu se doktorka Konečná zaměřuje na odstranění těchto vad. Bude vyvinuta metoda, která využije interakce elektronů se světlem a která díky upraveným ultrarychlým laserovým pulsům zaměřeným dovnitř elektronového mikroskopu umožní korekci vad jeho zobrazení.
„Korekce vad elektronových mikroskopů je extrémně důležitá, chceme-li dosáhnout co nejdetailnějšího zobrazování na úrovni jednotlivých atomů. Pokud by se podařilo ukázat, že díky interakci elektronů se světlem to jde udělat lépe nebo levněji, byla by to skvělá zpráva,“ dodává Andrea Konečná, která se k tématu propojení nanofotoniky s elektronovou mikroskopií a spektroskopií dostala během studií ve španělském San Sebastiánu a postdoktorské stáži v Barceloně.
Ing. Andrea Konečná, Ph.D. (foto: Jan Prokopius)
Proměnlivé adaptační strategie mobilních pastevců v Mongolsku: Dynamika v komunitních historiích a vzorcích stěhování dokumentovaná orálními prameny
Mgr. Ondřej Srba, Ph.D., Filozofická fakulta, Masarykova univerzita
„Vytvoříme digitální databázi sezónních pohybů mobilních pastevců v Mongolsku za posledních sto let.“
Mongolští kočovníci, kteří žijí v souladu s přírodou a stěhují se se svými zvířaty podle ročního období, patří mezi jedny z posledních nomádských kultur na světě. Protože však již několik desetiletí je sezónní stěhování rodin omezeno obvykle na dvě až čtyři lokality ročně, někteří odborníci dávají před tradičními „kočovníky“ přednost označení „mobilní pastevci“. Krajina je v Mongolsku rozdělena mezi jednotlivé pastevecké rodiny, avšak toto dělení se v minulosti, ale i nadále dynamicky mění. Právě tyto změny se ve svém JUNIOR STAR projektu snaží doktor Srba zachytit před tím, než upadnou v zapomnění.
„Hlavním zdrojem informací a předmětem zkoumání jsou ústní sdělení mongolských kočovných pastevců ve vybraných částech Mongolska. Sdělení získáváme nejčastěji pomocí rozhovorů, ale snažíme se, aby byly co nejméně řízené a aby způsob sdělení byl co nejspontánnější,“ vysvětluje řešitel projektu Ondřej Srba.
Vědecký tým se snaží zjistit, kde a v jakých ročních obdobích v minulosti pastevci žili, čímž vytvoří databázi využití krajiny v časovém průřezu. Zkoumá také pasteveckou historii, tedy kolik generací svých předků si dotazovaní pamatují a zda ví, kde všude žili. Zaměřují se i na nejrůznější příběhy, vztahy k sousedním rodinám a autoritám nebo na proměňující se přírodní podmínky — vzpomínky na období sucha, zimní kalamity nebo vyhynulé či vymizelé živočišné druhy.
„Ústní sdělení ukazují mongolskou venkovskou společnost v její proměnlivosti a úzké vazbě jak na proměny přírody, tak i změny politického a administrativního kontextu. Umožňují posuzovat adaptační strategie, jakými jsou například vytváření nových narativů, změny pastvin či sdružování do kolektivů a které obyvatelé používají, aby se se změnami vyrovnali,“ dodává doktor Srba.
Vytvoření databáze pastevecké mobility v časovém průřezu, systematicky zpracované pro konkrétní regiony, přinese v budoucnu využití pro biology, botaniky a také environmentální odborníky. Dále je v plánu rozšířit již běžící spolupráci se správou místních chráněných krajinných oblastí.
Mgr. Ondřej Srba, Ph.D.
Hybridní biokompatibilní nanokatalyzátory pro extracelulární bioorthogonální aktivaci proléčiv
doc. Mgr. Zbyněk Heger, Ph.D., Agronomická fakulta, Mendelova univerzita v Brně
„Vyvineme chytrý nanozym, který bude schopen aktivace proléčiv přímo na nádorové buňce.“
Zlatým grálem protinádorové terapie je léčba cílená přímo na nádorové buňky. V praxi je však použití těchto „cílených“ léčiv velmi komplikované a často také neefektivní. Cílem projektu JUNIOR STAR docenta Hegera je vyvinout a otestovat nanozymy, tedy nanomateriály schopné napodobovat aktivitu enzymů, které budou schopny syntetizovat léčiva přímo na membráně nádorových buněk. „Pro tyto účely plánujeme vytvořit chytré nanozymy na bázi proteinových klecí, které se budou schopny pohybovat v krevním řečišti s cílem vyhledávat nádorové buňky a vázat se na jejich povrch. Nanozymy budou následně díky své katalytické aktivitě schopny produkovat protinádorová léčiva z jejich netoxických forem, tzv. proléčiv,“ vysvětluje Zbyněk Heger.
Buňky umí přirozeně, prostřednictvím organel, přijímat nanočástice do svého vnitřního prostředí. Avšak právě tyto organely mohou léčiva dopravovaná pomocí nanočástic deaktivovat nebo je transportovat z buňky ven. Docent Heger se svým týmem vytvoří nanozymy, které by mohly dlouhodobě zůstat na povrchu nádorových buněk, aniž by se dostaly do vnitřního prostředí buněk a byly tak degradovány nebo inaktivovány.
„Naším hlavním výstupem bude multifunkční nanozym se schopností aktivace léčiv na povrchu buňky, což, doufáme, otevře nový směr nanomedicíny pro další týmy s jinými nápady a přístupy,“ dodává nakonec Zbyněk Heger, který na projektu spolu se svým mezioborovým týmem bude spolupracovat také s výzkumníky z Rakouska, Španělska nebo Číny.
Ilustrační foto ze soutěže Video Browser Showdown, na které Jakub Lokoč a jeho tým v roce 2020 zvítězili (Zdroj: https://videobrowsershowdown.org/pics/)
Jakub Lokoč z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy se zabývá vylepšováním algoritmů pro vyhledávání ve videu. A daří se mu to, protože se svým týmem a studenty opakovaně zvítězil na mezinárodní soutěži Video Browser Showdown. V letošním roce za svůj projekt získal čestné uznání předsedy Grantové agentury České republiky.
Představte si, že dostanete miliardu hodin videa a zadání: Najdi pasáž, ve které zahradník v modrých kalhotách sází květiny. Podobnými úkoly se v rámci svého výzkumu zabývá informatik Jakub Lokoč. Jeho cílem je naprogramovat vyhledávač, který dokáže najít videa odpovídající libovolnému textovému zadání.
Poměrně dobře dnes umíme rozpoznat osobu na základě jejího pohledu do kamery nebo hledat konkrétního člověka na záběru z pouličních kamer podle fotografie. Není také problém identifikovat vadný kus zboží na páse nebo odhalit auta, která nemají zaplacenou dálniční známku. Algoritmy, které umožnují ve videu vyhledat jeden konkrétní objekt, už mají řadu komerčních aplikací a čím dál tím více pronikají do naší každodenní reality. „Můj výzkum se zabývá obecně zadanými úlohami, ve kterých se musíme přizpůsobit libovolnému zadání,“ popisuje Jakub Lokoč. „Každý má zkušenost s vyhledávačem na YouTube nebo Googlem. Několik prvních výsledků sice bývá relevantních, ale čím dále od předních pozic jsme, tím více se obsah videa odklání od původního zadání.V obrovské kolekci videa, která obsahuje například miliardu hodin záznamu, není s dnešními algoritmy těžké najít několik relevantních sekvencí na základě libovolného textového dotazu. Těžké je najít všechny a v nich pak jednu konkrétní. A to je náš cíl,“ dodává.
Soutěž jako motivace
Vyhledávacích aplikací vyvinul tým Jakuba Lokoče hned několik. Kvality jedné z nejpokročilejších z nich, nazvané SOM Hunter, si také několikrát ověřili na mezinárodní soutěži vyhledávačů Video Browser Showdown, na které v roce 2020 zvítězili. „Soutěže se pravidelně účastní týmy z celého světa. Rok od roku je jich více a minulý rok ve Vietnamu už soutěžilo 15 týmů. Komunita se postupně rozrůstá,“ popisuje Jakub Lokoč soutěžní prostředí. Týmy mají za úkol řešit pomocí svých vyhledávačů různé úkoly, například na základě vzpomínky najít jednu konkrétní 20vteřinovou sekvenci v záznamu trvajícím 2300 hodin. „Náš vyhledávač je schopen vyřešit 50 % podobných úloh do jedné minuty. Pracuje na základě textových dotazů, které se v první řade snažíme co nejpřesněji formulovat. Pokud se nám nepodaří scénu najít, tak saháme po dalších přístupech,“ vysvětluje.
Zmíněný SOM Hunter například využívá 2 metody, které umožnují rozšířit možnosti hledání: Bayesovský přístup a samoorganizující se mapu. Bayesovský přístup je založen na postupném zpřesňování požadavku na základě zpětné vazby uživatele, díky kterým algoritmus stále zpřesňuje výsledky vyhledávání a maximalizuje využití vstupních informací. V praxi to vypadá tak, že uživatel například označí konkrétní videa, která jsou nebo nejsou podobná tomu, které vyhledává. Jedním z důležitých výstupů projektu je také měření toho, jakým způsobem došlo při použití Bayesovského přístupu ke zkvalitnění výsledků prvotního vyhledávání u několika desítek uživatelů.
Druhý přístup je založený na metodě samoorganizujících se map (SOM, self-organizing map). Pomocí této metody jsou výzkumníci schopni vizualizovat, které scény v kolekci videa jsou si podobné. Díky tomu je možné efektivně zobrazovat a prohledávat větší množiny výsledků najednou.
Nikdy není hotovo
Vyvinutím aplikace ovšem práce pro Jakuba Lokoče a jeho tým nekončí. „Žijeme v době dramatických změn v oblasti strojového učení, takže musíme neustále sledovat nové trendy v oboru, na jejichž základě děláme experimenty a rozhodujeme, které části aplikace ponecháme, vylepšíme nebo nahradíme. I když máme hodně aplikované zadání, tak naší hlavní ambicí je dělat základní výzkum.“
Nabízí se samozřejmě také otázka komerčního využití aplikace. „Vytvořit funkční aplikaci typu SOM Hunter bylo časově velmi náročné. Pokud bychom uvažovali o komerční aplikaci, tak bychom museli získat nemalou počáteční finanční investici, protože vyladit aplikaci tak, aby fungovala pro různé operační systémy nebo prohlížeče by vyžadovalo obrovské množství práce,“ vysvětluje Jakub Lokoč úskalí této vize.
I díky podpoře Grantové agentury České republiky si nyní Jakub Lokoč zakládá vlastní výzkumnou skupinu na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy. „Kromě toho, že kolegové a studenti získali mnoho zkušeností během řešení projektu, tak mi projekt také pomohl zkvalitnit výuku předmětu zaměřeného na vyhledávání ve videu. Na konci semestrálního kurzu si sami studenti vyvinou menší verzi vyhledávače, se kterým pak soutěží se spolužáky. Pozoruji, že studenty to velmi baví a naučí se mnoho nových dovedností. Snažím se výuku pojímat tak, aby studenty bavila a motivovala. Sledovat ‘Aha‘ momenty studentů je úžasné,“ uzavírá vědec, jehož ambicí není dělat jenom špičkový výzkum, ale také předávat nabyté zkušenosti dál.
Zatímco křížení dvou různých biologických druhů je v říši zvířat vzácným jevem, u rostlin představuje mezidruhová hybridizace jeden ze základních mechanismů, kterým vznikají nové druhy. Projekt Davida Kopeckého Genomová dominance jako nástroj evolučních změn u kříženců podpořený Grantovou agenturou České republiky (GA ČR) se zaměřil na vzájemné soužití dvou rozdílných rodičovských genomů v buněčném jádře kříženců.
Křížení dvou různých biologických druhů je v říši zvířat vzácným jevem. Naopak, u rostlin je mezidruhová hybridizace důležitým evolučním procesem, který rostlinné druhy formuje už několik miliónů let a dal vzniknout běžně známým druhům, jako je například pšenice nebo bavlník. Stejnou strategii, tedy sloučení genomů dvou druhů rostlin do jednoho organismu v procesu křížení, využívají i šlechtitelé, kteří v nových rostlinách kombinují užitečné vlastnosti obou rodičů. Příkladem úspěšného šlechtění může být Tritikale — velmi hojně využívaný kříženec pšenice a žita s vysokým výnosovým potenciálem, který byl vyšlechtěn před 140 lety, obstojí v horších pěstitelských podmínkách a vyznačuje se dobrou odolností vůči různým chorobám.
Spojení genomů dvou různých rostlinných druhů ovšem není jednoduché. Rodičovské genomy mají často rozdílné způsoby regulace a jejich součinnost v jediném jádře vyžaduje správnou koordinaci. Tým Davida Kopeckého z Ústavu experimentální botaniky AV ČR se v podpořeném projektu zaměřil na výzkum genomové dominance, tedy častého jevu, kdy se v nově vzniklé rostlině stává jeden z rodičovských genomů dominantním, zatímco druhý genom je potlačován. Tato nerovnováha mezi rodičovskými genomy může v konečném důsledku vést ke ztrátě některých požadovaných vlastností křížence.
Dominance může probíhat na různých úrovních – na úrovni přednostní exprese genů, jejich ztráty nebo částečné či úplné eliminace celého potlačovaného genomu jednoho rodiče1. Davida Kopeckého a jeho tým zajímala genomová dominance na chromozomové úrovni. Potvrdili, že u některých kříženců dochází ke ztrátě chromozomů jednoho rodiče2,3. Tato eliminace ovšem není okamžitá, chromozomy mizí postupně v dalších generacích.
Schéma eliminace kostřavových chromozomů
Při výzkumu využil křížence trav kostřavy a jílku, tzv. Festulolium. Před meiotickým dělením, v rámci kterého vznikají pohlavní buňky, dochází k reorganizaci DNA v jádře, během které je část genů kostřavy zcela umlčená. To se týká i genů pro kinetochorové proteiny, které jsou důležité pro správný rozchod chromozomů v rámci anafáze prvního meiotického dělení. Jílkové varianty těchto proteinů, které nejsou novým prostředím hybridního jádra nijak ovlivněné, se ovšem nedokáží vždy správně poskládat na chromozomech kostřavy, které se pak nedostanou do nově vzniklých pohlavních buněk. Dochází tak k jejich občasné eliminaci a posunu v genomovém složení ve prospěch jílku2.
Rozdílné sestavení kinetochoru na jílkových (obrázky A, B uprostřed) a kostřavových (obrázky C, D uprostřed) chromozomech (převzato z Majka a kol., 2023).
Výzkum potvrdil, že genomová dominance jílku v křížencích Festulolium probíhá také na úrovni exprese genů. Řada genů těchto kříženců totiž vykazuje úroveň exprese podobnou té, která se vyskytuje u jílkového rodiče. Výsledky naznačují, že genom jílku má mnohem univerzálnější regulační elementy než genom kostřavy a může tak snadněji řídit expresi genů jiného organismu, v tomto případě kostřavy 4. V dalším výzkumu by se David Kopecký chtěl zaměřit na možnosti cílené manipulace genomového složení pomocí mutantů kinetochorových genů.
Výsledky výzkumu rostlinných genetiků z Ústavu experimentální botaniky AV ČR poskytují zajímavý evoluční pohled na jeden ze základních mechanismů vzniku nových rostlinných druhů a evoluce rostlin. Přinášejí unikátní pohled na společné fungování dvou různých genomů v jednom jádře. Významný je ale i praktický dopad práce, protože mezidruhové křížení využívají i šlechtitelé. Vědci už nyní spolupracují například se šlechtitelskou stanicí DLF Seeds v Hladkých Životicích. Společně s tamními šlechtiteli testují nové přístupy šlechtění tak, aby ke ztrátě genomu jednoho z rodičovských druhů nedocházelo.
Výzkumný tým Davida Kopeckého (na fotce uprostřed)
Výstupem projektu je devět článků zveřejněných v IF časopisech včetně:
¹ Glombik, M., Bačovský, V., Hobza, R., Kopecký, D. (2020). Competition of Parental Genomes in Plant Hybrids. Front. Plant Sci. 11:200.
2 Majka, J., Glombik, M., Doležalová, A., Kneřová, J., Ferreira, M.T.M., Zwierzykowski, Z., Duchoslav, M., Studer, B., Doležel, J., Bartoš, J., Kopecký, D. (2023). Both male and female meiosis contribute to non-Mendelian inheritance of parental chromosomes in interspecific plant hybrids (Lolium × Festuca). New Phytol. 238:624-636
3 Kopecký, D., Scholten, O., Majka, J., Burger-Meijer, K., Duchoslav, M., Bartoš, J. (2022). Genome Dominance in Allium Hybrids (A. cepa × A. roylei). Front. Plant Sci. 13:854127.
4 Glombik, M., Copetti, D., Bartoš, J., Stočes, S., Zwierzykowski, Z., Ruttink, T.,Wendel, J.F., Duchoslav, M., Doležel, J., Studer, B., Kopecký, D. (2021). Reciprocal allopolyploid grasses (Festuca x Lolium) display stable patterns of genome dominance. Plant J. 107: 1166-1182
Ferreira, M.T.M., Glombik, M., Perničková, K., Duchoslav, M., Scholten, O., Karafiátová, K., Techio, V.H., Doležel, J., Lukaszewski, A.J., Kopecký, D. (2021). Direct evidence for crossover and chromatid interference in meiosis of two plant hybrids (Lolium multiflorum × Festuca pratensis and Allium cepa × A. roylei). J. Exp. Bot. 72:254–267.
Ve druhém díle seriálu o vysoce výběrových projektech JUNIOR STAR představujeme další čtyři začínající vědkyně a vědce a jejich projekty, které řeší od začátku letošního roku. O dalších podpořených projektech se můžete dozvědět v prvním díle tohoto seriálu.
Granty JUNIOR STAR jsou určeny pro začínající vědce, kteří dokončili doktorské studium před méně něž osmi lety a zároveň již působili v zahraničí a publikovali v odborných časopisech. Soutěž nabízí nadstandardní financování ve výši až 25 milionů Kč v rámci pětileté doby řešení projektu. Tím řešitelům umožnuje založit si vlastní vědecký tým a věnovat se vlastním výzkumným tématům.
Na míru šité nízko-dimenzionální vrstevnaté materiály za hranicí grafenu a jejich využití v základním výzkumu heterogenních katalyzátorů
Ing. Martin Veselý, Ph.D., Fakulta chemické technologie, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
„Projekt má potenciál významně přispět k produkci chemických látek potřebných k našemu životu bez zbytečné ekologické zátěže.“
Katalyzátory zvyšují rychlost chemické reakce tím, že snižují aktivační energii potřebnou k dosažení reakce. Tímto způsobem umožňují reakcím probíhat rychleji nebo za podmínek, které jsou výhodnější jak z pohledu průmyslové realizace (teplota, tlak), tak z pohledu chemické rovnováhy u vratných reakcí. Cílem projektu JUNIOR STAR doktora Veselého je zjistit, jaký vliv mají úpravy 2D materiálu, který funguje jako katalytický nosič, na katalytickou aktivitu kovových nanočástic nanesených na tento materiál. Projekt se dále zaměřuje na nové přístupy přípravy kovových nanočástic na povrchu 2D nosiče.
„Naším cílem je zjistit, co se děje s takto vytvořeným katalyzátorem, když pracuje – tedy jak se mění jeho morfologie, struktura a i samotná katalytická aktivita v čase. Dále budeme zkoušet nové přístupy přípravy kovových nanočástic na povrchu 2D nosiče pomocí litografických metod. Na těchto speciálně připravených materiálech otestujeme sérii modelových heterogenně katalyzovaných reakcí,“ vysvětluje řešitel projektu Martin Veselý.
Kromě klasických metod pro charakterizaci struktury, morfologie nebo složení materiálů bude v rámci projektu využita také super-rezoluční fluorescenční mikroskopie umožňující sledovat prostorově a časově rozlišitelnou katalytickou aktivitu – tedy v čase detekovat jednotlivé reakční obraty na konkrétním místě katalyzátoru.
Vědecký tým plánuje při řešení projektu spolupracovat se svými švýcarskými protějšky z vysoké technické školy ETH Curych.
Projekt by mohl pomoci navrhnout takové heterogenní katalyzátory, které při chemické přeměně maximalizují zisk žádaného produktu a v nejvyšší možné míře naopak omezují vznik nežádoucích produktů, které jsou často odpadem s ekologickou zátěží. Zároveň takové katalyzátory umožní reakci proběhnout i za průmyslově snadno dosažitelných teplot.
Ing. Martin Veselý, Ph.D.
Zdánlivá přesnost v meta-analýze společenskovědního výzkumu (METASPUR)
doc. PhDr. Zuzana Iršová Havránková, Ph.D., Fakulta sociálních věd, Univerzita Karlova
„Vyvíjíme novou meta-analytickou metodu, která zamezí zkreslení způsobenému použitím nominální přesnosti publikovaných studií.“
Meta-analýza je statistická metoda, která kombinuje výsledky více studií na stejné téma. Tím dochází ke sjednocení a analýze dat z různých zdrojů, čímž se dosahuje vyšší statistické síly a přesnosti. Meta-analýza tedy umožňuje získat celkový pohled na dané téma.
„Počet publikovaných vědeckých studií roste exponenciálně. Přesto zdaleka tolik neroste důraz, který je na vědu kladen při rozhodování o důležitých veřejných otázkách, tzv. evidence-based policy. Důvodem je, že řada vědeckých zjištění si navzájem odporuje. Metoda meta-analýzy, které se věnuji, umožňuje z rozlišných výsledků vydestilovat vědecký konsensus, a tedy i napomoci použití vědy v praxi,“ popisuje řešitelka projektu Zuzana Iršová Havránková.
V dnešní době je každoročně publikováno více než 100 tisíc meta-analýz v různých oblastech. Nicméně většina z nich vychází z metod, které byly vyvinuty pro lékařský výzkum, pro jehož účely meta-analýza původně vznikla. Pro jiné vědní obory, zejména společenské vědy, jsou tyto metody často nevhodné. Společenský výzkum vyžaduje specifické metody meta-analýzy, které by byly přizpůsobeny jeho charakteru. Například ve společenských vědách není možné automaticky přiřadit větší váhu výsledkům, které se jeví jako statisticky přesnější, tak jako je to obvyklé v lékařském výzkumu.
Cílem JUNIOR STAR projektu docentky Havránkové, která se mimo výzkumu věnuje i svým čtyřem dětem, je vyvinutí nové metody metaanalýzy, jež bude použitelná nejen ve společenských vědách, ale i v dalších oblastech, které se také zaměřují na jiný než experimentální výzkum.
doc. PhDr. Zuzana Iršová Havránková, Ph.D.
TOPFLIGHT: Plánování trajektorií a misí agilních vzdušných robotů v prostředí s překážkami
Ing. Robert Pěnička, Ph.D., Fakulta elektrotechnická, České vysoké učení technické v Praze
„Vyvíjíme vysoce autonomní drony, které by v budoucnu mohly konkurovat těm lidsky ovládaným.“
Drony jsou bezpilotní letadla, která mohou létat pomocí dálkového řízení, předprogramovaných letových plánů nebo díky složitým autonomním systémům. Právě jejich autonomním systémům létání se ve svém JUNIOR STAR projektu věnuje Robert Pěnička. Zaměřuje se především na výzkum algoritmů umožňujících rychlou autonomní navigaci dronů v prostředí s překážkami. Jeho cílem je posunout autonomii dronů na úroveň lidských pilotů tak, aby dokázaly létat i v neznámém prostředí velmi agilně a s vysokou rychlostí.
„Snažíme se zdokonalit drony ve třech hlavních bodech. Asi nejzásadnější je co nejrychlejší prohledání zadané oblasti. V případě více dronů je to kooperativní rozdělení prohledávané oblasti, aby došlo k co nejrozsáhlejšímu pokrytí daného území na výdrž jedné baterie. Druhým bodem výzkumu je plánování letu při vyhýbání se překážkám s minimálním prodloužením plánované trajektorie k cíli. A v posledním bodě se věnujeme snaze o co nejpřesnější průlet těchto trajektorií s využití maximálního tahu, který dron nabízí,“ vysvětluje řešitel projektu doktor Pěnička.
Samořiditelné drony mohou v budoucnu pomáhat například při skenování oblastí, monitorování požárem zasažených lesů nebo při vyhledávání osob v nebezpečných či nepřístupných terénech.
„Náš projekt propojuje staré dobré kutilství s elektronikou s výzkumem pokročilých algoritmů umělé inteligence. Právě tato kombinace mě na výzkumu nejvíce baví,“ dodává na konec doktor Pěnička.
Ing. Robert Pěnička, Ph.D.
Vývoj ab initio modelování pro neuspořádané molekulární polovodiče
doc. Ing. Ctirad Červinka, Ph.D., Fakulta chemicko-inženýrská, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze
„Přispějeme k návrhům nových farmaceuticky relevantních látek či molekul s potenciálem pro polovodičové technologie.“
Vzájemné polohy molekul a síly, které mezi nimi působí, určují vlastnosti materiálu, jako jsou těkavost, hustota, pevnost, rozpustnost či elektrická vodivost. Současné superpočítače umožňují mezimolekulární interakce simulovat a na jejich základě zmíněné materiálové vlastnosti predikovat. Ctiradu Červinkovi se již podařilo pomocí kvantové chemie modelovat vlastnosti molekulárních krystalů s pravidelně uspořádanou strukturou, kde se jednotlivé molekuly v krystalické mřížce a jejich interakce opakují.
Ve svém novém JUNIOR STAR projektu si však docent Červinka dal mnohem ambicióznější cíl, a to modelovat molekulární interakce a jejich vliv na materiálové vlastnosti u látek amorfních — tedy látek, které nemají pravidelnou strukturu a u kterých se interakce molekul neopakují. V rámci projektu dojde k propojení výpočtů jednotlivých molekulárních interakcí s tzv. Monte Carlo simulacemi, které využívají generátorů náhodných konfigurací molekul ve hmotě, a umožní tak konzistentně porovnávat vlastnosti krystalických, amorfních i kapalných forem téže látky.
„Ve farmaceutické oblasti je velký zájem o schopnost predikovat rozpustnost aktivní léčivé složky nebo teplotní rozmezí, kdy je možno daný léčivý preparát bezpečně skladovat, aniž by podlehl nežádoucím strukturním změnám či dokonce roztál. Zároveň lze vypozorovat určitou preferenci amorfních formulací léčiv v nových preparátech. V oblasti organických polovodičů by pak bylo cenné umět posoudit, která z mnoha krystalických či amorfních modifikací dané látky bude vykazovat nejvyšší vodivost a jak se právě vodivost bude s teplotou a tlakem měnit,“ vysvětluje řešitel projektu docent Červinka. Projekt tak může přispět nejen k průlomu v oblasti úpravy a zefektivnění vlastností léčiv, ale také na poli pro budoucnost stěžejních organických polovodičů.
Výpočetní chemií se docent Červinka zabývá již více než dekádu. Za tu dobu absolvoval úspěšné stáže ve Francii a USA, kde se věnoval například modelování super-kondenzátorů pro skladování elektrické energie či predikcím závislosti stability krystalických forem látek na teplotě a tlaku. Profese ho však ovlivnila i v soukromém životě — seznámil se díky ní se svou manželkou.
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.
