Beton s cementovým pojivem je celosvětově nejběžněji používaný materiál ve stavebnictví. Jeho vlastnosti a odolnost jsou zásadní především u společensky významných staveb, jako jsou mosty či výškové budovy. Životnost těchto staveb často závisí na kvalitě betonu, který je jakožto kompozitní materiál s křehkou matricí náchylný na vznik a šíření trhlin. Právě jimi se dlouhodobě zabývá Ing. Hana Šimonová, Ph.D., z Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně (VUT).
„Zvyšující se nároky na snižování emisí CO2 nás motivují k hledání nových alternativních materiálů, které by vedly k výrobě betonu bez jediného zrnka cementu. V našem případě jsme pro tento účel vybrali vysokopecní strusku, která vzniká jako vedlejší produkt při výrobě železa. Struska se v současné době už do betonu přidává, a to především ve formě vysokopecních a směsných cementů. My jsme se rozhodli nahradit cement struskou úplně,“ přibližuje Hana Šimonová. „Aby se ve strusce plně probudily pojivové vlastnosti je potřeba k ní přidat vhodný alkalický, tedy zásaditý aktivátor. Nejčastěji se jedná o vodní sklo či hydroxid sodný. Pak přimícháme kamenivo a máme beton.“ Její projekt Pokročilý popis šíření trhlin v kompozitech na bázi alkalicky aktivované matrice podpořila Grantová agentura ČR.
Chování materiálu při zatěžování
Přestože se beton dlouhodobě zkoumá v celosvětovém měřítku, stále existují nepříliš probádané oblasti jeho chování, mezi které patří právě popis vzniku a šíření trhlin při zatěžování, což je zcela zásadní z hlediska jeho praktického využití. „Cílem projektu tedy bylo popsat mechanické, lomové a také únavové vlastnosti tohoto materiálu pomocí pokročilých experimentálních metod a matematických modelů, což obnášelo prohloubení a další rozvíjení mezioborové spolupráce s kolegy v Česku i v zahraničí,“ vysvětlila Hana Šimonová.
Povrch vzorků ošetřovaných při relativní vlhkosti > 95 %; zvětšení 250×: a) Struska aktivovaná vodním sklem (viditelné trhliny); b) Struska aktivovaná hydroxidem sodným (bez trhlin).
Její tým při řešení projektu překvapilo odlišné chování použitého alkalicky aktivovaného materiálu ve srovnání s tradičním cementem, a to ani ne z hlediska lomových vlastností, kde se s rozdíly počítalo, ale spíše při běžné manipulaci se vzorky. Již na první pohled a poté i na omak byl patrný rozdíl, který se záhy projevil například tím, že na zkušebních tělesech najednou špatně držely senzory a další nalepené příslušenství nezbytné pro provedení plánovaných měření. Vzhledem k vyššímu pH tedy museli být výzkumníci při jakékoli práci se vzorkem opatrnější.
Výzvou byl i samotný návrh složení zkoumaného materiálu. „Obecně zde platí, že pokud chceme vyrobit materiál s vyšší pevností, musíme počítat s vyšší náchylností na smršťování doprovázené vznikem trhlin již během procesu tvrdnutí, tzn. bez účinků působení jakéhokoliv externího zatížení. S ohledem na to, že jsme se chtěli věnovat vzniku a rozvoji trhlin v materiálu během zatěžování, byl tento fakt pro účely projektu nepřípustný. Potřebovali jsme, aby tam ty trhliny nebyly předem. Nicméně i to se nám úpravou složení a vhodným ošetřováním zkušebních těles podařilo překonat,“ podotkla Hana Šimonová.
Testování betonu
Cenná data
Z hlediska praktického jsou informace o chování materiálu při lomu klíčové pro návrh stavebních konstrukcí. Vzhledem k rozsahu provedených měření byl získán komplexní soubor materiálových vlastností včetně lomových a únavových, který zkoumané oblasti poskytuje dosud chybějící souvislosti.
Experimentálně získaná data jsou cenná pro vývoj matematických modelů, využívaných pro simulace skutečného chování materiálu v konstrukci během zatěžování. S ohledem na náročnost provedených měření je vývoj matematických modelů stěžejní. Hodnotě získaných výsledků přidává i fakt, že materiálové vlastnosti byly sledovány z dlouhodobého hlediska, což není zcela obvyklé.
Právě výsledky dlouhodobých zkoušek mohou lépe odhalit plný potenciál pro využití materiálu v praxi a jsou užitečné pro efektivní návrh konstrukcí z hlediska životnosti a udržitelnosti. V neposlední řadě lze mezi cenné přínosy zahrnout využití kombinovaného módu namáhání, který lépe vystihuje reálné namáhání konstrukcí v praxi.
Dobře fungující tým
Jako u většiny mezioborových projektů, i tady bylo největší výzvou složit dobře fungující tým, kdy někteří jeho členové se před začátkem projektu ani neznali. V tomto případě se navíc jednalo o kolektiv převážně mladých pracovníků na počátku jejich vědecké kariéry.
Vybraná konfigurace lomového testu v kombinovaném módu namáhání s využitím video-extenzometru pro 2D analýzu pole deformací.
„Abychom téma tříletého projektu pokryli od pochopení samotné podstaty materiálu, přípravy zkušebních vzorků, přes jejich destruktivní i nedestruktivní testování až po vyhodnocení lomového chování a tvorbu výpočetního modelu byli do projektu zapojeni kolegové ze tří různých ústavů Fakulty stavební VUT: Ing. Lucie Malíková, Ph.D., doc. Ing. Barbara Kucharczyková, Ph.D., Ing. Petr Miarka, Ph.D., a doc. Mgr. Libor Topolář, Ph.D. S ohledem na složitost problematiky byl do týmu také zapojen kolega Ing. Vlastimil Bílek, Ph.D., z Fakulty chemické VUT,“ dodala Hana Šimonová.
Experimentální i numerická část projektu byla také konzultována a diskutována s externisty z řad kolegů ze zahraničních institucí, ať už v rámci setkání na mezinárodních konferencích či v rámci individuálních návštěv partnerských univerzit.
Ing. Hana Šimonová, Ph.D., je členkou Ústavu stavební mechaniky Fakulty stavební Vysokého učení technického v Brně. Po absolvování doktorského studia v oboru Konstrukce a dopravní stavby strávila více než rok na vědecké stáži na rakouské Technische Universität Wien. V rámci výzkumné činnosti se zabývá lomem a únavovými charakteristikami kvazikřehkých kompozitů. Spolupracuje s řadou pracovišť v České republice a zahraničí (Rakousko, Srbsko, Polsko, Španělsko a další) v oblasti lomové mechaniky materiálů s křehkou matricí.
Je možné tlumit stres rostlin, a tím posílit jejich výnos? Dle vědců ano. Studie z posledních let ukazují, že zásahem do metabolismu fytohormonů, konkrétně cytokyninů, lze ovlivnit vývoj kořene i lodyhy, dělení buněk a pletiv, kvetení a vývoj plodu či právě odolnost vůči stresu.
Takzvaný abiotický stres přímo souvisí s faktory zevního prostředí. Jde o stres z nedostatku nebo nadbytku světla, vody či kyslíku, stres vyvolaný vysokou nebo nízkou teplotou, případně mechanický stres. Vzhledem ke svému přisedlému způsobu života jsou rostliny neustále vystaveny stresům a jsou nuceny velmi dynamicky reagovat na okolní prostředí. „Růst a vývoj rostlin, jakož i jejich interakce s prostředím, jsou regulovány rostlinnými hormony. Cytokininy jsou jednou z nejdůležitějších skupin fytohormonů, která hrají významnou roli při odezvě na abiotické stresy,“ říká prof. Ing. Miroslav Strnad, CSc., DSc., jehož projekt zaměřený na studium metabolismu cytokininů a aldehydů v rostlinách podpořila Grantová agentura České republiky.
„Zajímáme se také o aldehydy, které se běžně v metabolismu rostlin vyskytují, tak i o ty, které jsou spojeny s poškozením membrán při stresu a jež jsou pro buňku toxické. Na pracovištích řešitele a spoluřešitele se dlouhodobě věnujeme studiu metabolismu cytokininů a aldehydů. S ohledem na současnou legislativu a restrikce spojené s pěstováním geneticky modifikovaných plodin v EU, je logickým přístupem pro manipulace s obsahem cytokininů v rostlině aplikace látek, které umožní vyvolat změny endogenních hladin bez zásahu do genomů rostlin,“ vysvětluje prof. Strnad z Laboratoře růstových regulátorů, společného pracoviště Ústavu experimentální botaniky AV ČR a přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci.
Jeho týmu se podařilo vyvinout první generaci protistresových látek na bázi syntetických cytokininů odvozených od difenylmočoviny, které vykazují protistresovou funkci, a přitom se nechovají na receptorové a biotestové úrovni jako klasické cytokininy. Největší podíl na vývoji těchto látek měl Mgr. Jaroslav Nisler, Ph.D.
O olomoucké patenty je zájem
„V kombinaci s rentgeno-strukturní analýzou a enzymologickým přístupem bylo možno navrhnout a vyvinout účinnější inhibitory enzymu cytokininoxidasy/dehydrogenasy (CKX) s inhibiční konstantou v nanomolárních koncentracích. To přináší výhodu nižší pracovní koncentrace, nižších nákladů, a tím pádem i menšího zatížení životního prostředí,“ uvádí k výsledkům obou týmů spoluřešitel projektu Mgr. David Kopečný, Ph.D. Podle něho byly tyto látky testovány v polních pokusech na pšenici, ječmeni a řepce, kde byl pozorován pozitivní účinek na výnos i vyšší odolnost vůči abiotickému stresu. Nově vyvinuté látky tak nabízí širší možnosti využití v rostlinných biotechnologiích a zemědělství. Na CKX inhibitory byla podána i prioritní česká patentová přihláška a následně mezinárodní PCT přihláška. O udělené patenty již projevily zájem zahraniční firmy z oblasti výroby agrochemikálií.
Na projektu pracoval společný tým zhruba pět let. Jeho součástí byli kolegové z Univerzity Palackého a Ústavu experimentální botaniky AV ČR v Olomouci, a dále kolegové z Belgie (Ghent University) a Francie (INRAE, CNRS, Université Paris-Saclay). Společné úsilí vyústilo zejména ve společnou publikaci Nisler el al. zveřejněné v časopise J. Exp. Bot. (DOI: 10.1093/jxb/eraa437), jež shrnuje hlavní vědecké výstupy bádání.
Vědci i nadále pokračují ve spolupráci, momentálně na novém projektu financovaném GA ČR s názvem „Modulace abiotických stresových reakcí rostlin cestou regulace cytokininových a purinových interkonverzních enzymů“, který se zaměřuje na purinové a cytokininové ribosidy a utilizaci dusíku.
Prof. Ing. Miroslav Strnad, CSc., DSc., působí od roku 1996 jako vedoucí Laboratoře růstových regulátorů – společného pracoviště ÚEB AV ČR a UP v Olomouci. V letech 2012–2016 působil jako viceprezident a prezident Evropské fytochemické společnosti. Je předsedou panelu GA ČR a členem panelu ERC. Jeho výzkum je zaměřen na studium rostlinných hormonů a jejich využití v praxi.
Mgr. David Kopečný, Ph.D., působí na PřF UP v Olomouci od roku 2006. Obdržel titul Ph.D. v oboru lékařská chemie a biochemie (Univerzita Palackého, Olomouc) a v oboru biologie (Université Paris-Sud XI, Orsay). Pracoval na katedře biochemie, v Centru regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum a od ledna 2021 působí na nově zformované Katedře experimentální biologie. Jeho výzkum je zaměřen na strukturní biologii a enzymologii.
NMDA receptor je bílkovina, která se nachází na povrchu nervových buněk v našem mozku. Když se ze sousední nervové buňky vylije neuropřenašeč glutamát, naváže se na NMDA receptory, ty následně změní membránový potenciál a vpustí do nervové buňky ionty sodíku a vápníku. To je ve zkratce princip tzv. synaptického přenosu, tedy procesu, při kterém se nervový vzruch přenáší z jedné nervové buňky na druhou.
Synaptický přenos, a tedy i NMDA receptory, je klíčový pro funkci celé nervové soustavy, například pro učení se a vytváření nových paměťových stop. Špatné fungování NMDA receptorů může způsobit závažná neurovývojová onemocnění. „V současnosti známe u pacientů stovky mutací, tedy chyb v NMDA receptorech, které poškozují jejich funkci. Podle toho, jakou mutaci daný pacient má, trpí například mentální retardací, schizofrenií nebo autismem. A pak jsou zde steroidy – skupina látek, která dokáže ovlivňovat funkci NMDA receptorů, a teoreticky by tak mohla být využita jako léčiva. To jsou ve stručnosti okruhy poznatků, které jsme měli na začátku našeho projektu,“ shrnuje prof. MUDr. Ladislav Vyklický, DrSc. projekt s názvem Molekulární, buněčné a behaviorální účinky steroidů působících na NMDA receptorech, podpořený Grantovou agenturou České republiky.
Před jeho řešitelským týmem stálo hned několik velkých nezodpovězených otázek: Dokážou některé steroidy napravit funkci NMDA receptorů, která je poškozena mutací? Jakým mechanismem tyto steroidy působí? Kam se na NMDA receptory váží? Jakou musí mít steroidy chemickou strukturu, aby byly v působení na NMDA receptory co nejúčinnější?
Profesor Ladislav Vyklický a jeho tým. Horní řada zleva: Bohdan Kysilov, Miriam Candelas, Jan Krůšek, Jiří Černý, Miloslav Kořínek, druhá řada zleva Ivan Dittert, Tereza Smejkalová, Ladislav Vyklický, Romana Marková a Věra Abramová.
Látek, které regulují funkci NMDA receptorů, je překvapivě hodně, ale jen málo z nich našlo uplatnění v klinické praxi. Za zmínku stojí například anestetikum ketamin anebo memantin, který se v některých případech používá při léčbu Alzheimerovy choroby. „Steroidy se zabýváme dlouhodobě a jsme přesvědčeni, že tyto látky by mohly představovat farmakologický nástroj, který by dokázal napravit mutacemi navozené změny ve funkci NMDA receptorů. Farmakologické ovlivnění funkce NMDA receptorů bylo naším dlouhodobým cílem, ale teprve moderní výkonné metody čtení genetické informace většího množství lidí pomohly identifikovat souvislosti mezi genetickou odchylkou u pacienta, tedy například mutací jeho NMDA receptorů, a symptomy,“ vysvětluje prof. Ladislav Vyklický, vedoucí oddělení Buněčné neurofyziologie Fyziologického ústavu Akademie věd České republiky.
Při výzkumu bylo pro jeho tým pozitivním překvapením potvrzení původní hypotézy o tom, že je možné změnit funkci NMDA receptorů nově syntetizovanými steroidními látkami. „Ukázalo se navíc, že některé zmutované NMDA receptory jsou k působení těchto steroidů mimořádně citlivé,“ říká profesor Vyklický.
Náprava funkcí již na úrovni jednotlivých buněk
Jaké jsou tedy nejdůležitější závěry výzkumu? Zaprvé bylo objeveno vazebné místo na povrchu NMDA receptoru, kam se váží takzvané potenciační steroidy. To je základ pro hledání dalších látek, které dokážou posílit funkci NMDA receptorů, budou ještě účinnější a budou mít minimální vedlejší účinky na lidský organismus. Zadruhé tým podrobně otestoval působení více než dvaceti látek na NMDA receptory, což mu dalo představu o tom, jaké strukturní rysy musí mít molekula, aby účinně potencovala NMDA receptory. A zatřetí vědci zanalyzovali více než deset mutací NMDA receptoru, které způsobují neurovývojová onemocnění. Podařilo se tak demonstrovat, v čem mutované receptory funkčně selhávají. U mnohých z nich badatelé dokázali pomocí steroidů napravit na úrovni jednotlivých buněk v laboratorních podmínkách funkci NMDA receptorů.
Výsledky, kterých tým dosáhl, jsou důležitým bodem na cestě k vývoji nových látek k léčbě poruch způsobených mutovanými NMDA receptory. Je to ale stále základní výzkum a potrvá ještě dlouho, než se nějaká látka založená na jeho poznatcích bude moci podat prvním pacientům.
První publikace týmu profesora Vyklického na téma steroidů vznikla v roce 2001. „Od té doby tuto tématiku rozvíjíme a dnes již mnohem lépe chápeme vztah mezi strukturou steroidů a jejich vlivem na NMDA receptory, modelujeme na počítači změny struktury NMDA receptoru po navázání glutamátu, hledáme vazebné místo pro steroidy na povrchu NMDA receptoru, studujeme účinky steroidů na celé nervové buňky, na síť nervových buněk připravených v laboratoři a také na chování pokusných zvířat. V době přípravy grantu jsme měli naměřenou řadu základních experimentů, na jejichž základě jsme si byli jistí, že se jedná o velmi zajímavý projekt se solidním publikačním potenciálem. Standardní granty u Grantové agentury České republiky trvají tři roky. My jsme navíc žádali o roční odklad hodnocení, protože běželo poměrně zdlouhavé recenzní řízení u některých publikací. Trpělivost se nám vyplatila a my jsme tak mohli zakončit náš grant pěknou publikací o palmitoylaci NMDA receptorů, kterou otiskl časopis Journal of Neuroscience vydávaný americkou Společností pro neurovědy,“ říká prof. Ladislav Vyklický.
Typická nervová buňka má bohatě větvenou síť výběžků, kterými komunikuje se stovkami dalších nervových buněk ve svém okolí.
Na projektech se vystřídaly desítky pregraduálních a postgraduálních studentů. Mnozí z nich jsou dnes etablovanými vědeckými pracovníky u nás i v zahraničí. Profesor Vyklický vyzdvihuje především dlouhodobou spolupráci s oddělením doktorky Evy Kudové a její kolegyně doktorky Hany Chodounské z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd. „Je to špičkové vědecké pracoviště, kde syntetizují neuroaktivní steroidy. To jsou látky podobné přirozeným steroidům z našeho těla, ale tyto jsou uměle vyrobené a dokážou ovlivňovat nervovou soustavu. Paní doktorka Kudová byla spoluřešitelkou našeho grantu a prakticky všechny steroidy, které jsme studovali, byly připraveny v její laboratoři.“
Prof. MUDr. Ladislav Vyklický, DrSc.
Ladislav Vyklický je profesorem normální a patologické fyziologie na 3. lékařské fakultě Univerzity Karlovy v Praze. V roce 1981 získal titul MUDr. na Univerzitě Karlově v Praze a titul Ph.D. v oboru fyziologie a patofyziologie na Fyziologickém ústavu Československé akademie věd. Působil v americkém Marylandu v Laboratory of Developmental Neurobiology, National Institutes of Health (s Markem L. Mayerem) a v německém Heidelbergu v Max-Planck Institut für Zellphysiologie (s profesorem Bertem Sakmannem). Byl oceněn Cenou Československé akademie věd (1991) a Mezinárodním výzkumným stipendiem Lékařského ústavu Howarda Hughese (HHMI) (1995–1999). V současné době je vedoucím Laboratoře buněčné neurofyziologie na Fyziologickém ústavu Akademie věd.
Žít rychle a zemřít mlád je nejen název slavného filmu z roku 1958, ale stejně dobře by to mohlo být i životní motto nejhmotnějších hvězd ve vesmíru.
Tyto hvězdy o hmotnosti čítající více než desetinásobek hmotnosti Slunce patří k nejzářivějším objektům vůbec. Oproti hvězdám slunečního typu je však jejich život vskutku jepičí, v průběhu pouhých několika miliónů let spálí své dostupné jaderné palivo a zanikají během kataklyzmatických událostí zvaných výbuch supernovy. Ty bývají natolik jasné, že jsou patrné z téměř celého viditelného vesmíru, a zanechají za sebou kompaktní zbytek: buď neutronovou hvězdu, nebo černou díru. Jak se tyto hvězdy vyvíjejí a co ovlivňuje formu kompaktního zbytku? A jak hmotná černá díra vzniká? Nevíme. Tedy ne přesně, jednou z největších neznámých je totiž množství hmoty, které hmotné hvězdy ztratí během svého života. Pokud přijdou o velké množství hmoty, zbyde z nich neutronová hvězda či málo hmotná černá díra. Pokud ale hvězda ztrácí hmotu příliš pomalu a celkově málo, nevyhnutelně z ní vznikne masivní černá díra.
Právě proto spojili v rámci projektu 18-05665S Grantové agentury České republiky s názvem ‚‚Ztráta hmoty v pozdních fázích vývoje hmotných hvězd“ své síly astrofyzikové z Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky Masarykovy univerzity s kolegy z Astronomického ústavu Akademie věd České republiky. A zkoumali, jak rychle hmotné hvězdy přicházejí o svoji hmotu. Zaměřili se především na hmotné hvězdy v pozdních vývojových stádiích, jejichž ztráta hmoty je probádána nejméně.
Snímek jedné z hvězd studovaných v rámci projektu, GR 290 z galaxie M33 v souhvězdí Trojúhelníku. Hvězda se nachází ve středu snímku, v jejím okolí je mlhovina vyznačená falešnou modrou barvou (Převzato z Maryeva O. a kol., 2020, Astronomy & Astrophysics, 635, A201)
Astrofyzikové se věnovali především výzkumu proudění, které představuje jeden z hlavních parametrů při posuzování vlastností hvězd vůbec. Hmotné hvězdy bývají natolik horké a zářivé, že je jejich záření schopno uvolnit látku přímo z povrchu do mezihvězdného prostředí. Toto proudění vzniklé působením zářivé síly vede ke ztrátě hmoty hvězdy a označuje se jako hvězdný vítr. Hvězdné větry hmotných hvězd tedy doslova plachtí na záření hvězd. Pro studium hvězdného větru použili brněnští a ondřejovští astrofyzikové vlastní počítačový program, který je schopen předpovídat vlastnosti hvězdného větru pouze na základě znalosti parametrů dané hvězdy. Pro velký soubor hvězd v pozdních fázích vývoje tak vědci předpověděli podstatné vlastnosti hvězdného větru, především množství hmoty, které jednotlivé hvězdy ztrácí. Prostřednictvím svých modelů astrofyzikové ukázali, že hmotné hvězdy ztrácí hmotu podstatně nižší měrou, než se dosud předpokládalo. Dá se tedy očekávat, že pro vývoj hvězd vysoké hmotnosti jsou zřejmě důležité i další explozivní způsoby ztráty hmoty.
Časový vývoj interakce hmoty vyvržené supernovou s okolohvězdnou látkou
V rámci projektu se vědci zaměřili také na další problémy spojené se ztrátou látky hmotných hvězd. Mezi jinými studovali rentgenové dvojhvězdy složené z hmotné hvězdy a hvězdného zbytku, neutronové hvězdy či černé díry. Část hvězdného větru hmotnější složky dvojhvězdy je zachycena jejím kompaktním souputníkem, dopadá na něj a uvolňuje při tom velké množství rentgenového záření. Takovéto dvojhvězdy patří mezi jedny z nejsilnějších rentgenových zdrojů v naší Galaxii. Jednotlivé rentgenové dvojhvězdy s hmotnou složkou je možné rozdělit do dvou tříd podle charakteru jejich rentgenové emise, doposud však nebylo jasné, co způsobuje rozdělení dvojhvězd do těchto tříd. Brněnští a ondřejovští astrofyzikové předložili model, podle nějž se jednotlivé třídy rentgenových dvojhvězd liší mírou vlivu rentgenového záření na hvězdný vítr, což vede k odlišnému charakteru akrece na hvězdný zbytek.
Tři snímky ilustrující časový vývoj interakce látky vyvržené supernovou s okolohvězdou obálkou v různých časech. Jednotlivé obrázky ukazují vývoj hustoty, složek rychlosti, teploty a mechanického ohřevu. (Kurfürst, P. ; Pejcha, O. ; Krtička, J., 2020, Astronomy & Astrophysics, 642, A214.)
Vědci rovněž studovali jedno z posledních dějství vývoje hmotných hvězd, během kterého hvězda vybuchuje jako supernova a její explodující obálka pohybující se zlomkem rychlosti světla naráží na látku vyvrženou během předchozího života hvězdy. Pro modelování dynamiky této srážky explodující obálky supernovy s okolohvězdným prostředím použili vlastní počítačový program a zjišťovali, jakým způsobem se projeví rozložení okolohvězdné látky na dynamice vybuchující obálky a na pozorovaných vlastnostech supernov.
Řešení projektu tedy přispělo k lepšímu pochopení vývoje hmotných hvězd, od doby, kdy přestávají spalovat ve svém centru vodík, až po velkolepé finále jejich krátkého, ale zářného vesmírného života.
Autor článku: prof. Mgr. Jiří Krtička, Ph.D.
Úvodní foto: Souhvězdí Orion v paprscích zapadajícího Slunce, autor: Mgr. Filip Hroch, Ph.D.
Mezinárodnímu týmu v čele s českými mikrobiology se podařilo popsat unikátní aparát, jimiž zvláštní bakterie z jezera v poušti Gobi zachytávají sluneční světlo. Výzkum naznačil, jak se tento aparát v průběhu miliard let vývoje utvořil. Objev může přinést zásadní posun pro využití fotosyntézy pro mikroorganismy, které sluneční záření neumějí zpracovat.
Bakterie, náležící do téměř neznámého rodu Gemmatimonas, objevili v roce 2014 vědci z Mikrobiologického ústavu AV ČR v Třeboni. Nalezli je v jezeře Tiān é hú (Labutí jezero) v severočínském Vnitřním Mongolsku v poušti Gobi. Na rozdíl od svých příbuzných obsahovaly modrozelené barvivo bakteriochlorofyl, což naznačovalo, že jsou schopné využívat ke svému životu sluneční světlo.
Ještě zajímavější byl fakt, že rod Gemmatimonas původně schopnost fotosyntézy vůbec neměl a všechny potřebné geny získal od cizích, nepříbuzných kmenů bakterií takzvaným horizontálním přenosem. Tato skutečnost může nalézt praktické využití v tzv. syntetické biologii. Pokud by se podařilo zopakovat přenos fotosyntetických genů v laboratoři, bylo by možné naučit využívat energii světla i další organismy.
Týmu složenému z výzkumníků z Mikrobiologického ústavu AV ČR, Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích, Univerzity v Shefieldu, společnosti ThermoFisher Scientific z Cambridge a dalších zahraničních pracovišť se nyní podařilo popsat, jak je fotosyntetický aparát těchto nezvyklých bakterií sestaven. Výsledky výzkumu uveřejnil prestižní časopis Science Advances.
Umělecké ztvárnění fotosyntetického aparátu bakterie Gemmatimonas se objevilo na titulní stránce posledního čísla časopisu Science Advances
Rozlišení na jednotlivé molekuly
K výzkumu vědci využili moderní techniku elektronové kryomikroskopie, při níž je vzorek extrémně rychle ochlazen na teplotu minus 200 oC. Kolem biologických struktur se vytvoří sklu podobná vrstvička ledu o tloušťce tisíckrát menší, než je lidský vlas. „Zmražení je tak rychlé, že veškeré struktury zůstanou nepoškozené, a navíc je možné s nimi pracovat až několik hodin. To umožní rozlišit dokonce až jednotlivé molekuly i ve velmi komplikovaných biologických strukturách,“ říká Michal Koblížek z Mikrobiologického ústavu AV ČR.
Fotosyntetický aparát bakterií je zcela unikátní. Sestává z více než 80 bílkovinných podjednotek uspořádaných do dvou kruhů obklopujících centrální část. Na každou podjednotku jsou navázána barviva, jež zachycují světlo. „Když jsme s kolegou Qianem z Cambridge uviděli první obrázky z elektronového mikroskopu, nevěřili jsme vlastním očím. Ta struktura je velice elegantní, skutečné mistrovské dílo přírody,“ dodává Michal Koblížek.
Mistrovské dílo přírody
Uspořádání pigmentů do dvou kruhů je nejenom krásné, ale také velice účinné. Pro světlo funguje jako nálevka. „Světelná energie zachycená na okraji nálevky (vnější kruh) se za pouhých pár biliontin sekundy přenese do jejího středu, kde se v tzv. reakčním centru přemění na energii metabolickou,“ vysvětluje Tomáš Polívka z Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. Obrázek fotosyntetického aparátu zaujal i redaktory časopisu Science Advances, kteří jej zveřejnili na obálce posledního čísla časopisu.
Fotosyntéza je jedním ze základních biologických procesů na naší planetě. Buňky zachycují sluneční záření a přeměňují ho na energii pro svůj metabolismus. Fotosyntézu máme dnes spojenou především se zelenými rostlinami, které vytvářejí kyslík, ale první jednoduché organismy schopné využít sluneční záření se na Zemi objevily již před třemi miliardami let.
Mikrobiologický ústav AV ČR – Centrum Algatech je detašované pracoviště v Třeboni, které se již od roku 1960 zabývá studiem fototrofních organismů, tedy takových, které využívají ke svému životu světelnou energii. Výzkumníci se zde zabývají jak základním výzkumem (biochemií, molekulární genetikou fotosyntézy), tak aplikovaným výzkumem mikrořas, sinic a fototrofních bakterií. Tento výzkum byl podpořen z programu EXPRO Grantové agentury České republiky.
doc. Michal Koblížek, MBÚ, AV ČR – Centrum Algatech
Odkaz na pubikaci:
Qian P, Gardiner AT, Šímová I, Naydenova K, Croll TI, Jackson PJ, Nupur, Kloz M, Čubáková P, Kuzma M, Zeng Y, Castro-Hartmann P, van Knippenberg B, Goldie KN, Kaftan D, Hrouzek P, Hájek J, Agirre J, Siebert CA, Bína D, Sader K, Stahlberg H, Sobotka R, Russo CJ, Polívka T, Hunter CN, Koblížek M (2022) 2.4-Å structure of the double-ring Gemmatimonas phototrophica photosystem. Science Advances 8(7):eabk3139 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abk3139
Jako vynikající byl Grantovou agenturou České republiky ohodnocen výzkum zabývající se vývojem termoelektrických materiálů s vysokou účinností a zejména studiem jejich dlouhodobé provozní stability. V rámci tříletého projektu na tématu pracoval tým vědců z Masarykovy univerzity (CEITEC) pod vedením řešitele docenta Pavla Brože a tým vědců z Ústavu fyziky materiálů Akademie věd České republiky pod vedením spoluřešitele doktora Jiřího Buršíka, ve spolupráci s kolegy z univerzity ve Vídni.
Termoelektrické (TE) materiály jsou schopny přeměnit tepelnou energii na energii elektrickou (Seebeckův jev) a opačně energii elektrickou na energii tepelnou (Peltierův jev). Míra této konverze je hodnocena termoelektrickou účinností a závisí nejen na složení materiálu a jeho krystalovém uspořádání, ale také na jeho mikrostruktuře, která je dána přípravou. Stále málo studovanou oblastí je tepelná a fázová stabilita těchto materiálů, která je nutnou podmínkou pro zajištění dlouhodobé provozuschopnosti za zvýšených teplot.
Vysoký aplikační potenciál termoelektrik je zřejmý. Globálním problémem posledních desetiletí se stává rostoucí znečišťování životního prostředí, na kterém se výraznou mírou podílí energetický, automobilový, chemický průmysl a další průmyslové oblasti. Jedním z východisek je využití tepla produkovaného během různých tepelných procesů (odpadní teplo) a jeho přeměna na užitečnou práci. Již dlouhou dobu se využívají např. výměníky tepla. Odpadní teplo je ale také možné přeměnit přímo na elektrickou energii právě prostřednictvím TE materiálů. Seebeckův jev (objeven v roce 1821) je již využíván např. u automobilů v místech, kde dochází k výraznému ohřevu (motor, výfukové potrubí), k alespoň částečnému zpětnému získání užitečné energie elektrické. Tento děj umožňuje také fungování vesmírných sond v prostoru vzdáleném od zdroje sluneční energie, kde již není možné využít solární panely. Teplo z jaderného reaktoru v sondě zahřívá TE modul, který pak sondě dodává elektrickou energii. Termoelektrické materiály pracují ale také opačným směrem. Peltierův jev (objeven v roce 1835) je běžně využíván v malých chladicích zařízeních. Výhoda těchto chladících zařízení oproti běžným chladničkám spočívá v absenci jakýchkoliv mechanických částí. „Sami vidíme, jak z našich elektronových mikroskopů postupně mizí objemné nádoby s kapalným dusíkem pro chlazení analytických zařízení a jsou nahrazovány nenápadnými Peltierovými články bez nároků na údržbu,“ říkají řešitelé projektu.
Nevýhodou současných TE materiálů je zatím jejich stále omezená účinnost, která nepřesahuje 20 %. Potenciál materiálu pro termoelektrické aplikace je určen faktorem ZT, který zahrnuje Seebeckův koeficient (poměr napětí a teplotního rozdílu), elektrickou a tepelnou vodivost. Příprava materiálů s vysokou hodnotou ZT, která je nejen záležitostí dané struktury materiálu, ale také způsobu jeho přípravy (kompaktní nebo nanostrukturovaná forma, existence vnitřních poruch atd.), je ale pouze prvním krokem na cestě k výrobě a použití technicky využitelných materiálů. Druhým krokem je příprava materiálů, které jsou při provozních teplotách dlouhodobě strukturně stabilní.
Cílem řešeného projektu bylo studium dlouhodobé teplotní a strukturní stability dvou kategorií pokročilých termoelektrických materiálů, připravených a fyzikálně charakterizovaných na spolupracujícím pracovišti na univerzitě ve Vídni ve skupině prof. Rogla a Bauera: (i) skuteruditů na bázi kobaltu a antimonu, dopovaných železem a didymiem (směs neodymu a praseodymu) – polovodič typu p, dopovaných baryem, stronciem a yterbiem – polovodič typu n a (ii) tzv. half – Heuslerových slitin na bázi železa a antimonu, dopovaných titanem a niobem. Na základě předchozích orientačních měření se ukázalo být pro tento výzkum efektivní spojení termické analýzy a Knudsenovy efúzní hmotnostní spektrometrie. Zatímco první metoda poskytuje především informace o fázových přeměnách v materiálu, druhá metoda umožňuje sledování odpařovací charakteristiky těkavých prvků (především hojně zastoupeného antimonu) v materiálu za velmi nízkých tlaků a tím kinetiky tohoto procesu, který je zodpovědný za destabilizaci primární struktury a ztrátu termoelektrických vlastností. Knudsenova efúzní metoda je založena na sledování efúze složek zkoumané soustavy z Knudsenovy komůrky přes malý efúzní otvor v jejím víčku do vakua (Knudsen, rok 1909). Efektivní detekční metodou je pak hmotnostní spektrometrie, kdy po ionizaci zplyněných složek dochází k jejich detekci a stanovení tlaku par složek a jejich časovému úbytku. Výhodou této techniky je sledování dějů in situ, tzn. informace získatelné v každém časovém okamžiku bez nutnosti přerušení měření. Laboratoř termické analýzy a Knudsenovy efúzní hmotnostní spektrometrie, kde byla měření prováděna, je jediným pracovištěm u nás, využívajícím tuto efúzní techniku. Primární struktura a výsledná struktura po měření těmito metodami byla zkoumána metodami analytické elektronové mikroskopie. Výsledky měření byly konfrontovány s dostupnými informacemi o fázových diagramech zkoumaných soustav a motivovaly naše týmy k prošetření situace nebo zpřesnění údajů ve fázových diagramech, kde informace chyběly.
Tým z Masarykovy univerzity (vpravo doc. Pavel Brož, další prof. Jan Vřešťál, prof. Jiří Sopoušek, doc. Jana Pavlů a Mgr. František Zelenka)
U všech zkoumaných materiálů byla prokázána jejich dostatečná dlouhodobá tepelná a fázová stabilita, přičemž bylo zjištěno, že nejstabilnějšími materiály jsou half-Heuslerovy slitiny a nejméně stabilními skuterudity typu p. Ukázalo se, že tyto závěry jsou v dobré relaci s teplotní stabilitou příslušných primárních termoelektrických fází. Rozkladná teplota studovaných half-Heuslerových fází je ze zkoumaných fází nejvyšší, zatímco fáze skuteruditu se železem a didymiem nejnižší. Důležitým výsledkem projektu je vypracovaná metodika pro posouzení dlouhodobé tepelné a fázové stability materiálů a jejich potenciálního využití v technické praxi. Ať se již jedná o termoelektrické materiály, na které byl projekt zaměřen, nebo obecně o další druhy materiálů. Ukázali jsme také, že nanostrukturování materiálu vyvolané intenzívní plastickou deformací zvyšuje faktor ZT zvláště u optimálně dopovaných materiálů a popsali mikrostrukturní mechanismy tohoto jevu. Výstupem projektu, na kterém se podílelo také několik studentů z Masarykovy univerzity, bylo třináct publikací v prestižních odborných recenzovaných zahraničních časopisech.
Tým z Ústavu fyziky materiálů (zprava dr. Jiří Buršík, Ing. Ivana Podstranská, dr. Aleš Kroupa, dr. Milan Svoboda a Ing. Adéla Zemanová)
Doc. RNDr. Pavel Brož, Ph.D. je vedoucím Laboratoře termické analýzy a Knudsenovy efúzní hmotnostní spektrometrie na Ústavu chemie, Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně, pracoviště, které bylo v několika předchozích letech také součástí Středoevropského technologického institutu (CEITEC) na Masarykově univerzitě. Jeho oborem je fyzikální chemie, které se věnuje od svého vysokoškolského studia, a materiálová chemie. Kromě výukových aktivit se specializuje na oblast termodynamiky, kinetiky fázových přeměn, fázových rovnovah, termické analýzy, Knudsenovy efúze a hmotnostní spektrometrie. Zabývá se výzkumem v oblasti žárupevných slitin, niklových a hliníkových superslitin, bezolovnatých pájek, nanočástic kovů a slitin a v poslední době také termoelektrických materiálů a slitin, které tvoří součást termoelektrických jednotek. Toto zaměření se promítá do odborného vedení studentů. Kromě zahraničních kontaktů, získaných v rámci mezinárodních projektů COST, je nejaktivnější jeho spolupráce s výzkumnou skupinou prof. Rogla a Bauera z univerzity ve Vídni. Aktivně se také věnuje koordinování studentských zahraničních pobytů.
RNDr. Jiří Buršík, DSc. je vedoucí vědecký pracovník v Ústavu fyziky materiálů Akademie věd České republiky. Zabýval se postupně mikrostrukturou a vlastnostmi řady materiálů: žárupevných ocelí, niklových slitin a superslitin, hořčíkových slitin, bezolovnatých pájek, uhlíkových nanotrubek, nanočástic kovů a slitin, kvazikrystalů, materiálů pro fotoniku a optoelektroniku, magnetických Heuslerových fází, v poslední době termoelektrických materiálů ze skupiny skuteruditů a half-Heuslerových fází. Z experimentálních metod spojuje většinu jeho prací použití analytické elektronové mikroskopie, vysokorozlišovací transmisní elektronové mikroskopie a elektronové difrakce. O elektronové mikroskopii přednáší na Masarykově univerzitě.
Grantová agentura České republiky ve spolupráci s Lidovými novinami připravila sérii článků o základním výzkumu. Třetí díl představí výzkum českých vědců zaměřující se na Alzheimerovu chorobu. Přečíst si můžete také první díl o mikrobotech a druhý díl o dlouhověkosti hmyzu.
Alzheimerova nemoc, která může zničit naše stáří a zdevastovat naši rodinu, zatím odolává lékařům. Vědci ve světě i v Česku však objevují nové možnosti diagnostiky, zkoumají technické pomůcky pro nemocné a snad se i přiblížili k nalezení léku.
Možná jste se s tím už setkali: člověk, kterému to ještě nedávno bleskově myslelo, začne být popletený, nejistý, zapomíná. Počíná si nezodpovědně, někdy agresivně, jeho rodina nedokáže zvládat péči o něj. Tak se projevuje syndrom demence, k němuž nejčastěji vede Alzheimerova nemoc.
Tato choroba může sice výjimečně postihnout i čtyřicátníky a padesátníky, ale nejčastěji jí onemocní lidé ve věku nad 65 let – v této věkové skupině ji má každý třináctý člověk, vyplývá z dat Alzheimer nadačního fondu a České alzheimerovské společnosti. Z osob starších 80 let už touto chorobou trpí každá pátá. Nad devadesát let pak každý druhý člověk. Dva ze tří nemocných jsou ženy.
I když není možné její postup zastavit, dá se aspoň zpomalit, aby se znatelnější potíže objevily třeba až o několik let později. Když vezmeme v úvahu stáří pacienta, může se vlastně stát, že než ho tato nemoc začne tvrdě ničit, odejde ze světa z jiného, snad i milosrdnějšího důvodu. Kdyby se podařilo nástup demence odložit o pět let, znamenalo by to, že by se do roku 2030 počet lidí žijících s tímto onemocněním snížil o třetinu.
Proto se může hodit, pokud je onemocnění odhaleno včas. Dá se to například z mozkomíšního moku, který se odebírá injekcí z páteře. Pro pacienta to není dvakrát příjemné a ani každý lékař tento postup (lumbální punkci) neumí. Výzkumníci v několika zemích světa tedy hledají jiné metody, jak nemoc odhalit jednodušeji, ale spolehlivě a pokud možno i několik let předtím, než se objeví její první znatelné příznaky.
Diagnóza v předstihu
Jednu metodu představují zobrazovací metody, které zvenčí sledují změny v mozku. Druhou slibnou pak hledání známek nastupujícího nebo teprve budoucího onemocnění v krvi, kterou pacientovi dokáže odebrat každá zdravotní sestra.
Právě na hledání krevních biomarkerů, tedy biologických indikátorů toho, co se děje v organismu, se zaměřili i čeští vědci z Psychiatrické kliniky 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Všeobecné fakultní nemocnice v Praze. Spolupracovali při tom také s odborníky z Illinoiské univerzity v Chicagu a Univerzity Ravishankara Shukly v indickém městě Rájpúru.
Ve tříletém projektu financovaném Grantovou agenturou ČR vytipovali jako vhodné biomarkery hlavně hormon kortizol, aminokyselinu homocystein a některé typy aktivity mitochondrií. „Nečekáme, že diagnostika bude založena na jediném biomarkeru, ale spíše na nějaké propojené kombinaci více biomarkerů s celkovou dostatečnou vypovídací hodnotou,“ popisuje členka výzkumného týmu Martina Zvěřová.
Protože vědecké týmy své výsledky publikují v odborných periodicích, dávají si tak své výsledky navzájem k dispozici, aby na ně mohly navazovat. „Cílem je sestavit skupinu biomarkerů tak, aby se dala použít na jednoduché zjištění, zda je ještě zdravá osoba ohrožena Alzheimerovou nemocí,“ říká docentka Zvěřová.
Futuristická domácnost
Péče o alzheimerovského pacienta je s postupující nemocí pro rodinu stále obtížnější. Přitom pro pacienta je nejlepší, aby, jak to jen jde, zůstal doma, v prostředí, které nejlépe zná. Proto vědci navrhují, aby s péčí pomohla technika.
Například odborníci z ústavu lékařské techniky univerzity v anglickém Bathu prezentovali už před časem ukázkovou domácnost pro lidi trpící demencí. Když obyvatel takovéhoto bytu otevírá vchodové dveře v dobu, která k tomu není určená, vestavěný reproduktor jej nabádá, aby se vrátil zpět a nikam nechodil. Nahrávku může namluvit některý člen pacientovy rodiny. Jestliže neposlechne a stejně odchází, řídicí systém upozorní (třeba automatickou zprávou na mobil) osobu, která má za nemocného odpovědnost.
Když pacient uprostřed noci vstane a rozsvítí si, světla se po čase začnou sama postupně ztlumovat, aby jej nenápadně přiměla k návratu do postele. Uživatel si je však může zase rozsvítit, když je potřebuje. Pokud se naopak obyvatel takovéhoto bytu pohybuje v noci po tmavém domě, řídicí program rozsvítí světla v jeho okolí, aby do něčeho nenarazil a neublížil si. Současně jej nahraný hlas z reproduktoru vyzývá, aby se vrátil do postele. Až si lehne, senzory v lůžku to poznají a řídicí program pozhasíná světla, která zůstala v bytě rozsvícena.
Velkým rizikem bývá počínání nemocného v kuchyni. Jestliže tedy obyvatel bytu nechá v ukázkové domácnosti výzkumníků z Bathu puštěný vodovodní kohoutek a odejde, voda sama přestane téct. Pokud po odnesení hrnce nikdo nevypne rozpálenou plotýnku, nahraný hlas připomene, že sporák je nutné vypínat. Když ani na dvě výzvy uživatel bytu nereaguje, sporák se vypne sám. Pokud čidlo v kuchyni zaregistruje kouř, řídicí program vypne sporák a upozorní například určeného souseda nebo hasiče.
Na vývoji obdobně zaměřené techniky pro pacienty pracují i další vědci. Například ve Finsku zkoumali, jak vyrobit podlahu, která by měla z otřesů a tlaků poznat, nejen kde obyvatel chodí a zda neleží na zemi, ale dokonce sledovat tep a rytmus dechu. Může tedy upozornit, že něco není v pořádku.
Americká technologická společnost Intel využila ve svém výzkumu pomůcek pro alzheimerovské pacienty radioidentifikační čipy (RFID). Vmontovala je do zubních kartáčků nebo dokonce prkýnek na toaletě. Ze záznamů se dalo poznat, zda staří lidé žijící osamoceně dbají na hygienu. Vyhodnocující počítač by pak měl upozornit příbuzné, kdy už je nutné zajistit větší péči zvenčí. Představa mechanického kontrolora na záchodě působí hodně nepříjemně. Ale jeden z výzkumníků Intelu na kritiku ochránců práva na soukromí reagoval: „Měli byste raději čip na záchodovém sedátku, nebo jinou osobu, která je v koupelně s vámi?“
Faktem však zůstává, že do praktického života žádná z těchto sofistikovaných vychytávek zatím nedorazila.
Nenápadný, ale postihnutelný začátek
Lékaři vědí, že v mozku pacienta se Alzheimerova nemoc projevuje odumíráním nervových buněk a ubýváním nervových spojení. V nervových tkáních a mozkových buňkách se ukládají tau proteiny a bílkovina zvaná beta amyloid, která vytváří povlaky rezivé barvy, zvané plaky. Napadené nervové buňky umírají. Dnes však vědci pochybují o tom, že jde o hlavní důvody onemocnění, spíše soudí, že to jsou vnější projevy dosud neznámé příčiny.
Co je ovšem podstatné pro potenciálního pacienta: To, že se u něj začíná rozvíjet Alzheimerova nemoc či jiná forma demence, může poznat i sám, pokud projevům věnuje pozornost. „Všimne si drobných změn: selhává mu paměť, ztrácí prostorovou orientaci – hůře se zorientuje v místech, kde ještě nebyl, pak pro něj začne být obtížnější najít své zaparkované auto, přestává se dobře orientovat v obchodě, kde nakupuje,“ popisuje Kateřina Veverová, vědecká pracovnice kognitivního centra 2. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Fakultní nemocnice Motol v Praze. Je koeditorkou nedávno vydané publikace s názvem V bludišti jménem Alzheimer, v níž čtrnáct českých odborníků shrnuje aktuální odborné poznatky i rady pro pacienta a jejich rodiny.
Při podezření na tuto nemoc je čas navštívit lékaře. „Může to být praktický lékař, ale existuje i řada ambulancí paměti,“ připomíná docentka Martina Zvěřová.
„Člověku tam samozřejmě hned nedělají lumbální punkci, na začátku je papírový dotazník, který zájemce vyplní. Teprve z něj se stanovuje, jaký specialista by měl léčení převzít – někdy třeba poruchy paměti souvisejí s depresemi a ne s demencí,“ říká doktorka Veverová.
Jak se bránit
Jen zřídka, v méně než pěti procentech případů, jsou příčiny Alzheimerovy nemoci dědičné. „Dnes známe tři geny, u nichž jsme si prakticky jisti, že se vznikem nemoci souvisejí. V těchto případech nemoc propuká brzy, už třeba v padesáti letech, a má poměrně rychlý průběh,“ shrnuje Kateřina Veverová. „Rada pro lidi, v jejichž rodině se vyskytla Alzheimerova nemoc, zní – zkuste jít na testy, až jste asi o deset roků mladší, než byl váš příbuzný, když u něj nemoc propukla. Dříve to v současné době nemá velký význam,“ doplňuje.
Ve většině případů není důvod onemocnění známý. Přesto existují užitečné rady, jak nemoci aspoň do určité míry předcházet. Mělo by to ovšem být už od mladého věku. Doporučení vypadají na první pohled jako z brožurky o zdravém životním stylu: mít dost pohybu, jíst hodně zeleniny, ovoce a rybího masa; nekouřit, sledovat, případně léčit vysoký krevní tlak, prostě snažit se udržet si co nejlepší zdraví.
„Opravdu se ukazuje, že zdravý životní styl s onemocněním Alzheimerem souvisí. Například nikotin sice podle výzkumů na potkanech brání tvorbě amyloidních plaků, ale současně podporuje nebezpečný tau protein, který se také ukládá v mozku a poškozuje kognitivní funkce,“ vysvětluje souvislosti docentka Zvěřová.
Průběh nemoci může aspoň zbrzdit aktivita pacienta. „Sem patří trénování paměti, čtení knih, pohyb, snaha rodiny zapojovat nemocného do různých činností, ne že ho nechají jen vysedávat u televize,“ zdůrazňuje Martina Zvěřová. Pomáhají i léky, i když pouze mírní příznaky. „Jsou to třeba prostředky na tlumení neklidu, poruch chování a spánku nebo na zmírnění psychotických stavů či rovnou agresivity pacienta, aby mohl být co nejdéle doma,“ poznamenává docentka Zvěřová.
„Příští rok se i k nám dostane lék aducanumab společnosti Biogen, který už byl letos schválen například ve Spojených státech,“ dodává doktorka Veverová. „Vedou se však o něj odborné spory. Podává se infuzně a působí proti amyloidním plakům v mozku. Zřejmě tedy opět míří na utlumení symptomů onemocnění, nikoli na jejich příčinu, takže nemoc jen brzdí. Ve vývoji jsou další medikamenty, ovšem zda a kdy dorazí do praxe, není jasné.“
V tuto chvíli tedy mohou pacienti vlastní aktivitou a léky oddalovat nástup nejnepříjemnějších projevů onemocnění, zabránit mu však nemohou. „Pokud to jde, lékaři radí, aby si pacient, dokud může, promyslel, co by chtěl dál. Zvážil, jestli si může prodejem nějakého majetku zajistit peníze na nejbližší léta života, promyslel si, do jaké léčebny by chtěl přijít, až nebude vyhnutí,“ líčí Kateřina Veverová. „Tyhle domovy ale mívají čekací lhůtu i dva roky. To vyžaduje, aby se přihlásil včas, a případně pak nástup odložil, pokud to nemoc ještě dovoluje. Tohle ale lidé obvykle nechtějí předem řešit, nechtějí myslet na něco, co tu ještě není, i když to nevyhnutelně přijde.“
——–
Rozhovor s doc. MUDr. Martinou Zvěřovou, Ph.D.
Není jednoduché zdravému člověku oznámit, že za pár let pravděpodobně onemocní nevyléčitelnou chorobou, říká docentka Martina Zvěřová z Psychiatrické kliniky 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy a Všeobecné fakultní nemocnice v Praze. Je členkou týmu, který přispívá k celosvětovému hledání jednoduché metody včasného rozpoznání Alzheimerovy nemoci.
Kdy se dá onemocnění Alzheimerovou nemocí poznat?
Pro tuto chorobu je charakteristický nenápadný, plíživý začátek s typickými výpadky paměti na nedávno proběhlé události. Onemocnění pravděpodobně probíhá řadu let skrytě, bezpříznakově, takže k nám pacienti většinou přicházejí až se znatelnými problémy. I v současné době patří Alzheimerova choroba mezi nevyléčitelná onemocnění, včasnou léčbou lze však podstatně zpomalit průběh nemoci, a zejména udržet pacienty v lehčích stadiích demence.
Jak toto onemocnění určíte?
Diagnóza je založena hlavně na pozorování lékařem, který u pacienta odhalí poruchu kognitivních neboli poznávacích funkcí. Různou měrou je postižen intelekt, paměť, pozornost, motivace, později i chápání a schopnost abstraktního myšlení a nakonec nemocní často nepoznávají své okolí ani nejbližší příbuzné. K upřesnění diagnózy nám pomáhají také zobrazovací techniky – počítačová tomografie, magnetická rezonance nebo pozitronová emisní tomografie, které najdou charakteristické změny v mozku pacienta. Využíváme však rovněž biomarker, tedy biologický indikátor stavu v organismu. Na rozdíl od ostatních medicínských oborů stojíme v psychiatrii zatím na začátku, ve fázi hledání vhodných biomarkerů. V případě Alzheimerovy nemoci je pro nás podstatný souběžný nález abnormálních hodnot tří bílkovin v mozkomíšním moku. Sledují se bílkoviny beta amyloid, volný tau protein a hyperfosforylovaný tau protein, které postupně způsobují smrt nervových buněk.
Mozkomíšní mok se odebírá punkcí, tedy injekčně z míchy v bederní části páteře. To není moc příjemné…
Není. A také to není pro všechna pracoviště dostupná metoda. I proto v našem výzkumu nových možných biomarkerů používáme žilní krev z paže, která se dá odebrat velmi jednoduše. Ve výzkumném projektu financovaném Grantovou agenturou ČR, který vedl profesor Jiří Raboch, s nímž jsem spolupracovala, jsme v této krvi odebrané pacientům s Alzheimerovou nemocí zkoumali proměny vytipovaných genů, pak několik biochemických parametrů v krevní plazmě, v krevních destičkách a v bílých krvinkách, a také změny v mitochondriích – to jsou tělíska uvnitř buňky, která, zjednodušeně řečeno, pro buňku vytvářejí energii.
Kde získáváte dobrovolníky pro svůj výzkum?
Ve zmíněném projektu jsme jich měli 120, většinou pacientů, kteří docházeli do naší ambulance, jen někteří byli v té době na naší klinice hospitalizovaní. V tomto smyslu je náš výzkum velmi komplikovaný, protože občas se nám některý pacient ze sledování vytratí – možná jej příbuzní umístili do nějakého zdravotnického zařízení, možná zemřel, ale my se to nedozvíme. Získaná data pak pro nás nemají dostatečnou hodnotu. Ono vůbec najít vhodné dobrovolníky je těžké. Ideální je pro nás takový, který trpí jenom Alzheimerovou chorobou a jinak je zdravý. V takovém případě je vyšší pravděpodobnost, že odchylky sledovaných hodnot od normálu souvisí právě s tímto onemocněním. Jenomže Alzheimerova nemoc se projevuje obvykle až ve věku 60 a více let. A to už lidé většinou trpí i dalšími chorobami. Proto pak musíme velmi pečlivě porovnávat a zvažovat, která změna může souviset s Alzheimerovou nemocí a která s chorobou úplně jinou.
K jakým výsledkům jste dospěli?
Zaznamenávali jsme změny zmíněných parametrů. V našem výzkumu nám vyšly jako vhodné biomarkery hlavně hormon kortizol, aminokyselina homocystein a některé typy aktivity mitochondrií. Nejsme v tom jediní, výzkumy tohoto druhu probíhají po celém světě, různé výzkumné ústavy zkoumají různé biologické parametry v krvi. Své výsledky zveřejňujeme v odborných periodicích, kde jsou všem k dispozici. Doufáme, že v celkovém souhrnu přinesou poznatky, které nám umožní určit nejvýhodnější novou diagnostickou metodu.
Chcete najít jeden biomarker, který oznámí – tento člověk má Alzheimerovu nemoc?
To ne, zdá se, že to nebude jediný biomarker, ale nějaká propojená kombinace více biomarkerů s celkovou dostatečnou vypovídací hodnotou. Podstatné bude, aby se daly zjistit z krve, kterou je možné snadno odebrat a analyzovat. Tím by se diagnostikování nemoci urychlilo, takže i léčba by se dala zahájit dříve. Současně také doufáme, že právě sledováním těchto biomarkerů už v průběhu nemoci dokážeme určit, jaký léčebný postup je přímo pro konkrétního pacienta nejvhodnější. Tedy který typ léku či kombinace léků použít, jak velké dávkování je přiměřené a podobně.
Předpokládáte, že jednou budete ještě mezi zdravými lidmi hledat budoucí pacienty?
Ano, máme za cíl také sestavit skupinu biomarkerů tak, aby se dala použít na jednoduchý screening, na zjišťování, zda je ještě zcela zdravá osoba ohrožena Alzheimerovou nemocí, která se projeví třeba až za dlouhé roky. To je ovšem eticky velmi složité téma, zda a jak jí to říci. Důležité bude, aby souběžně se screeningem, který odhalí lidi vysoce ohrožené Alzheimerovou nemocí, jsme jim byli schopni také nabídnout účinnou léčbu. To ale zatím nedokážeme, můžeme jenom postup choroby brzdit. Nicméně již nyní známe řadu rizikových faktorů pro vznik Alzheimerovy nemoci. Některé nelze ovlivnit, to je například věk, pohlaví a genetika, ale některé ovlivnit rozhodně můžeme. Jedná se například o obezitu, vysoký tlak, cukrovku II. typu, zvýšenou hladinu cholesterolu, kouření, nadměrnou konzumaci alkoholu, nedostatek pohybu a opakované úrazy hlavy. Takže je možné vysoce ohrožené osoby před nimi včas varovat.
Martina Zvěřová
Vystudovala 3. lékařskou fakultu Univerzity Karlovy.
Nyní je docentkou 1. lékařské fakulty Univerzity Karlovy, pracuje na Psychiatrické klinice Všeobecné fakultní nemocnice v Praze. Kromě klinické praxe se zabývá zejména výzkumem neurodegenerativních chorob, zvláště Alzheimerovy nemoci.
Pochopit složitý mechanismus reakce rostlin na tepelný stres či sucho pomohou vědcům výsledky genetického a buněčně-biologického studia regulace YODA signální dráhy pomocí proteinů HSP90, kterou na rostlině huseníček rolní zkoumal tým vědců z katedry biotechnologií Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci. Výsledky těchto experimentů byly publikovány v prestižních časopisech Molecular Plant, Plant Physiology a Journal of Experimental Botany.
„Tento GA ČR projekt byl zaměřen na studium genetických a funkčních interakcí mezi dvěma proteiny tepelného šoku HSP90.1 a HSP90.2 a signální kaskádou řízenou YODA kinázou. Zároveň jsme studovali, zda proteiny HSP90 ovlivňují funkci této signální dráhy ve vývoji modelové rostliny, kterou byl huseníček rolní,“ uvedl Jozef Šamaj z katedry biotechnologií.
Klíčová úloha signální dráhy YODA byla už dříve popsána ve vývoji průduchů na listech rostlin a embryogenezi, takže projekt se zaměřil na charakterizaci funkčních důsledků interakce proteinů HSP90 a YODA na tyto dva důležité vývojové procesy rostlin a při reakci rostlin na tepelný stres. „Zkoumali jsme genetické a fyzické interakce mezi proteiny HSP90 a kinázou YODA řídící signální kaskádu, pomocí které rostlina dokáže reagovat na vnější podněty,“ podotkl Jozef Šamaj.
Vědci z přírodovědecké fakulty také odhalili, že tepelný stres negativně ovlivňuje vývoj průduchů rostlin. „A to včetně deregulace MITOGENEM-AKTIVOVANÉ KINÁZY 6 a transkripčního faktoru SPEECHLESS, který se spolupodílí na přepisu dědičné informace důležité pro vývoj průduchů. Navíc, interakce mezi HSP90 a YODA je důležitá pro regulaci polarity při embryogenezi. Tyto výsledky byly publikovány v prestižních časopisech Molecular Plant a Plant Physiology. Následný přehledový článek uveřejněný v časopise Journal of Experimental Botany shrnul dosavadní poznatky o biologických funkcích HSP90 proteinů,“ vysvětlil Jozef Šamaj.
prof. RNDr. Jozef Šamaj, DrSc.
Do projektu se aktivně zapojila jedna post-doktorandka Despina Samakovli a dvě doktorandky Tereza Tichá a Tereza Vavrdová spolu s jejich školiteli. „Doktorandky se naučily metody molekulárního klonování, transformaci a křížení Arabidopsis, genotypizaci a fenotypizaci mutantních linií, selekci potomstva, mikroskopické metody a vyhodnocení dat,“ řekl Jozef Šamaj.
Obě doktorandky posléze zahájily novou vědeckou práci na post-doktorských pozicích v Belgii a Norsku. „Tento projekt významně přispěl při budování jejich vědeckých kariér,“ dodal Jozef Šamaj.
Excelentně hodnocený projekt GA ČR (Genetické a buněčně biologické studium regulace signalizace YODA (MAP3K4) pomocí HSP90 u huseníčku) získala katedra biotechnologií, číslo projektu 17-24500S.
Autor textu: Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého v Olomouci Na úvodní fotce: Vývoj průduchů u huseníčku rolního
Důležitým aspektem oplození u savců je vzájemná komunikace proteinových sítí, které se nacházejí na vajíčku i na spermii. Tyto proteinové komplexy procházejí mnohými změnami a přeskupováním v průběhu pohybu spermie reprodukčním traktem, kdy dochází ke zrání spermie, tzv. maturaci.
Pouze kvalitní spermie je schopna projít těmito klíčovými změnami, které jsou završeny schopností spermie proniknout obaly vajíčka díky tzv. akrozomální reakci. „V rámci projektu jsme studovali chování a dynamiku proteinů právě při maturaci spermií a akrozomální reakci, kdy dochází k fúzi membrán spermie na hlavičce, což vede nejen k řízenému vyloučení enzymů, ale i relokaci mnohých proteinových sítí do místa, kterým spermie s vajíčkem fúzuje,“ uvádí řešitelka projektu financovaného Grantovou agenturou České republiky RNDr. Kateřina Komrsková, Ph.D.
Vzájemná lokalizace α6 and β1 integrinových podjednotek a přítomnost α6β1 heterodimeru v hlavičce spermie myši detekovaná pomocí STED superrezoluční mikroskopie (a,c); proximity ligation assay (b); vizualizace kolokalizace (žluté šipky) pomocí Huygens software založeného na Pearson’s korelační koeficient (d).
Její tým zjistil, že při těchto procesech jsou proteinové sítě, které patří do rodiny tetraspaninů a integrinů, dynamické a chování těchto proteinů je v mnohých aspektech druhově specifické a například u člověka odráží mnohé patologické stavy spermií.
Součástí projektu bylo poskytnutí přehledu o aktivní dynamice proteinových interakčních a strukturních sítí, které se účastní spletitého procesu fúze pohlavních buněk. Vědci projektem zásadně přispěli k definování nových aspektů role tetraspaninů (CD9, CD81, CD151) a nově lokalizovaných integrinových heterodimerů (alpha6/beta4, alpha3/beta1 a alpha6/beta1) na spermii a ukázali jejich nezastupitelnost v procesu oplození.
Na základě těchto objevů je podle dr. Kateřiny Komrskové možné přistoupit k aplikačnímu výzkumu, který by měl pomoci při objasnění a diagnostice neplodnosti člověka a současně přispět ke zvýšení plodnosti chovných hospodářských zvířat – prasat a býků.
„Naše snaha směřovala k výstupům, které mají zásadní přesah do asistované reprodukce, a to nejen v humánním lékařství, ale i veterinární praxi,“ říká dr. Komrsková, vedoucí Laboratoře reprodukční biologie Biotechnologického ústavu Akademie věd. Podle ní bylo největší výzvou získávání dostatečného množství lidského materiálu (spermií a vajíček), které byly poskytovány na základě souhlasu dárců a v souladu s uděleným souhlasem etických komisí.
Lokalizace CD151 a integrinové podjednotky α6 v myších epididymálních spermiích a jejich interakce
„Naše velké díky patří všem dárcům a kolegům z center asistované reprodukce, kteří s námi na projektu spolupracovali,“ oceňuje Kateřina Komrsková.
Do tříletého projektu bylo aktivně zapojeno průměrně pět odborných pracovníků, technický personál a studenti. Projekt přispěl k realizaci a dokončení tří doktorských a pěti diplomových prací, pomohl také směrovat náplň několika bakalářských prací. Současně projekt pomohl s ukotvením vědecké kariéry čtyř postdoktorandů. Důležitá byla i zahraniční spolupráce, do jednotlivých částí řešení projektu bylo zapojeno osm zahraničních pracovišť, které přispívaly svým know-how.
Tým RNDr. Kateřiny Komrskové publikoval o své práci úctyhodných 19 publikací v impaktovaných časopisech, přičemž 18 těchto publikací mělo exkluzivní dedikaci na daný projekt GA ČR.
Publikace přinesly nové cenné mezinárodní spolupráce, které vznikly v průběhu projektu právě v důsledku publikační aktivity. „Tyto spolupráce stále trvají, rozvíjejí se a další přicházejí. Cenné je, že mnohé z těchto spoluprací byly iniciovány zahraniční skupinou, která nás na základě publikací oslovila. S publikacemi souvisí i zvané přednášky na mezinárodních konferencích a prestižních akademických seminářích,“ vyjmenovává následné aktivity RNDr. Kateřina Komrsková, Ph.D., která v současné době pracuje na dalších třech projektech, které se týkají reprodukce a neplodnosti.
RNDr. Kateřina Komrsková, Ph.D.,vede od roku 2015 Laboratoř reprodukční biologie v Biotechnologickém ústavu AV ČR, BIOCEV. Ve své práci se dlouhodobě zabývá funkcí vybraných proteinů gamet a reprodukčních orgánů v procesu oplození. Věnuje se studiu vazebné interakce a fúze spermie a vajíčka, zjištění změn v regulaci spermatogeneze a kvality spermií spojené s patologickou zátěží environmentálních faktorů, infekce a rakoviny. Její výzkum vede k novým možnostem diagnostiky neplodnosti u lidí.
Začátkem léta se v lesích a údolích objevují svatojánské mušky – světlušky (Lamprohiza splendidula). Jejich těla vydávají zelené světlo, kterému říkáme luminiscence. Trochu odborněji bychom mohli říci, že světlušky mají luminiscenční značky. I když jejich světlo je slabé, velmi dobře je vidíme. To je způsobeno okolní tmou, kdy nás neruší žádné jiné záření, tedy není přítomno rušivé pozadí. Stejný princip můžeme použít i při pozorování tak nepatrných objektů, jako jsou molekuly. Právě na něj se ve svém projektu podpořeném GA ČR, který byl hodnocen jako vynikající, zaměřil tým Antonína Hlaváčka z Ústavu analytické chemie AV ČR.
Fluorofory – klasické značky
Některé molekuly – fluorofory – také mohou vydávat luminiscenci, kterou nazýváme fluorescence. Luminiscence molekuly jednoho fluoroforu je velmi slabá, ale při nízkém pozadí je dostatečná dokonce i pro pozorování v optických mikroskopech. Fluorofor můžeme použít jako luminiscenční značku pro molekuly, kterým vlastnost luminiscence chybí. Tímto označováním si vybíráme, které molekuly můžeme pozorovat a které zůstanou skryté. Fluorofory jsou proto velmi významné a v řadě případů umožňují získat vynikající výsledky. Fluorescenci však vykazují i látky, které se běžně vyskytují v živých organismech a přírodních materiálech. Tyto přirozené fluorofory potom zvyšují pozadí a brání úspěšnému experimentu – je to jako bychom hledali svatojánské mušky se svítilnou na čele!
Foton-upkonverzní nanočástice – nová generace značek
Řešením tohoto problému se zabývá i Antonín Hlaváček. Jeho pozornost upoutaly především nanočástice, které vykazují zvláštní typ luminiscence – fotonovou upkonverzi. Fotonová upkonverze je zvláštní jev, kdy nanočástice absorbují neviditelné infračervené záření a vyzařují ho v podobě viditelného světla různých barev. Foton-upkonverzní nanočástice jsou velmi malé krystaly s velikostí přibližně 5-100 nm. „Díky obsahu vybraných lanthanoidů mají schopnost postupně absorbovat několik fotonů s nízkou energií – neviditelné infračervené záření. Nanočástice tak získá dostatek energie pro vyzáření fotonů viditelného světla,“ vysvětluje Antonín Hlaváček.
Velikost některých molekul, jako jsou proteiny, je s velikostí foton-upkonverzních nanočástic srovnatelná, a tak je možné je použít k jejich značkování. Jestliže foton-upkonverzními nanočásticemi označíme molekuly, můžeme je pozorovat a neruší nás žádné jiné zdroje záření na pozadí – jsou jako světlušky za bezměsíčné noci. Díky nízkému pozadí mohou být takto označené molekuly pozorovány dokonce jednotlivě, a to i s poměrně nenáročnou instrumentací. Tímto způsobem označené molekuly se uplatňují například v imunohistochemii, která umožňuje studium mikroskopické struktury živočišných tkání a rostlinných pletiv. Imunohistochemie umožňuje v mikroskopických preparátech specificky označit vybrané molekuly a pozorovat jejich prostorové rozložení. Podobně můžeme měřit i koncentraci molekul v imunochemických detekčních metodách. V tomto případě měříme intenzitu fotonové upkonverze označených molekul, ze které můžeme určit koncentraci stanovované látky.
Kromě zeleně zářících světlušek existují i další světélkující organismy, které vyzařující světlo různých barev. Něčeho podobného se Antonín Hlaváček pokouší dosáhnout ve světě nanočástic a molekul. Zabývá se vývojem foton-upkonvezních nanočástic, které mohou vydávat záření různých barev. Jedná se o takzvané multiplexování, které umožňuje současně pozorovat několik typů molekul.
Optická mikroskopie modrých a zelených foton-upkonverzní nanočástic adsorbovaných na skleněném substrátu. Velikost nanočástic je přibližně 25 nm.
V současné době Antonín Hlaváček využívá multiplexování v mikrofluidních experimentech, kdy s jeho pomocí může označovat (kódovat) mikrokapkové reaktory. To umožňuje provádět velké množství například biochemických experimentů a vyhodnocovat jejich výsledky během zlomků vteřiny. V navazujícím projektu ve spolupráci s Ústavem biochemie Masarykovy univerzity v Brně vyvíjí nové imunochemické metody. S využitím multiplexování s foton-upkonverzními nanočásticemi a automatizace na mikrofluidních čipech může být zlepšena detekce klinicky významných proteinových markerů. „V těchto experimentech je důležité detekovat minimální množství cílových molekul. Proto možnost pozorovaní a počítání jednotlivých molekul nachází skvělé uplatnění“, zamýšlí se doktor Hlaváček závěrem.
Experti fotonové upkonverze na Ústavu analytické chemie AV ČR (zleva Julie Weisová, Antonín Hlaváček a Jana Křivánková). Antonín Hlaváček vystudoval obor biochemie na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity v Brně. V současnosti se věnuje přípravě nanočástic a vývoji instrumentace pro analytickou chemii. Antonín Hlaváček si velmi váží podpory GA ČR, výborného prostředí na Ústavu analytické chemie AV ČR a vynikajících kolegů, bez kterých by výzkum nebyl možný.
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.
Profesor Ladislav Vyklický a jeho tým. Horní řada zleva: Bohdan Kysilov, Miriam Candelas, Jan Krůšek, Jiří Černý, Miloslav Kořínek, druhá řada zleva Ivan Dittert, Tereza Smejkalová, Ladislav Vyklický, Romana Marková a Věra Abramová.
Typická nervová buňka má bohatě větvenou síť výběžků, kterými komunikuje se stovkami dalších nervových buněk ve svém okolí.
Umělecké ztvárnění fotosyntetického aparátu bakterie Gemmatimonas se objevilo na titulní stránce posledního čísla časopisu Science Advances
doc. Michal Koblížek, MBÚ, AV ČR – Centrum Algatech
Martina Zvěřová 
prof. RNDr. Jozef Šamaj, DrSc.
Lokalizace CD151 a integrinové podjednotky α6 v myších epididymálních spermiích a jejich interakce
