Využití magnetické rezonance je nejviditelnější ve zdravotnictví. Tato metoda je ale neocenitelná rovněž při určování složení nových materiálů anebo třeba proteinů v živých organismech. Zdeněk Tošner z Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy v Praze vytváří postupy, které vědcům v Česku i ve světě pomáhají měření vylepšit. Za svůj výzkum byl v minulosti nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Díky filmům a seriálům z lékařského prostředí zná téměř každý vyšetření magnetickou rezonancí. Pacient je vsunutý do tunelu, kterým je vlastně velký magnet. S jeho pomocí je možné určit, jak jsou v těle rozmístěna vodíková jádra, čili voda, která tvoří většinu těla. Podle toho pak přístroj zobrazí vnitřní orgány a další struktury.
Toto technicky složité lékařské využití je však ještě relativně jednoduché ve srovnání s magnetickou rezonancí nasazenou na analýzu dalších materiálů.
Nejenom na složení, ale i na struktuře záleží
„V tomto případě nesledujeme jenom vodík, ale také množství různých jiných atomů. Mezi nejběžnější patří uhlík, fosfor, fluor, dusík, který je významný pro proteiny, křemík a hliník v materiálových vědách,“ vysvětluje Zdeněk Tošner.
Magnetická rezonance je založena na spinu, což je kvantová vlastnost částic, kterou klasická fyzika nezná. Jde o vnitřní moment hybnosti, jehož hodnota je pro každou částici přesně daná. Spin mají kromě elementárních částic, jako jsou protony či elektrony, také jádra atomů. A díky tomu se dají nukleární magnetickou rezonancí identifikovat.
„Zkoumaný vzorek vložíme do přístroje se silným magnetickým polem. Spiny částic ve vzorku se částečně zorientují podle magnetického pole, ale hlavně se začnou chovat jako dětská káča, jejíž osa se otáčí kolem svislé polohy. V magnetické rezonanci pak měříme frekvenci takového otáčení. Různá atomová jádra se nacházejí v různě pozměněném lokálním magnetickém poli a otáčejí se různou rychlostí. Podle toho je můžeme odlišit,“ popisuje doktor Tošner. „Není to tak, že okamžitě poznáme, jaké částice nebo atomy uvnitř jsou. Musíme vědět, co hledáme, a tomu přizpůsobíme použitou metodu.“
Ještě podstatnější je, že z výsledků získaných tímto „jaderným kompasem“ se dá vysledovat, jak jsou atomy vzájemně spojeny chemickými vazbami, a také vypočítat jejich pozici v molekule, a to podle toho, jak se atomy v magnetickém poli vzájemně ovlivňují. Tato pozice je významná proto, že určuje strukturu materiálu, z níž vyplývají vlastnosti materiálu.
Výrazně je to vidět například u proteinů. Stává se, že dvě bílkoviny v lidském těle mají úplně stejné chemické složení, ale jedna je užitečná nebo neškodná, kdežto druhá vyvolává onemocnění. Stojí za tím fakt, že má jinou prostorovou strukturu a jinak se váže na lidské tkáně. Díky znalosti této struktury pak vědci mimo jiné vyvíjejí léky, které by se měly „nalepit“ přesně na tvar nechtěného proteinu, a zabránit tak jeho zachycení v tkáních.
Zdeněk Tošner mění měřicí sondu v supravodivém magnetu. (Foto: PřF UK)
Sada postupů pro vědce z celého světa
Některé zkoumané vzorky je možné rozpustit ve vhodném rozpouštědle. V něm se může molekula volně otáčet, díky čemuž se dá lépe změřit. Oproti tomu průmyslové materiály zůstávají v pevném skupenství a také bílkoviny bývají pevně zakotveny v buněčné membráně. Jejich molekuly tedy nemohou volně rotovat. Otáčet se v přístroji musí celý vzorek. Postup měření je proto podstatně složitější. A právě tím se zabývá Zdeněk Tošner, a to i v projektu, na němž spolupracoval s kolegy z Technické univerzity v Mnichově a za který byl nominován na Cenu předsedy Grantové agentury ČR.
Využili při tom takzvanou teorii optimálních procesů, což je matematický postup výhodného řízení složitých činností ovlivňovaných mnoha proměnnými. V tomto případě jde o ozařování vzorků radiofrekvenčními pulzy tak, aby se podařilo získat výsledek co nejdříve a s co největší citlivostí.
„Vypracovali jsme vlastně speciální sadu postupů, které se dají úspěšně využít při charakterizaci nerozpustných proteinů magnetickou rezonancí,“ shrnuje Zdeněk Tošner. Výsledky vědci publikovali v uznávaných odborných časopisech Science Advances, Journal of the American Chemical Society či Angewandte Chemie.
„Kolegové se na nás obracejí s prosbou o radu, který náš postup by měli nejlépe využít ve svých měřeních,“ popisuje využití metody doktor Tošner. „A často se o tom, že náš postup použil někdo v zahraničí, dozvím až z odborné databáze, která zachytí citaci některého našeho článku. Jeho autoři poctivě zaznamenali, že při svém výzkumu použili naše postupy měření. A to potěší.“
RNDr. Zdeněk Tošner. Ph.D.
Narodil se v roce 1976. Vystudoval biofyziku na Matematicko-fyzikální fakultě Univerzity Karlovy v Praze, doktorát z fyzikální chemie získal ve společném programu na Stockholmské univerzitě a Univerzitě Karlově.
Nyní působí na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy. Jeho hlavním vědeckým zájmem jsou metody měření nukleární magnetickou rezonancí.
Projekt nominovaný na Cenu předsedy Grantové agentury ČR: Vývoj experimentů nukleární magnetické rezonance pevné fáze pro studium proteinů pomocí teorie optimálních procesů
Úvodní ilustrace: Umělecké ztvárnění experimentu nukleární magnetické rezonance pro Journal of the American Chemical Society. Práškový vzorek v rotorku se otáčí uvnitř cívky orientované pod úhlem 54,7° vzhledem ke směru vnějšího magnetického pole. Pomocí cívky se vytvářejí sofistikované radiofrekvenční pulzy symbolizované čísly.
Ilustrace: Jan Blahut, Tomáš Belloň