Výpočetní metody mohou nahradit drahé experimenty, uspíšit testování léků a omezit pokusy na zvířatech

Vibrační optická aktivita (VOA) zahrnuje rychle se rozvíjející flexibilní spektroskopické metody, které odkrývají strukturu biomolekulárních systémů. Ovšem k určení vztahu mezi spektrem a strukturou je třeba provádět počítačové simulace, které jsou náročné a současné postupy jsou pro mnohé experimenty nedostatečné.

 Cílem projektu GA ČR „Kombinace klasických a kvantově-mechanických výpočetních technik pro vibrační optickou aktivitu“ bylo zlepšit přesnost a použitelnost tzv. multi-scale metod založených na kombinaci molekulové mechaniky a kvantové mechaniky, a to spojením molekulové dynamiky a přenosu vibračních tenzorů, zahrnutím anharmonických efektů, a vývojem modelů pro zesílenou a indukovanou VOA.

 „Výpočetní postupy byly testovány na experimentálních datech. Projektu se účastnili dva vědečtí pracovníci a čtyři studenti magisterského a doktorského studia, projektový tým spolupracoval také s dalšími domácími i zahraničními pracovišti,“ říká vedoucí projektu profesor RNDr. Petr Bouř, CSc. z Ústavu organické chemie a biochemie AVČR.

 

Spektrometr pro měření Ramanovy optické aktivity

Proč jste zvolil právě toto téma? V čem je významné/zajímavé?

Asi bychom měli nejdříve říct, že vibrační optická aktivita (VOA) je jedna z metod, kterou můžeme zkoumat molekuly. V tom jak molekula např. pohlcuje nebo polarizuje světlo, se odráží to, jak vypadá, jaké jiné molekuly jsou v blízkosti. VOA má různé výhody i nevýhody oproti ostatním metodám. Pro mě je zajímavé, že je to metoda historicky relativně nová, stále se rozvíjí, a je vhodná pro celou řadu biologicky zajímavých molekul, včetně např. léčiv a proteinů doprovázející neurodegenerativní choroby. Byly pokusy ji aplikovat i na viry. Výzkum optické aktivity také představuje velice zajímavou kombinaci fyziky, chemie a biologie. VOA spektrometry začínají být komerčně dostupné, ale zdaleka ještě nejsou běžnou součástí laboratoří. Možná bude čtenáře také zajímat, že Česká republika je v tomto ohledu velmoc, špičkové VOA laboratoře najdeme v Akademii věd, na Vysoké škole chemicko-technologické, Karlově univerzitě, nebo Palackého univerzitě v Olomouci. Je to zásluha české tradice fyzikální chemie i profesora Timothy Keiderlinga z University of Illinois at Chicago, který mnoho českých vědců a studentů do Chicaga pozval a zájem o metodu v nás probudil.

Profesor Timothy A. Keiderling, iniciátor VOA spektroskopie v Čechách.

Můžete laikovi přiblížit, co bylo cílem projektu?

Už víme, že interakce molekul a světla záleží na jejich struktuře.  Rajčatová šťáva bude určitě obsahovat jiné molekuly než zelený špenát. Ale poznat jaké, není tak jednoduché. Můžeme si hrát s ozařováním různými druhy světla, včetně měření VOA, ale schází nám pojítko mezi spektrální odezvou a strukturou. Naštěstí vznik VOA v 70. letech minulého století by provázen rozvojem teoretických a výpočetních metod. Ty v zásadě umožňují spektra molekul simulovat, a tak ověřit, že naše představy o zkoumaném systému jsou správné. Ovšem přesně „spočítat“ i poměrně malou molekulu může trvat mnoho týdnů výpočetního času, a realistické modely pro biologicky relevantní systémy jsou dostupné teprve v posledních letech. Cílem projektu tedy bylo tyto výpočty urychlit a „napasovat“ na vibrační optickou aktivitu. V některých směrech se nám to povedlo velmi dobře, např. jsme ukázali, že čas pro přesný výpočet vibračních vlastností proteinu, který by konvenčními metodami dosahoval tisíce let, můžeme zkrátit na několik dní.

Jak probíhala samotná práce na projektu?

Samozřejmě kvalita týmu je vždy rozhodující, a určitě bych měl poděkovat kolegům a spolupracovníkům Ústavu organické chemie a biochemie, kteří se nechali „zbláznit“ do problematiky opticky aktivní spektroskopie. Spolupracovali jsme i s podobně „postiženými“ vědci z Polska, Norska, Kanady, USA a Japonska. Projekt se dotknul i zhruba deseti studentů, ať už přímo financovaných z grantu nebo ne, např. v rámci jejich doktorských nebo bakalářských prací, měli jsme praktikanty ze zahraničí (program IAESTE) a gymnaziální studenty z „Otevřené vědy“. Na podmínky si tedy nemohu stěžovat. Někdy se dělaly experimenty, někdy bylo ovšem nutné zalézt domů „pod peřinu“ a strávit několik dní soustředěným programováním.

Skupina Biomolekulární spektroskopie před Ústavem organické chemie a biochemie

Potvrdily se předpoklady a cíle se kterými jste do projektu šli?

Naše představy, výpočty, závěry se vždy snažíme konfrontovat s experimentem. A ten je zpravidla nikdy zcela nepotvrdí. Nakonec už antičtí učenci věděli, že s počtem známého roste i počet neznámého. Ale když se nad tím zamyslíte, jinak by žádný výzkum ani neměl cenu. Jako jedno překvapení, které jsme zažili, mohu uvést objev magnetické Ramanovy optické aktivity u plynů jako je chlor nebo brom. Žádná teorie to nepředvídala, my jsme ten signál ale jasně viděli, a museli jsme ho teprve vysvětlit.

Jsou zjištěné informace nějak využitelné v praxi?

To je v případě základního výzkumu samozřejmě citlivá otázka. Ne, že bychom se rádi rýpali v neužitečných věcech, ale pokud bych měl odpovědět upřímně, často to prostě nevíme. Každý objev nakonec našel uplatnění, a musíme přesvědčit mecenáše, v našem případě zejména veřejnost, že to tak bude i nadále. Ale abych nebyl takový pesimista, v případě VOA samozřejmě doufáme, že se uplatní v levnějších a rychlejších analýzách biomolekul, že polarizační metody se najdou použití v kvantových počítačích, budou pomáhat i v lékařské diagnostice, např. v rozpoznávání zdravých a nemocných tkáních. Výpočetní metody mohou nahradit drahé experimenty, uspíšit testování léků a přinejmenším omezit pokusy na zvířatech.

Simulovaná a experimentální VOA spektra alpha-helikálního proteinu.

Jak si projekt vedl, co se týká citovanosti v odborných časopisech?

Komunikace přes časopisy je zásadní pro kontakt s odborníky v oboru, ale v citovanosti nečekám rekordy. Na to je to téma přece jen dost úzké. Určitě jsme publikovali v prestižních časopisech a citovanost stále stoupá. Rozhodně máme radost, když vidíme, že naše programy, metody používají kolegové z Itálie, Německa, Japonska…

Budete zjištěné informace dále rozvíjet/zkoumat?

Tak to rozhodně budeme, částečně to už děláme v návazném grantu GA ČR. Během projektu jsme například i navázali zajímavou spolupráci s profesorkou Y. Xu z Univerzity of Edmonton ohledně rezonančního Ramanova rozptylu, tj. další jevu z kategorie „VOA“, nebo s univerzitou v Krakově v oblasti tzv. chemického zobrazování.

Na čem zajímavém aktuálně pracujete a co plánujete?

Kdybych to chtěl zlehčit, řekl bych, že na nezajímavých věcech prostě nepracujeme. To je jedna z výhod vědy. Nápadů máme celou řadu, jak jsem už prozradil, v průběhu řešení projektu se objely některé nové experimentální jevy, které vypadají jako velmi zajímavý problém na rozhraní optiky, spektroskopie, chemie a výpočetního modelování. S kolegy z Univerzity Palackého v Olomouci chceme zdokonalit zejména jednu oblast VOA, tzv. Ramanovu optickou aktivitu.

Petr Bouř

Jak jste spokojen se systémem GRIS a s ním spojenou administrativou?

Kdybych řekl, že mi administrativa, vyplňování všelijakých maličkých chlívečků, rostoucí stohy a stálé změny zadávací dokumentace nevadí, nikdo by mi nevěřil. Objektivně ale musím uznat, že grantový systém u nás funguje, a lidé v grantové agentuře jsou velice vstřícní. Ale spíše, než nad vyplňováním chlívečků bych rozpoutal diskuzi nad financováním vědy jako takovým. Kdysi jsme si na toto téma vyměnili dopisy s předsedou GA ČR, a shodli jsme se, že grantový systém je v zásadě špatný, ale nic lepšího není. Něco jako kapitalismus. V zásadě jde o to, že se nevěří lidem, vědcům, že jsou schopni produkovat něco užitečného bez biče. Ptám se ale, je to vždy pravda? Jak pracovali Heyrovský, Wichterle, Holý? Podchytí náš vědecký systém všechny talenty, které u nás máme? Jakou část svého času má produktivní vědec věnovat vyplňováním grantových přihlášek? Často nejde o vědu, ale o holé živobytí jeho a jeho studentů. Taková diskuze mi u nás – i ve světě – chybí.