Zajistit dostatek pitné vody a potravy pro přibližně 11 miliard lidí. Najít levný a bezpečný zdroj energie nebo zdokonalit diagnostické metody a ulevit již teď přetěžovanému zdravotnickému systému.

To jsou globální výzvy, kterým čelí věda po celém světě. Ta česká není výjimkou.

Problémy, před nimiž badatelé stojí, jsou tak složité, že vyžadují široké propojení napříč různými obory, jedním slovem spolupráci. Nestačí znát svůj projekt do nejmenších odborných detailů, důležité je také chápat, jaké společenské dopady způsobí jeho zavedení do praxe.

Proto na Univerzitě Palackého v Olomouci vznikl Český institut výzkumu a pokročilých technologií (Czech Advanced Technology and Research Institute – CATRIN).

Zatím sdružuje tři výzkumná centra, k nimž se v budoucnosti mohou přidávat další. Celý systém je naplánován jako otevřená struktura s cílem udržet konkurenceschopnost české vědy ve světovém měřítku. Už teď v něm běží několik pozoruhodných vědeckých programů.

Superkondenzátory na uchování energie

Pětačtyřicetiletý Michal Otyepka je zastupující ředitel Regionálního centra pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) a špičkový fyzikální chemik. Stál u objevu fluorografenu (nejtenčího existujícího izolantu) a podílel se na vývoji prvního nekovového magnetu.

Nyní se s kolegy soustředí na vývoj materiálů z grafenu, což je ultratenká vrstva atomů uhlíku s mimořádnými vlastnostmi. Grafen je například několikanásobně pevnější než ocel a vede elektrický proud lépe než měď.

Jeho deriváty jsou superfunkční, hodí se v medicíně, při ochraně životního prostředí, ve vysoce účinných katalyzátorech či elektronice. Otyepka zkoumá jejich využití při ukládání energie v superkondenzátorech a je v tom tak úspěšný, že loni získal v České republice ojedinělý grant na přenos výsledků výzkumu do praxe.

„Superkondenzátory mají budoucnost v automobilovém průmyslu či elektrotechnice. Ve spolupráci se zahraničním partnerem náš materiál brzy otestujeme na reálných součástkách,“ uvedl Otyepka.

Grafenové deriváty z laboratoří RCPTM také slouží k propojování světa biomolekul s nanomateriály: „Z přírody si vypůjčíme vhodné enzymy, připoutáme je na náš materiál a použijeme třeba pro elektrochemickou přeměnu oxidu uhličitého na metanol.

Takto lze přeměnit skleníkový plyn na palivo či průmyslovou surovinu.“

Otyepka si od CATRIN slibuje, že „pod jednou střechou se vědecké týmy rychleji sladí. Efektivněji komunikují, mohou snadno sdílet technologie a drahé přístroje, a také dosáhnout lepšího soustředění na společný cíl.“ Taková atmosféra vede k dalšímu hledání spolupracovníků napříč celou univerzitou a v zahraničí. Z výsledků jejich práce bude nakonec těžit celý olomoucký region.

Tajemství krve

Jedním z nejvýznamnějších procesů v živém organismu je přenos kyslíku krví. Probíhá tak, že kyslík se naváže na červené krevní barvivo (hemoglobin) a přitom změní současně jak elektronový spin, tak magnetismus.

Krev obohacená o kyslík v plicích je nemagnetická, zatímco krev, která kyslík odevzdala v tkáních a navázala kysličník uhličitý, je magnetická. Mechanismus tohoto procesu dosud nebyl plně objasněn, což chce změnit tým vedený profesorem  Pavlem Hobzou.

Tento mezinárodně uznávaný odborník ve výpočetní a teoretické chemii, nositel ocenění Česká hlava a nejcitovanější tuzemský vědec je oporou RCPTM. Proslulost mu zajistil zejména objev nepravé vodíkové vazby, jímž zpochybnil do té doby platná dogmata.

V současnosti se věnuje hlavně počítačovému navrhování léků, k pochopení mechanismu přenosu kyslíku kolem sebe shromáždil specialisty na experimentální a teoretickou (kvantověchemickou) chemii a fyziku.

Ve výzkumu využijí právě i grafen. „Věříme, že získané závěry povedou k  poznání, jak proces probíhá na molekulární úrovni. To pak umožní detailně porozumět procesům na buněčné úrovni,“ vysvětlil Hobza.

Potraviny pro budoucnost

Součástí CATRIN se stalo i Centrum regionu Haná pro biotechnologický a zemědělský výzkum (CRH), kde probíhá studium dědičné informace rostlin.   Šlechtění zemědělských plodin za pomoci molekulárních technik je naprosto nezbytné pro získání nových odrůd, které budou dosahovat vysokých výnosů i v suchém klimatu a za prudkých výkyvů teplot.

Dále musejí být odolnější vůči chorobám a škůdcům, abychom mohli omezit používání pesticidů. Moderními metodami lze dokonce upravit vlastnosti plodin tak, aby u konzumentů nevyvolávaly alergické reakce nebo měly vyšší obsah zdraví prospěšných látek.

„Bez modifikací dědičné informace těchto cílů nedosáhneme. K úpravě genomu rostlin používáme metodu CRISPR-Cas9, někdy se jí říká molekulární nůžky. Najdeme příslušný gen odpovídající za určitou vlastnost a pomocí těchto nůžek ho takzvaně vypneme.

Tak získáme rostlinu s požadovanými vlastnostmi,“ uvedl vědecký ředitel CRH a nositel ocenění Česká hlava za rok 2018, profesor Jaroslav Doležel.

Rostlinný genetik přispěl spolu se svými kolegy k přečtení genetické informace významných plodin, jako je ječmen, pšenice, žito či banánovník. To ale pro pochopení, jak dědičná informace určuje vlastnosti rostlin, nestačí.

Nyní proto jeho tým studuje uspořádání DNA v buněčném jádře. Jejich práce nekončí v laboratořích. S novými technikami seznamují šlechtitele na pravidelných setkáních, která přispívají k rychlejšímu přenosu poznatků do praxe.

Nové využití pro tradiční léky

Antabus známe jako levný, snadno dostupný lék pro léčbu alkoholismu. Tým vědců z Ústavu molekulární a translační medicíny zkoumá, jak ho využít ve prospěch onkologických pacientů. „Protože uvedení každého nového léku na trh je finančně a legislativně náročný proces, vědci si pomáhají strategií zvanou repurposing,“ vysvětluje ředitel ústavu docent Marián Hajdúch.

Je to doslova opětovné použití již zavedeného přípravku v léčbě jiných nemocí. Celá řada léčiv původně navržených jako antiepileptika, antidiabetika, antipyretika nebo antibiotika se nakonec ukázala jako vhodná pro léčbu například nádorových onemocnění, přičemž hlavní výhodou jsou minimální požadavky na zahájení klinické zkoušky, když se léky se již používají u jiných nemocí.

Dalším příkladem repurposingu je preparát fenretinid testovaný u pacientů s cystickou fibrózou. Vědci z ÚMTM studují ve spolupráci se zahraničními kolegy jeho antivirový účinek a využití při léčbě nemoci Covid-19. Doufají, že účinná látka by mohla zpomalit množení viru, snižovat zánětlivé projevy a uchránit tak pacienta před plicní ventilací, což by byl přelomový objev.

Budoucnost CATRIN

Tak rozsáhlý, ambiciózní a v našem prostředí neobvyklý projekt má pochopitelně své odpůrce, a to jak z širšího akademického prostředí, tak přímo z univerzity. Ve své kritice poukazují hlavně na příliš rychlý start, nedořešenou legislativu a podmínky spolupráce. Plný provoz CATRIN je naplánován od 1. ledna 2021.

Text pro magazín Panorama 21.století: Martina Overstreet