Domů     Objevy
CATRIN: Nová dimenze v české vědě
Jan Zelenka 7.3.2024

Věda se spojuje, aby byla silnější. Němci to pochopili už před první světovou válkou, když vznikla Společnost Maxe Plancka. V Česku vědecké klastry a interdisciplinární instituce začaly vznikat teprve nedávno, ale výsledky se už dostavují. .

K výzkumu rostlin neodmyslitelně patří sledování jejich vlastností v závislosti na vnějších podmínkách, k čemuž vědci využívají automatizované neinvazivní fenotypizační linky. Foto: CATRIN

Svoje interdisciplinární instituce má už každé významnější město, například Praha, Brno, Ostrava. Před devíti lety myšlenka spojit tři vědecká centra pod jednu střechu rezonovala i na Univerzitě Palackého v Olomouci.

Každé přitom spadalo pod jinou fakultu a každé z nich mělo trochu odlišný způsob řízení a jiné pracovní postupy. Trvalo pět let, než vznikl CATRIN – špičkový vědecký interdisciplinární institut v Česku.

Cílem CATRIN bylo a je dosáhnout zásadních vědeckých objevů, které mají šanci dostat se na přední strany věhlasných odborných periodik a které často vedou k úspěšnému uvedení do praxe.

Proč česká věda pokulhává za Evropou

V českém prostředí se s vysoce multioborovým výzkumem zatím setkáváme jen vzácně. Univerzitní výzkum je obvykle atomizován na malé týmy, které nepřesahují hranice svých kateder, nijak aktivně nespolupracují a plýtvají silami na zjištění toho, co už zjistili na univerzitě v sousedním městě.

„Česká věda tak nemá šanci konkurovat tempu asijských draků, jako je Singapur, Jižní Korea nebo Čína. Museli jsme se spojit, abychom jejich náskok v některých oborech alespoň částečně snížili,“ vysvětluje profesor Radek Zbořil, fyzikální chemik a mezinárodně nejcitovanější český vědec v oblasti materiálového výzkumu.

Jedinečnost institutu spočívá také v šíři aplikačního zásahu, kdy technologie vyvinuté primárně pro medicínu, průmysl nebo životní prostředí lze uplatnit i v udržitelném zemědělství nebo při výrobě kvalitních potravin.

Příkladem je výzkum v oblasti chytrých senzorů: „Představte si senzory nositelné na těle, které nepřetržitě monitorují váš zdravotní stav. Když je napojíte na rostlinu, získáte natolik přesné informace o jejích potřebách, že jí snadno nastavíte teplotní, světelné a výživové podmínky přímo na míru.

Už žádné plýtvání zdroji, míra poškozování životního prostředí je navíc snížena na minimum,“ vysvětluje biolog Lukáš Spíchal.

Významným směrem výzkumu vědeckého centra je příprava nanomateriálů pro biomedicínské využití. Foto: CATRIN

Svět různých rozměrů

V roce 2010 získali fyzici Alexander Geim a Konstantin Novoselov Nobelovu cenu za objev grafenu, průhledné dvojrozměrné formy uhlíku. Profesor Zbořil v té době v Olomouci přemýšlel, kam nasměrovat materiálový výzkum na Univerzitě Palackého.

A dobře odhadl, že budoucnost bude patřit právě grafenu s jeho úžasnou vodivostí, pevností, ukládací kapacitou a tloušťkou pouze jediného atomu.

„Už na konci milénia, s objevem nuladimenzionálního fullerenu, jiného nobelovského materiálu tvořeného pouhými šedesáti atomy uhlíku, přestalo platit to, co se naše generace učila ve škole,“ pousmívá se Zbořil.

Totiž to, že pevné látky jsou tvořeny výhradně trojrozměrnou krystalovou mřížkou. A tak se olomoučtí vědci rozhodli, že do království nových nízkodimenzionálních materiálů se vypraví i oni. „A zjistili jsme, že se tam děje úplně jiná chemie, ve které již neplatí pravidla 3D světa.

To nás uchvátilo. Začali jsme připravovat sourozence těchto nobelovských materiálů a studovat jejich využití,“ objasňuje profesor Zbořil. Přelomové výsledky na sebe nenechaly dlouho čekat. Pomocí unikátní 2D chemie tak byly v Olomouci připraveny první nekovové magnety, první dvojrozměrná karboxylová kyselina, materiály s rekordní kapacitou pro ukládání elektrické energie (tzv.

uhlíkové superkondenzátory) nebo materiály se schopností přeměňovat odpadní látky z chemických výrob na vysoce užitečné produkty použitelné v zelené energetice.

Ve fytotronech vědci studují rostliny v kontrolovaných podmínkách. Foto: CATRIN

Multioborový a globální kontext

Podstatou úspěchů vědců z CATRIN je umění propojovat zdánlivě vzdálené světy. Příkladem může být jejich dlouholetý výzkum v oblasti antibakteriálních technologií. Všichni víme, že jedním z největších problémů současné medicíny je bakteriální rezistence.

V Evropě se každoročně nakazí tzv. nemocniční infekcí, související s bakteriální rezistencí, přibližně čtyři miliony pacientů. Podle predikcí WHO tak mohou být kolem roku 2050 bakteriální infekce nejčastější příčinou úmrtí.

Prozatím neumíme s bakteriemi rezistentními vůči antibiotikům účinně bojovat. Abychom uspěli, potřebujeme propojit chemiky, mikrobiology, lékaře, ale třeba i materiálové vědce. „Společně s kolegy z přírodovědecké a lékařské fakulty jsme si kladli otázku, zda si bakterie, nejstarší organismy na naší planetě, dokážou vytvořit rezistenci vůči nanostříbru, podobně jako to dokázaly vůči antibiotikům.

Prokázali jsme, že bohužel dokážou,“ vrací se Zbořil k článku, který se objevil na úvodní straně časopisu Nature Nanotechnology, nejvýznamnějšího světového časopisu v oboru nanotechnologií. „Ovšem přibližně rok po tomto objevu jsme s využitím nízkodimenziální chemie dokázali ukotvit částice stříbra na grafen a docílili tím toho, že bakterie si už rezistenci vyvinout nedokázaly.

V neustálém koloběhu výzev a propojování světů je věda úžasná,“ uvádí Zbořil příklad využití poznatků ze zdánlivě nesouvisejících výzkumů.

Jak vytěžit a předat multioborové znalosti?

Docent Pavel Banáš, špičkový fyzikální chemik a ředitel CATRIN, dodává: „To, co se u nás snažíme vědcům poskytnout, je globální kontext. Zabýváme se celospolečenskými potřebami, například jak překlenout potravinovou a energetickou krizi.

Nemáme ambici společnost měnit, ale pomoci ji tím, že se staneme nejlepším vědeckým centrem ve střední Evropě a co nejefektivněji budeme pracovat na řešení současných problémů s využitím multioborových znalostí.“ To je také jeden z důvodů, proč je struktura CATRIN na české poměry tak nezvykle otevřená, že vědci kromě výzkumu ve svých oblastech pracují současně i na projektech jiných, odlišně zaměřených skupin, do kterých přinášejí neocenitelný interdisciplinární pohled. Vědecká práce v CATRIN tudíž vyžaduje týmové hráče.

Interdisciplinární výzkum, tedy použití přístupů, myšlení a metod z různých vědeckých oborů na jednom výzkumném projektu, znamená i zapojení společenských věd, jako jsou ekonomie, sociologie nebo psychologie.

„Dobře se to ukázalo během koronavirové pandemie – můžeme mít účinnou vakcínu nebo jinou skvělou technologii, ale pokud ji společnost odmítne používat, protože jí nerozumí a má z ní obavy, k čemu nám pak je?“ uzavírá ředitel Banáš.

Genetické nůžky

Zdravé pivo s preventivními účinky proti rakovině. Ječmen, jehož listy umějí pohlcovat přízemní ozon, a tím zmírňovat znečištění v ovzduší během velkých veder. Sláma, která ve stavebnictví nahradí neekologické a zbytečně drahé materiály.

Kdo by je nechtěl? Takových vlastností však u rostlin nelze dosáhnout jinak než zásahem do DNA. Celých 10 000 let vybírali zemědělci z úrody ta nejlepší semena plodin a schovávali je na příští jaro ve snaze vyšlechtit co nejodolnější a nejvýnosnější odrůdu.

V CATRIN dělají to samé, jen mnohem rychleji. Umožňuje jim to CRISPR/Cas9, metoda genetického inženýrství oceněná Nobelovou cenou za chemii. Představte si nůžky, kterými přesně, levně a snadno „prostříháte“ geny ječmene tak, aby lépe odolával suchu a škůdcům.

Bojíte se GMO? V tomto případě je to zbytečné. Metoda neupravuje vlastnosti ječmene přidáním cizích genů, pracuje jen s těmi, které už má. Změny, které by mohly v přírodě nastat samovolně, lze vyvolat cíleně, a výsledná rostlina se tak neliší od té přirozeně vyšlechtěné.

Není však potřeba investovat mnoho let a energie do šlechtění a čekat na tu správnou odrůdu.

Genovou technologii lze použít i pro molekulární farmaření, v CATRIN například vyvíjejí vakcínu pro jednodruhové chovy ryb, které jsou náchylné k různým nemocem. Vakcína vyroste přímo v ječmeni, stačí ho jen posekat, vyrobit z něj krmivo a ryby jím nakrmit.

Ječmen využívají odborníci v CATRIN i k molekulárnímu farmaření. Mimo jiné ho naučili „vyrábět“ katelicidin, jeden z nejznámějších antimikrobiálních peptidů lidské kůže, který je součástí její obranné funkce před infekčními mikroorganismy. Foto: CATRIN

Co je nejvyšší metou

V CATRIN pracují nejcitovanější světoví vědci ověnčení řadou cen. Za poslední dva roky získali přibližně 20 prestižních evropských grantů. Jejich práce se pravidelně objevují v nejvěhlasnějších časopisech skupiny Nature. Je to ve vědě nejvyšší meta?

„Podle mého názoru je nejcennějším badatelským výsledkem nová technologie zakončená prodejem licence a uplatněná na trhu. Většina renomovaných vědců vám řekne, že to je pro ně víc než tisíc citací nebo publikace v časopisech Nature či Science,“ říká Zbořil.

Jeho tým například vyvinul a patentoval technologii na zachycování laktoferinu v kravském mléce. Evropský patent koupila velká polská společnost. Laktoferin je antivirální a antibakteriální protein s vysokým obsahem železa, který podle některých výzkumů brání vzniku nádorových onemocnění.

Nejvíce je ho obsaženo v mateřském mléce, ale když nás matky přestanou kojit, již se nám do těla nedostává, v kupovaném mléce je totiž zničen pasterizací. V CATRIN vyvinuli technologii magnetických částic se speciální povrchovou úpravou, mezi nimiž volně proudí kravské mléko.

Laktoferin se během procesu odděluje a usazuje na částicích. Mléko zbavené laktoferinu jde na pasterizaci a samotný laktoferin si ve formě doplňku stravy koupíme v lékárně. Celý proces komercializace od prvotního objevu až po uplatnění technologie na trhu trval čtyři roky.

„Laická veřejnost si často představuje, že ve výzkumných centrech vzniká něco, co se dá okamžitě použít. Že do výkladní skříně vystavíme vyzkoumané materiály, kolem chodí lidi z velkých firem, vyberou si, co chtějí, a pak to zaplatí u kasy,“ říká Lukáš Spíchal.  Ve skutečnosti je cesta z laboratoře do výroby nesmírně zdlouhavý proces a hodně v něm záleží na schopnosti vědců komunikovat s komerčním sektorem.

„Nestačí jen ukazovat, že máme výborné výsledky, a čekat, že za námi budou firmy samy přicházet s připraveným zadáním.“.

Speciální šumivé tablety s nanočásticemi železa dokážou v rekordním čase vyčistit kontaminovanou vodu. Foto: CATRIN

Další ukázkou úspěšné technologie, na které pracovali výzkumníci z CATRIN a jež se dostala do praxe, je výroba nanočástic železa pro čištění kontaminovaných podzemních vod, kterou popisuje profesor Zbořil:

„V nanosvětě má železo zcela jiné vlastnosti než ty, které známe z běžného života. Například na vzduchu při styku s kyslíkem okamžitě shoří. Je to děj chemicky analogický korozi železa, jak ji všichni dobře známe, v nanosvětě však probíhá v řádu zlomků sekundy.“ Když se toto nanoželezo vhodně stabilizuje, může se jeho prudká reaktivita využít k čištění podzemních vod.

Je to elegantní technologie ,představující velké finanční úspory, protože na to, abychom vyčistili podzemní vodu, ji už nemusíme čerpat na povrch a stavět pro ni čističky. Stačí do podzemí injektovat nanočástice železa, které odbourají celou řadu toxických látek jako chlorované uhlovodíky nebo těžké kovy.

„Nanočástice se přitom promění v neškodný a v přírodě běžně se vyskytující oxid železitý,“ dodává profesor Zbořil.

V oblasti udržitelné energie vsázejí v CATRIN na vodík coby palivo budoucnosti. Vědci se zaměřují na jeho produkci s využitím světla a katalyzátoru – vhodného materiálu ve formě tenké vrstvy. Foto: CATRIN

Jediové vědy

V desetimilionové ČR máme přes 50 ústavů Akademie věd a zhruba 60 vysokých škol. Počet vědeckých pracovišť na jednoho obyvatele je tak v celoevropském kontextu vysoce nadprůměrný. Přesto máme pouze dva nositele Nobelovy ceny, básníka Jaroslava Seiferta a chemika Jaroslav Heyrovského.

Pokud se dočkáme někoho dalšího, velmi pravděpodobně vzejde z CATRIN nebo jiné, podobně ambiciózně nastavené výzkumné organizace s velkým důrazem na mezioborovou spolupráci.

Interdisciplinarita ve vědecké praxi přináší znamenité výsledky, nicméně vyžaduje odvahu. Vědci se nesmějí bát sdílet své tvrdě vydřené výsledky, ale současně je musejí umět patentově chránit, aby tím neposkytli výhodu konkurenci.

Nesmějí se bát přijmout nabídku spolupráce, která přesahuje jejich obor. A jak říká Marián Hajdúch z CATRIN, nesmějí se bát položit si otázku, nakolik bude jejich geniální myšlenka uplatnitelná celospolečensky.

S trochou nadsázky můžeme říct, že v CATRIN pracují vědečtí rytíři, podobní Jediům ze Star Wars, kteří respektují sílu týmové spolupráce a chtějí vyvíjet technologie pro lepší svět.

Perovskity jsou revoluční materiály v solární energetice. Vědci v CATRIN je využívají pro luminiscenční solární koncentrátory. Jedná se o zařízení, která jsou schopná absorbovat sluneční záření a koncentrovat je na svých okrajích, kde následně dochází k přeměně na elektrickou energii. Foto: CATRIN

autor: Yasmina Overstreet

Související články
Sto let vzbuzuje italská zkamenělina plaza úžas, zejména svou výjimečně zachovalou kůží, která se u fosilií starých 280 milionů let takřka nevidí. Psalo se o ni v knihách i článcích, až nyní ji ale vědci poprvé prozkoumali nejmodernější technologií. O překvapení nebylo nouze – a nepatřila vždy k nejpříjemnějším. Už od svého objevu v Itálii roku 1931 […]
Ve svém nejmenším provedení měří 11–13 milimetrů. Je tedy tak akorát drobný, aby se vešel do trávicího ústrojí. Řeč však není o žádné bakterii, ale o unikátním vynálezu vědců z Univerzity v Novém Jižním Walesu, který dokáže tisknout efektivní náhrady tkáně přímo v lidském těle. Nový chirurgický nástroj pojmenovali u protinožců jako F3DB, což je […]
Byla to senzace, když v roce 2003 na indonéském ostrově Flores našli vědci kosterní pozůstatky asi metr vysokého humanoida. Právě kvůli výšce se mu začalo přezdívat hobit. Kdo byli tito lidé ale zač? Trpěli záhadnou nemocí, v jejímž důsledku se zmenšili, jak si experti myslí? Oficiálně jde o člověka floreského (Homo floresiensis), mnohem více se však uchytilo […]
V každém krajském městě sbírali vědci klíšťata v parcích a zjišťovali, nakolik jsou pro člověka nebezpečná. Nyní vyhodnotili výsledky za loňskou sezonu a vyplynulo z nich, že klíšťata v městských parcích jsou infikovaná víc než ta v přírodě. U každého čtvrtého klíštěte byly nalezeny bakterie způsobující lymeskou borreliózu. V řadě parků pak bylo borrelií infikováno i více než 30 […]
Vědci nalezli v třetihorním baltském jantaru důkazy, že nejen vzhled hmyzu, ale také jeho chování je konzervováno desítky milionů let. Přibližně před 40 miliony let se termití pár druhu Electrotermes affinis zrovna věnoval námluvám, když uvízl v lepkavé pryskyřici stromu a navždy zůstal uvězněn ve zkamenělém jantaru. Tato dosud jediná známá fosilie páru termitů poskytla vědcům […]
reklama
Nejčtenější články
za poslední
24 hodin    3 dny    týden
reklama
Nenechte si ujít další zajímavé články
reklama
Copyright © RF-Hobby.cz