Střípky vědy

Tato stránka patří přelomovým objevům českých vědců pracujících v zahraničí. Patříte-li mezi ně a měli jste v poslední době významný vědecký úspěch, napište o něm krátký příspěvěk. Navázali jsme spolupráci s časopisem Vesmír, kde mají zájem tyto příspěvky publikovat. Návod, jak psát články do Vesmíru najdete zde. Těšíme se na vaše texty! Je možné psát i delší články na volné téma, dotazy směřujte na jaroslav.icha@czexpats.org  

 

 


Neurony s podobným zaměřením se navzájem podporují

1. 6. 2020 Karolína Korvasová (Výzkumné centrum Jülich) vyšlo ve Vesmíru 2020/6

Neurony jsou spojeny excitačními a inhibičními synapsemi do složitých sítí jak lokálně, tak v měřítku celého mozku. Tato komplexita představuje velkou výzvu na cestě k pochopení, jak mozek zpracovává informace, a vyžaduje komplexní vědecké přístupy. Existuje mnoho různých modelů kódování informací v biologických neuronových sítích, z nichž některé jsou založeny na dominanci inhibičních synapsí, jiné na vzájemném zesilování neuronové aktivity. V mozkové kůře lze identifikovat nadprůměrně propojené podsítě neuronů s podobným funkčním zaměřením. Vědci z laboratoře Karla Svobody v Janelia Research Campus (USA) se rozhodli pomocí kombinace výpočetních a experimentálních metod otestovat funkci těchto hustěji propojených podsítí v somatosenzorické kůře myši. Jejich počítačová simulace části somatosenzorické kůry předpověděla, že lokální excitační spoje zesilují reakci neuronů na daný vstup, ale pouze v podsíti se zvýšenou hustotou spojů. Funkce těchto podsítí je výrazně ovlivněna ztrátou malého množství neuronů z podsítě. Tuto predikci otestovali autoři v experimentu in vivo. Odstranění malého množství excitačních neuronů zpracovávajících jistý hmatový podnět ze somatosenzorické kůry myši výrazně oslabilo neuronovou reakci na tento podnět, ale ne na jiné podněty. Touto manipulací byly ovlivněny převážně neurony s podobnou reakcí na daný hmatový podnět, jako měly odstraněné neurony.

Z těchto výsledků vyplývá, že pro reprezentaci smyslových podnětů v mozkové kůře jsou zásadní excitační spoje neuronů specializovaných na podobný smyslový podnět.

Peron S. et al.: Nature, 2020, DOI: 10.1038/s41586-020-2062-x


Zobrazovací metoda pro spintroniku

6. 4. 2020 Helena Reichlová (TU Dresden) vyšlo ve Vesmíru 2020/4

Spintronika se zabývá využitím kvantové vlastnosti elektronu – spinu – pro vylepšení elektronických součástek. Typickým příkladem spintronické součástky je magnetoresistive random-access memory (MRAM), která slouží k ukládání dat v elektronických zařízeních. Hledání nových materiálů a principů pro efektivnější (rychlejší, energeticky úspornější atd.) zápis informací je jeden z obecných cílů spintroniky.

Mezi materiály zkoumanými pro využití ve spintronice převažují takzvané feromagnety (například železo nebo nikl). Magnety, které se přitahují nebo odpuzují, jak známe z běžného života, jsou typicky tvořené těmito materiály. V posledních letech se pro možné spintronické využití začínají studovat i takzvané antiferromagnety (viz Vesmír 95, 628, 2016/11). Tyto materiály nevytvářejí ve svém okolí magnetické pole, v běžném životě tedy nepoznáme, že se jedná o magnetický uspořádaný materiál. V některých případech ale mohou být v porovnání s feromagnety mnohem efektivnější nebo dokonce nabídnout novou funkci.

Magnetismus daného materiálu je obecně výsledkem uspořádání jednotlivých spinů na mikroskopické úrovni. Ve feromagnetu jsou spiny orientovány paralelně, jejich momenty se tedy sčítají. V antiferomagnetu jsou jednotlivé spiny orientovány tak, že výsledný vnější magnetický moment je nulový. Tento fakt mimo jiné brání širšímu využití antiferomagnetů, protože jsou kvůli nulovému vnějšímu magnetickému poli pro mnoho metod neviditelné. Velký pokrok posledních let umožnil měnit a zobrazovat spinové uspořádání v nejjednodušší třídě antiferomagnetů (spiny orientovány antiparalelně), zobrazení a zápis magnetické informace do složitějších antiferomagnetů však představuje dosud nevyřešený problém.

Krokem vpřed je naše nedávno zveřejněná práce. K zobrazení magnetických vlastností s prostorovým rozlišením v nekolineárním antiferomagnetu Mn3Sn využíváme takzvaný anomální Nernstův jev (ANE). Pomocí laseru vytvoříme lokální termální gradient ( na obr. podél osy z) a současně měříme termálně indukované napětí. Toto napětí vypovídá o lokálních magnetických vlastnostech místa, které je ozářeno laserem. Vhodnou kombinací výkonu laseru a přiložením externího magnetického pole můžeme navíc magnetické vlastnosti antiferomagnetu přepisovat.

Ačkoliv jsme tuto zobrazovací metodu demonstrovali na jednom materiálu, je možné ji použít pro jakýkoliv materiál, který vykazuje nějaký magneto-termální efekt. Tato práce umožní studium zápisu a čtení informace v komplexních antiferomagnetech a jejich využití například jako paměťové médium.

Obr: Zobrazení magnetických vlastností a jejich přepsání v nekolineárním antiferomagnetu. Součástka byla nejprve polarizovaná tak, že magnetické vlastnosti byly všude stejné (modrá barva), poté byla na vybrané části součástky zapsána opačná magnetická polarizace (červená barva).

Reichlova H. et al.: Nature Communications, 2019, DOI: 10.1038/s41467-019-13391-z


Buňky krevního řečiště nádoru pod drobnohledem

3. 3. 2020  Kateřina Rohlenová (VIB-KU Leuven) vyšlo ve Vesmíru 2020/3

Rostoucí nádor vyžaduje přísun živin a kyslíku, proto stimuluje tvorbu nových cév (angiogenezi). Kvůli nekoordinované produkci růstových faktorů v nádoru mají tyto cévy nepravidelnou a propustnou stěnu, což vede k nedokonalému prokrvení a umožňuje šíření rakovinných buněk do dalších orgánů (obr. 1A). Potlačení tvorby těchto abnormálních cév nebo jejich „normalizace“ pomocí antiangiogenní terapie jsou proto považovány za perspektivní přístup k léčbě rakoviny. Současná terapie je ale málo účinná a potýká se s rezistencí. Vlastnosti cév jsou do značné míry dány buňkami endotelu, výstelky krevního řečiště. Experimentální výsledky ukazují, že endoteliální buňky v nádoru a ve zdravé tkáni se liší, čehož by se dalo využít k specifickému cílení na rakovinu. Molekulární podstata těchto rozdílů ovšem dosud nebyla objasněna.

V laboratoři prof. Carmelieta (VIB-KU Leuven Center for Cancer Biology v Belgii) jsme se proto zaměřili na charakterizaci genové exprese endoteliálních buněk v rakovině plic. Pro tuto studii publikovanou v lednu v časopise Cancer Cell jsme využili nové technologie umožňující zkoumat expresi mRNA a proteinů na úrovni jednotlivých buněk a charakterizovali jsme endoteliální buňky nádoru a okolní zdravé tkáně (obr. 1B). Analýza více než 55 tisíc endoteliálních buněk odhalila molekulární profily typické pro endoteliální buňky nádoru včetně dosud neznámých populací. Porovnáním endoteliálních buněk nádorů více než stovky lidských pacientů a experimentálních myší jsme identifikovali konzervované molekulární cíle využitelné jako zásahová místa pro nové antiangiogenní terapie.

Naše výsledky ukazují potenciál těchto pokročilých technologií pro identifikaci nových terapeutických cílů a kladou otázky pro další výzkum. Jsou některé typy endotelu typické pro určité formy rakoviny (plic)? Lze vlastnosti endoteliálních buněk modulovat tak, aby kupříkladu stimulovaly protinádorovou imunitní odpověď? Odpovědi na ně by v budoucnu mohly přispět k léčbě pacientů antiangiogenní terapií šitou „na míru“ konkrétním pacientům.

Obr: A. Schematické znázornění cévy ve zdravé tkáni a v nádoru. Ve zdravé tkáni jsou endoteliální buňky uspořádané a cévy mají neporušenou bazální membránu. V nádoru jsou endoteliální buňky neuspořádané a bazální membrána je porušená. V důsledku toho céva netvoří těsnou bariéru, což vede k nepravidelnému toku krve a prostupu rakovinných buněk do krevního oběhu.
B. Relativní zastoupení endoteliálních buněk v nádoru a v okolní zdravé tkáni vyjádřené pomocí barev. Populace angiogenních endoteliálních buněk se nachází pouze v nádoru, kde se podílí na tvorbě nových cév. Endoteliální buňky tvořící žíly a kapiláry se dále dělí na populace se specifickými vlastnostmi, jež jsou typické pro nádor nebo zdravou okolní tkáň. Zastoupení kapilár, které se vyznačují silnou expresí genů zapojených do imunitní odpovědi, je výrazně nižší v nádoru.

Goveia J., Rohlenová K. et al.: Cancer Cell 37, DOI: 10.1016/j.ccell.2019.12.001


Derivát metabolitu imunitních buněk účinný v boji proti lupénce

24. 6. 2019  Monika Bambousková (WUSTL)

Při aktivaci makrofágů, klíčových imunitních buněk učinných v boji proti infekcím, dochází ke komplexním změnám v jejich buněčném metabolismu. Tyto změny mimo jiné vedou k tvorbě metabolitu zvaného itakonát, který se jinak v klidových buňkách nevyskytuje. Bylo ukázáno, že itakonát může mít antibakteriální účinky, čehož by makrofágy mohly využít v případě bakteriálních infekcí. Vědci z Washington University v Saint Louis, USA, však překvapivě identifikovali, že itakonát vykazuje spíše protizánětlivé učinky a může se uplatnit v léčbě autoimunitních onemocnění.

dimethyl itakonát

V práci publikované v časopise Nature Monika Bambousková během svého postdoktorálního pobytu na Washigton University v Saint Louis popsala, že itakonát v buňkách působí chemicky jako tzv. elektrofil a je tedy schopen přímo se vázat na některé části biomolekul přítomných v buňkách. Při studiu dimethyl itakonátu, reaktivnějšího derivátu itakonátu, se tak podařilo objasnit jeho silné protizánětlivé účinky. Dimethyl itakonát přímo blokuje produkci klíčového transkripčního faktoru IκBζ, který je nezbytný pro správný průběh imunitní reakce zprostředkované makrofágy. Byl tak objeven nový způsob selektivního zásahu do aktivace těchto imunitních buněk. Důležitost tohoto objevu však spočívá i v tom, že IκBζ je nejen klíčovým faktorem v aktivaci makrofágů, ale uplatňuje se i jako regulátor zánětlivé dráhy řízené interleukinem-17 (IL-17). Právě tato dráha je zesílená v mnohých autoimunitních onemocněních, jako například v lupénce, roztroušené skleróze a dalších. Nové poznatky získané při studiu dimethyl itakonátu tak nabídly účinný nástroj zásahu nejen do aktivace makrofágů, ale také do imunitní odpovědi řízené IL-17. Při lupénce hraje IκBζ důležitou roli v komunikaci imunitních a kožních buněk, tzv. keratinocytů. Dimethyl itakonát účinně blokoval produkci IκBζ jak v myších, tak i v lidských keratinocytech aktivovaných IL-17. Tyto a další výsledky tak daly podnět k testování dimethyl itakonátu na myším modelu lupénky, kde tato látka zcela zabránila vzniku patologických příznaků lupénky na kůži testovaných myší.

Tyto výsledky, získané při studiu derivátu přirozeného metabolitu imunitních buněk, byly potvrzeny na lidských buňkách a získané poznatky byly využity k navržení nových léčebných postupů pro léčbu autoimunitních nemocí.

Na závěr je třeba zmínit, že látka chemicky podobná dimethyl itakonátu, dimethyl fumarát, se již delší dobu úspěšně využívá při léčbě lupénky i roztroušené sklerózy. Detailní mechanismus jejího lečebného účinku je však stále předmětem studia. V publikované práci vědci rovněž potvrdili, že i dimethyl fumarát vykazuje schopnost selektivně blokovat IκBζ. Získané výsledky tedy přispěly k pochopení obecného imunoregulačního působení skupiny klinicky důležitých látek s vlastnostmi podobnými itakonátu. Jako zajímavost do této skupiny patří rovněž přírodní látky izolované např. z brokolice, které jsou známé svými protizánětlivými učinky.

Bambouskova M, Gorvel L, Lampropoulou V, Sergushichev A, Loginicheva E, Johnson K, Korenfeld D, Mathyer ME, Kim H, Huang LH, Duncan D, Bregman H, Keskin A, Santeford A, Apte RS, Sehgal R, Johnson B, Amarasinghe GK, Soares MP, Satoh T, Akira S, Hai T, de Guzman Strong C, Auclair K, Roddy TP, Biller SA, Jovanovic M, Klechevsky E, Stewart KM, Randolph GJ, Artyomov MN. Electrophilic properties of itaconate and derivatives regulate the IκBζ-ATF3 inflammatory axis. Nature. 2018 Apr;556(7702):501-504.

Souhrny: tisková zpráva

Dempsey LA. Immunoregulatory itaconate. Nat Immunol 2018 Jun;19(6):511.

Bordon Y. Itaconate charges down inflammation. Nat Rev Immunol 2018 Jun;18(6):360-361.


Hlubokomořské ryby vidí barevně díky extra kopiím genů pro tyčinkové opsiny

12. 5. 2019 Zuzana Musilová (UNIBAS)

Článek se objevil i na obálce časopisu

Ryby žijící v hlubinách oceánů mají překvapivě velmi dobře vyvinutý zrak, s ohledem na to, že do jejich přirozeného prostředí neproniká žádně sluneční světlo. Je to přizpůsobení pro detekci bioluminiscence, kterou mnozí živočichové v tomoto habitatu produkují. Zuzana Musilová během svého postdoktorálního pobytu na univerzitě ve švýcarské Basileji analyzovala genomy mnoha hlubokomořských ryb a odhalila překvapivě zmnožené geny pro fotopigment rodopsin v tyčinkách. Ukázalo se, že extra kopie rodpsinu, které se v průběhu evoluce rozrůznily umožňují rybám obdobu barevného vidění ve skoro úplné tmě. Standartní barevné vidění pomocí čípků funguje pouze při intenzivním osvětlení, protože čípky jsou méně citlivé než tyčinky. Nyní Zuzana vede vlastní výzkumný tým na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy a dále se zabývá evolucí smyslového vnímání a speciací u ryb i díky prestižnímu grantu ze Švýcarska. Výzkum byl publikován v časopise Science, krátké shrnutí zde, tisková zpráva na webu Přírodovědecké fakulty a článek v The New York Times.

Musilova, Z., Cortesi, F., Matschiner, M., Davies, W. I., Patel, J. S., Stieb, S. M … & Salzburger, W. (2019) Vision using multiple distinct rod opsins in deep-sea fishes. Science. 6440 (364) 588-592


Jak buňky řeší, když se srazí ribozomy při překladu mRNA?

12. 5. 2019  Petr Těšina (LMU)

Ilustrace k článku se dostala na obálku časopisu.

Během překladu mRNA se občas přihodí, že se ribozom zasekne na mRNA a další ribozomy na stejném vlákně mRNA do něj narazí jako při nehodě na dálnici. Eukaryotické buňky mají funkční systémy kontroly kvality překladu a nakupené ribozomy na vlákně mRNA spouští signál, že s translací dané mRNA je něco v nepořádku. Důsledkem této kontroly je degradace vadné mRNA (typicky skrze tzv. No-Go Decay, NGD) a překládaného polotovaru proteinu, který by mohl být pro buňku toxický (skrze tzv. ribosome-associated quality control, RQC) a také recyklace zastavených ribozomů na dále použitelné podjednotky. Už dříve bylo známo, že k nastartování kontroly kvality RQC je nezbytná ubiquitin ligáza Znf598/Hel2, nebylo ale jasné, jestli je aktivita tohoto enzymu nezbytná i pro NGD a jak Hel2 rozpozná problémy při translaci na začátku celého procesu.

Ve spolupráci s kolegy z Japonska se Petru Těšinovi během postdoktorálního pobytu na univerzitě v Mnichově podařilo zjistit, že procesy NGD a RQC jsou propojeny skrze aktivitu enzymu Znf598/Hel2. Minimální strukturní jednotka kolidujících ribozomů jsou dva ribozomy vedle sebe, tzv. dizom, a mezi nimi vzniká unikátní rozpoznatelné strukturní rozhraní zejména interakcí obou malých ribosomálních podjednotek. Pomocí moderního přístupu ve strukturní biologii tzv. kryoelektronové mikroskopie vědci zjistili, že Hel2 ubiquitin ligáza je schopná toto strukturní rozhraní rozeznat. Hel2 spouští NGD a RQC polyubiquitinací ribosomálních proteinů nacházejících se na tomto rozhraní a umožňuje také alternativní cestu k aktivaci NGD. Tento výzkum podtrhuje fakt, že si buňky vyvinuly mnoho fascinujících systémů kvality kontroly, kterými čelí tomu, že většina procesů v buňce má poměrně vysokou chybovost. Po zahrnutí systémů kvality kontroly do replikace a transkripce DNA a překladu mRNA do proteinů je pak čtení našeho genetického kódu téměř bezchybné. Článek byl publikován v časopise EMBO journal, kratší shrnutí najdete zde.

Ikeuchi, K., Tesina, P., Matsuo, Y., Sugiyama, T., Cheng, J., Saeki, Y., … & Inada, T. (2019). Collided ribosomes form a unique structural interface to induce Hel2driven quality control pathways. The EMBO journal38(5), e100276.

 


Jak rostliny opravují poraněné kořeny?

8. 5. 2019 Jiří Friml (IST)

Mikroskopický snímek špičky kořene huseníčku. Zeleně jsou zbarvené buňky, které procházejí restorativními buněčnými děleními a produkují dceřiné buňky, které nakonec zaplní ránu (bílá oblast). © IST Austria / Lukas Hörmayer

Hojení ran u živočichů a především u člověka je velmi aktivní oblast výzkumu. Daleko méně se ví, jakými mechanismy se rány hojí u rostlin. Vědci pod vedením Jiřího Frimla z Institute of Science and Technology v Rakousku (IST Austria) studovali, co se stane, když jsou poraněny kořeny rostliny. Ukázali, že buňky sousedící s ránou se začnou dělit a poranění zacelí nově vzniklými dceřinými buňkami, které se vyprodukují nejen přesně ve správném počtu, ale navíc se přeprogramují na ty správné buněčné typy. Klíčovým mechanizmem pro úspěšné zhojení kořenů je, že sousední buňky uvnitř rány se přeprogramují do kmenového stavu.

Všechny rostlinné orgány – od listů až ke kořenům – pravidelně snášejí poranění tkáně, ať už kvůli mechanickým silám, býložravcům nebo jiným faktorům. Zatímco zvířata se spoléhají na specializované migrující buňky pro hojení ran, rostliny, jejichž buňky jsou imobilní, si musely vyvinout jiné mechanismy: Již téměř sto let bylo známo, že v rostlinách nahrazují buňky sousedící s ránou poškozené tkáně novými dceřinými buňkami. Úplně nový aspekt hojení poranění rostlin v citlivé kořenové špičce byl objeven teprve teď díky použití speciálního designu mikroskopu, který je překlopený o 90 stupňů a je vhodný pro dlouhodobé pozorování přirozeně, ve směru gravitace, rostoucích kořenů a také umožňuje způsobit velmi přesně lokální poranění kořene pomocí UV laseru. Výzkumný tým zjistili, že poškozené nebo zničené kořenové buňky nejsou jednoduše nahrazeny dělením zdravých buněk ze stejného typu buněk nad a pod ranou. Místo toho, buňky sousedící s vnitřní stranou poranění reaktivují svůj program kmenových buněk, aby produkovaly buňky správného typu, které nahradí chybějící sousedy. Ve srovnání s běžnými děleními se buněčný cyklus těchto „léčivých buněk“ výrazně zrychlil a rovina jejich dělení se otočila o 90 stupňů, což umožnilo dceřiným buňkám uspořádat se kolmo k ose kořene (za normálních okolností se buňky v rostoucím kořeni dělí rovnoběžně s osou kořene). Při bližším zkoumání dceřiných buněk se ukázalo, že se správně diferencují do chybějících buněčných typů. Například když vědci odstranili buňku kůry a měla být nahrazena nově vytvořenou dceřinou buňkou z přilehlé endodermní buňky, tato dceřiná buňka získala nový a „správný“ buněčný typ buňky kůry. Aktivované „léčivé buňky“ jsou tak schopny se dělit asymetricky, tj. vytvářet dceřinné buňky jiného typu než mateřská buňka – proces, který se typicky vyskytuje pouze v dělivém pletivu úplně na špičce kořene. Studie je publikována v časopise Cell.

Petra Marhava, Lukas Hörmayer, Saiko Yoshida, Peter Marhavý, Eva Benková & Jiří Friml (2019) Re-activation of stem cell pathways for pattern restoration in plant wound healing. Cell Vol 177 (4), 957-969

 



 

Nová síla se probouzí

5. 5. 2019 Pavel Tomančák (MPI-CBG)

Tribolium (Stephan Münster)

Život každého má své milníky. Slavný britský vývojový biolog Lewis Wolpert kdysi řekl, že to není narození, manželství nebo smrt, ale gastrulace, která je nejdůležitější událostí v životě. Gastrulace je proces, během kterého se embryo každého živočicha dramaticky přemění z jednovrstvého shluku buněk do vícevrstvé struktury známé jako gastrula. Během tohoto procesu přetvářejí fyzikální síly jednoduchou embryonální tkáň a vytvářejí základ pro složité struktury dospělých mnohobuněčných organismů. Jak známo, embryo pochází z jediné oplodněné vaječné buňky, a tak je gastrulační tkáň u mnoha embryí v raném stádiu vývoje obklopena pevným ochranným vaječným obalem. Až dosud se mělo zato, že fyzické síly řídící gastrulační procesy vycházejí jen a pouze z aktivity samotné živé hmoty. Zda a jak živá tkáň interaguje s neživou skořápkou, která ji obklopuje, a zda tato interakce přispívá k formování sil, které hýbou živou hmotou při gastrulaci nebylo známo. Nedávno, skupina vědců pod vedením českého vědeckého expata Pavla Tomančáka z Max Planck Institutu pro molekulární buněčnou biologii a genetiku (MPI-CBG) v Drážďanech, objevila, že živá tkáň u dvou druhů hmyzu pevně přiléhá ke skořápce, která obklopuje embryo. Toto upevnění vytváří další vnější síly, které jsou potřebné pro správné gastrulační pohyby u těchto druhů.

Attachment scheme (Ivana Viktorinova)

Kromě hlubšího pochopení fyziky biologických procesů, otevírají tyto výsledky také nové pohledy na to, jak se mohla gastrulace vyvíjet v průběhu evoluce. „Navzdory tomu, že se jedná o klíčovou událost raného embryonálního vývoje, která je společná pro všechny živočichy, je gastrulace velmi flexibilní, a dokonce i příbuzné druhy vykazují velmi rozdílné gastrulační pohyby,“ říká Pavel Tomančák. „Jak a proč se gastrulace mění tak rychle, je dlouholetou a fascinující záhadou evoluční biologie.“ Práce Drážďanského týmu poukazuje na lokální a regulovanou interakci živé tkáně s jejím ochranným prostředím jako na jeden z mechanismů, které přispívají k evoluci embryonálního vývoje organismů, včetně člověka. Studie je publikována v časopise Nature.

Münster S., Jain A., Mietke A., Pavlopoulos A., Grill S.W., Tomancak P. (2019) Attachment of the blastoderm to the vitelline envelope impacts gastrulation of insects Nature Vol 568 (7752), 395–399