Sedmero divů roku 2023

Je to pohled do budoucnosti. Laik může být zaskočen mnoha zcela cizími pojmy, jimiž se to v základním výzkumu jen hemží. U řady novinek, jež vědecký magazín Nature vybral do své tradiční sedmičky technologických inovací, které se vyplatí letos sledovat, ale už tak nějak tušíme, k čemu by to jednou mohlo být dobré… A hned u čtyř ze sedmi jde o biomedicínu, o chytré nápady, jak analyzovat biologické jevy, jak je ovlivňovat – a jak být zdravější.

Z loňského seznamu sedmi vědeckých divů zůstala „zázračná“ technologie CRISPR-Cas9, tedy genetická editace, která umožňuje vystřihnout či přistřihnout v DNA obsah, který se tam nehodí, nebo naopak vlepit, co by bylo záhodno. Loni byla metoda CRISPR, za niž v roce 2020 dostaly vědkyně Jennifer Doudna a Emmanuelle Charpentierová nobelovku za chemii, v popředí zájmu kvůli svému diagnostickému potenciálu na viry či patogeny (tentokrát s enzymem Cas12 a Cas13, ne slavným Cas9). Pro letošek však odborníci akcentují opět jeho editační sílu a pokukují po dalších varian­tách „crisprovské“ metody i jejího vy­užití v genetice či lékařství. „Myslím, že skončíme s pěkně celistvou sadou nástrojů, které nám dovolí editovat jakoukoli bázi si zamaneme,“ míní genetický inženýr Benjamin Kleinstiver z nemocnice v Bostonu.

Grál? Proteinové sekvenování

Druhý hit se týká proteinů. Proteom je úplný soubor proteinů, jež vznikají z genomu daného organismu, tedy i člověka. Může poskytovat spoustu vynikajících informací o jeho zdraví i nemocech, ale je stále ještě výzvou si v něm pořádně „počíst“. Proteiny mají totiž oproti RNA či DNA více stavebních bloků (dvacet místo čtyř „písmen“), jsou chemicky složitější. K jejich analýze se používá hmotnostní spektrometrie, ale i když ta toho nasnímá plno, nepřináší zářné výsledky. Na obzoru jsou techniky, které by mohly sekvenovat mraky proteinů, ne-li vše.

Jednou z nich je přístup známý jako fluorosekvenace, kterou se zabývá Edward Marcotte, biochemik z Univer­sity of Texas v Austinu. V roce 2018 popsal velké po­kroky se světelným „obarvováním“ amino­kyselin, u nichž pak kamera zachycu­je signály. „Mohli bychom označit i proteiny svítícími barvivy a pak sledovat, jak je molekulu po molekule vyndáváme,“ uvedl Marcotte, jenž si založil firmu Erisyon. Loni se výzkumníci z Quantum-Si, biotechnologické společnosti z Connecticutu, pochlubili alternativní metodou fluorosekvenování. Další vědci jako biofyzik Cees Deker z Nizozemska či tým Amita Mellera z izrael­ského Tech­nionu chtějí využít nano­pórů. „Dalo by se naráz podívat na desítky tisíc či miliony z nich,“ líčí Meller, který si loni na konferenci všiml, jak už se kolem sekvenace proteinů množí startupy.

„Mít single-molecule protein sequencing je sen molekulárních biologů, ale zatím jsem mírně skeptický a uvěřím, až nějakou metodu uvidím v komerční praxi a ne jenom ve fázi proof-of-concept článku. Osobně se mi líbí myšlenka proteinového sekvenování na bázi nano­pórů, kde se – zjednodušeně řečeno – protein protáhne skrze malý pór a při protahování se ze změn elektrického proudu v póru rozluští sekvence aminokyselin, z nichž je protein složen,“ řekl týdeníku Euro Petr Svoboda z Ústavu molekulární genetiky Akademie věd ČR s dovětkem, že jde o řádově složitější věc než u (dnes již rutinního) sekvenování nukleových kyselin.

Proč? „DNA a RNA vlákna se skládají ze čtyř základních jednotek, když nepočítáme jejich chemické modifikace, ale i s nimi se jedná o snesitelný a řešitelný problém. Ovšem protein je řetězec, který obsahuje dvacet základních aminokyselin, což je velký rozdíl, jestli se to, co se v póru měří, musí roztřídit na čtyři kategorie, nebo na dvacet. Držme jim tedy palce a nechme se překvapit! Původní myšlenka číst sekvence DNA skrze nanopóry také zněla jako sci-fi a už pár let jsou takové sekvenátory dostupné za rozumnou cenu a jsou tak malé, že se vejdou do kapsy,“ říká profesor Svoboda, který řešil i velký grant Evropské výzkumné rady (ERC).

Lepší mikroskopie i datace

Třetí očekávanou „peckou“ pro letošek mají být pokroky v elektronové mikrosko­pii (EM). Ta již dlouho umožňuje lékařům, fyzikům či materiálovým vědcům nahlí­žet „velmi hluboko“ do podstaty věcí. Už i nyní je rozlišení ohromující, ovšem zkoumané vzorky musejí být velice tenoučké. To hodně omezuje třeba biology, upozorňuje Nature. Výzkumníci tak přicházejí s vizí 3D mikroskopie – takzvaně volume EM – dokonce i u několika kubických centimetrů naráz. Odpadla by tak úmorná příprava ultratenkých plátků pro studium, třeba u ověřování neurální konektivity v mozku a podobně. Rozlišení však bude ještě jakoby rozmazané, fuzzy, byť experti – kupříkladu z unikátního centra Janelia v USA – hledají fígle, jak to chytře obejít, k čemuž se mohou během dekády přidat hi-tech firmy investující miliardy dolarů do nových mikroskopů. A není už tajemstvím, že jedním ze světových center mikroskopie je Brno.

I čtvrtý vědecký trend je dobře srozumitelný. Patrně nejznámější vědecký časopis na světě předvídá, že velké věci se budou dít v archeologii, respektive v radiokarbonovém datování (RC) dávných předmětů a materiálů. Před rokem vědci z kusu nalezeného dřeva na vikingské lokalitě v Kanadě (L’Anse aux Meadows na Newfoundlandu) vyčetli, že užitý strom tam byl poražen v roce 1021, pravděpodobně na jaře. To je vskutku ohromující přesnost! Jde o rok, kdy Vikingové objevili Ameriku?

Studii otiskli Margot Kuitemsová a Michael Dee v Nature, když využili stop radioaktivního izotopu 14C, přičemž typický odhad s přesností na desítky let ještě precizovali díky výkyvům hladiny kosmického záření specifických pro urči­té roky, jak je v roce 2012 představila fyzička Fusa Mijake z Nagojské univerzity na cedrových letokruzích. Další výzkumy ukázaly, že takové události jsou identifikovatelné ve starých vzorcích z celého světa. Michael Dee by rád této metody využil pro studium mayských památek a věří, že během dekády budou archeologové schopni získávat z dávnověku „absolutní datace“ – tedy na rok přesně.

Máme se tedy už těšit? „Popsaný postup je průlomový, jelikož jako první umožňuje pomocí RC metody datovat s přesností na jeden rok. Přestože již dávno neplatí cimrmanovská přesnost ±200 let, datace v rozmezí pouhého roku nebylo zatím možné dosáhnout. Nelze však očekávat širokou využitelnost a výraznější dopad této nové metody na zaběhlé postupy absolutního datování. Její aplikace totiž vyžaduje nálezy dobře zachovaných dřevěných artefaktů s dostatečně dlouhou řadou čitelných letokruhů,“ řekl týdeníku Euro Václav Vondrovský z pražského Archeologického ústavu AV ČR, jenž se datováním zabývá.

Takové předměty podle něj patří – obecně, ale v našich podmínkách zvláště – k ojedinělým nálezům. „Větší průlom v archeologii, podle mého názoru, nedávno přineslo compound-specific radiokarbonové datování, díky kterému lze datovat i nepatrné zbytky mastných kyselin absorbovaných v nálezech keramiky,“ doplňuje Vondrovský a odkazuje na studii z roku 2020, jež vyšla – jak jinak – v Nature a využila k upřesnění vzniku neolitických nádob z Anglie, střední a východní Evropy či Anatolie plynovou chromatografii.

Krátce poté začala stejnou metodu datování užívat i Veronika Brychová z České radiouhlíkové laboratoře. Na rok přesně určuje data i dendrochronologie, jež využívá rozdílů v ročních přírůstcích letokruhů; srovnáním s referenční křivkou se lze dobrat roku skácení, ale ne až v tak dávné minulosti. „Nová metoda RC datování prezentovaná v Nature nabízí slibnou a spolehlivější, nicméně stále ještě pionýrskou a finančně náročnou alternativu k dendrochronologii,“ míní archeolog Vondrovský.

Hvězdné nebe nad hlavou

Pátý i šestý technologický trend se týkají (buněčné) biologie. Metabolomika studuje maličké metabolity; lipidy, karbohydráty a další molekuly, které „pohánějí“ buňky. Původně se jako obor zajímala o celé tkáně a buněčné populace, ale nově se dostává již k zájmu o jednotlivé buňky. Není to zatím snadné. Chybí řada poznatků. „Přitom je to aktivní část buňky. Když máte nějakou chorobu a potřebujete znát stav buněk, tak se opravdu chcete podívat na tyhle metabolity,“ říká Jonathan Sweedler, analytický chemik z University of Illinois. Objevují se techniky, jež to mají zvládat (třeba laserová MALDI oddělující metabolity v tkáni), ale jeden takový set stojí miliony dolarů! Experti očekávají „demokratizaci“ čili zlevnění a větší dostupnost, kterou by mohl přinést open-source software SpaceM vyvíjený v Heidelbergu.

I další potenciální průlom pochází z biomedicíny. Vědci se zajímají o ty nejranější fáze zrodu komplexního života, o raná embrya. Takzvané embryoidní modely (na myších) jim pomáhají pochopit procesy utváření jedinců. Asi nejsofistikovanější modely z kmenových buněk dnes vytváří laboratoř Magdaleny Zernické-Goetzové z amerického Caltechu, opakovaně jedné z deseti nejlepších univerzit na světě, jejímuž týmu se loni povedlo implantovat vypěstované zárodky z kmenových buněk ES12 a 13 a sledovat je – až k vývoji hlavy i bušícího srdíčka.

A co bude tím sedmým divem světa? Podle editorů magazínu Nature máme koukat vysoko a daleko nad naše hlavy. Oním technologickým zázrakem, jenž bude přinášet úžasné zprávy z vesmíru, nemá být nic jiného než James Webb Space Telescope (JWST). Tento jedinečný dalekohled, za nějž NASA zaplatila přes deset miliard dolarů čili skoro čtvrt bilio­nu korun, vznikal po dvě dekády coby „náhrada za Hubbla“. Na orbit se dostal 25. prosince 2021. Už ale posílá dechberoucí snímky. Oproti předchůdci vidí dál, lépe a není už slepý ani k dávným hvězdám či galaxiím. Matt Mountain, astronom a operátor z Baltimoru, k tomu říká: „Nikde není prázdné oblohy – galaxie jsou teď zkrátka všude. To jsme teoreticky věděli, ale vidět to? Emotivní dopad je teď úplně jiný!“ Člověk má zase větší rozhled a má o čem přemýšlet.

Autor je vědecký novinář, působí na Univerzitě Karlově