Nobelovy ceny 2017

06. 10. 2017

První říjnové dny se nesly ve znamení vyhlašování nových nositelů nejprestižnějších ocenění ve světě vědy: Nobelových cen.

Američané Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash a Michael W. Young získali Nobelovu cena za fyziologii a lékařství, a to za objevy molekulárních mechanismů řídících cirkadiánní rytmy neboli naše vnitřní biologické hodiny.

Jak zdůraznil Nobelovský výbor, tři letošní laureáti vyřešili klíčový problém pro živé organismy: totiž jakým způsobem rostliny, živočichové a lidé přizpůsobují své biologické rytmy pravidelnému rytmu dne a synchronizují je s otáčením Země. I tato schopnost přizpůsobovat se střídání dne a noci a s nimi souvisejícím pravidelným změnám v prostředí má podstatu v genech. Ocenění američtí vědci dokázali izolovat u octomilek gen řídící běžné denní biorytmy a ukázali, jak tento gen (nazvaný period) kóduje v buňce bílkovinu (nazvanou PER), která se během noci hromadí v buňce a během dne se pak znovu odbourává. Tento mechanismus umožňuje organismu přizpůsobit se různým fázím dne. Následné výzkumy odhalily podíl dalších genů ve složitém systému cirkadiánních rytmů.

Jelikož mají vliv na tak zásadní funkce v organismu, jako jsou spánek, tělesná teplota, metabolismus, hlad, hladiny hormonů atd., mají objevy nových nositelů Nobelovy ceny dalekosáhlé důsledky pro medicínu. Jejich narušení totiž může vést k únavě a poruchám spánku i řadě chorob – mechanismus vysvětluje podstatu tzv. pásmové nemoci, která vzniká, když lidé cestující na dlouhé vzdálenosti přes několik časových pásem. Výzkumy podle prohlášení Nobelovského výboru ale naznačují, že dlouhodobý nesoulad mezi naším životním stylem a přirozenými biologickými rytmy může také zvyšovat riziko řady chorob.

Bádání v oblasti chronobiologie, která se zabývá biologickými rytmy živých organismů, má dlouhé kořeny i v Akademii věd ČR. Její bývalá předsedkyně prof. Helena Illnerová objevila vliv změny délky dne během ročních období na biologické hodiny v mozku savců.

V současnosti se tým vedený dr. Alenou Sumovou v oddělení Neuromuhorální regulace Fyziologického ústavu AV ČR zabývá mechanismy, jakými jsou seřizovány hodiny uložené v různých částech těla, tj. nejen v mozku, ale také v orgánech zapojených do metabolických funkcí. Zkoumá též, jak se vyvíjejí a nastavují cirkadiánní hodiny savců během embryonálního vývoje v děloze matky, jelikož mláďata savců se rodí s hodinami nastavenými tak, že běží v souladu s matčinými. Zabývá se také výzkumem časového systému u lidí, při kterém odhalil dopad extrémního chronotypu na hodiny člověka na molekulární úrovni a studuje souvislosti mezi poruchou časového systému a rozvojem neuropsychiatrických onemocnění u pacientů, například s bipolární poruchou, Alzheimerovou demencí apod.

Nobelova cena za fyziku putuje do rukou vědců, kteří otevřeli cestu k pozorování vesmíru zcela novým způsobem: Američané Rainer Weiss, Bary Barish a Kip Thorne byli oceněni za klíčový příspěvek k pozorování gravitačních vln ve vesmíru a k vybudování detektoru LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), na němž se tato pozorování uskutečnila. Královská švédská akademie věd v prohlášení připomněla, že existenci gravitačních vln předpověděl v rámci své všeobecné teorie relativity už před téměř 100 lety Albert Einstein – jde o rozkmitání časoprostoru či změny v jeho zakřivení, které jsou důsledkem vzájemného pohybu těles v gravitačním poli (doprovázejí například splynutí černých děr) a které se šíří rychlostí světla. Dlouho panovaly obavy, že se gravitační vlny nepodaří nikdy přímo pozorovat: ty, které vznikají při nejdramatičtějších kosmických procesech, sice rozechvívají časoprostor v blízkém okolí velmi silně, amplitudy gravitačních vln se ale s šířením vesmírem zmenšují a po překonání miliard světelných let jsou už nepatrné. Jejich detekce se pak dá podle Královské švédské akademie věd přirovnat k měření vzdálenosti hvězdy nacházející se 10 světelných let daleko s přesností rovnající se tloušťce pramínku vlasů.

Přesto nakonec lidský um triumfoval: přelomovým datem se stalo 14. září 2015. Gravitační vlny, které vznikly kolizí dvou černých děr ve vzdálenosti 1,3 miliardy světelných let od Země, byly sice v okamžiku, kdy doletěly k Zemi, nesmírně slabé, přesto je dokázaly zachytit důmyslně sestrojené obří laserové detektory observatoře LIGO. Na tomto rozsáhlém projektu spolupracuje více než 1000 badatelů z více než 20 zemí. Na jeho vybudování a konečném převratném úspěchu však měli rozhodující podíl tři noví laureáti Nobelovy ceny za fyziku. Mezitím byly gravitační vlny pozorovány už v dalších třech případech a již nyní tato pozorování přinášejí poznatky, které nikdo nečekal.

Podle ředitele Astronomického ústavu AV ČR prof. Vladimíra Karase představují první detekce gravitačních vln kvalitativní posun ve výzkumu kosmu. Jde o zcela nové okno do vesmíru, které dosud zůstávalo astronomům zakryté. „Také v Astronomickém ústavu AV ČR a ve Fyzikálním ústavu AV ČR se teoretičtí fyzikové spolu s kolegy z Matematicko-fyzikální fakulty UK v Praze a z Ústavu fyziky na Slezské univerzitě v Opavě zabývají vlastnostmi přesných řešení Einsteinových rovnic s gravitačními vlnami. Výpočty umožňují přesně předpovědět očekávané profily vlnoploch přicházejícího vlnění, což je zásadní pro detekci extrémně slabého signálu pohlceného v mnohem intenzivnějším šumu. Jde totiž o detekci a analýzu dosud nejslabšího signálu přirozeného původu. Koneckonců i nobelovská komise se rozhodla ocenit vědce různého zaměření – převážně teoretického, experimentálního i organizačního.“

Vědci z Astronomického ústavu AV ČR pracují v rámci mezinárodního konsorcia gravitačních vln, které uveřejnilo v časopise The Astrophysical Journal Letters (Volume 826, article id. L13, 8 pp., 2016) zásadní článek Abott B. P., ..., Caballero-García, M. D., Hudec R., Jelínek M., ... et al. (celkem 1577 autorů): Localization and Broadband Follow-up of the Gravitational-wave Transient GW150914. Mezi spoluautory tedy najdeme vedle čerstvých nositelů Nobelovy ceny Rainera Weisse, Baryho Barishe a Kipa Thorna i jména českých astrofyziků.

Nobelovou cenou za chemii za rok 2017 byl odměněn vývoj kryoelektronové mikroskopie, která zjednodušuje a zlepšuje pozorování struktury biomolekul v roztoku s vysokým rozlišením. Ocenění převezmou Švýcar Jacques Dubochet, Američan narozený v Německu Joachim Frank a Brit Richard Henderson. Dokázali totiž překonat omezení dřívějších mikroskopických technik a vytvořit účinnou metodu pro získání trojrozměrného obrazu biomolekul.

Podle Královské švédské akademie věd jejich metoda zahájila novou éru v biochemii. Jejím prostřednictvím mohou vědci biomolekuly velmi rychle zmrazit v průběhu konkrétního biochemického procesu při zachování funkční konformace, takže mohou zachytit a zkoumat jeho různé fáze. Struktura biomolekuly se zachová praktiky v přirozeném stavu a lze ji navíc v určitých případech studovat s rozlišením až na jednotlivé atomy. Tímto postupem lze vytvořit série snímků skládající „film“ (přesněji řečeno sérii statických, zprůměrovaných fotografií), který ukazuje, jak se bílkoviny pohybují a jak interagují s jinými molekulami. Vědeckou literaturu tak v posledních několika letech zaplnily ohromující obrázky zachycující molekulární aparát živých buněk a atomovou strukturu řady složitých proteinových komplexů, včetně například bílkovin způsobujících rezistenci vůči antibiotikům a chemoterapeutikům nebo molekulárních komplexů, které řídí cirkadiánní rytmy, či světlosběrných komplexů pohlcující světlo pro fotosyntézu, a dokonce i viru Zika. Kryoelektronová mikroskopie tak dovoluje zobrazovat procesy, které se dříve nemohly pozorovat a studovat, což je důležité nejen pro samo poznání chemických procesů v živých buňkách, ale i pro vývoj léčiv – mj. i proto, že pomocí této metody lze lépe než dřív zobrazovat membránové bílkoviny, které se často stávají místem, na něž právě léky cílí.

Kryoelektronovou mikroskopii využívají jednotlivá pracoviště Akademie věd ČR nejen samostatně, ale rovněž v rámci výzkumné infrastruktury Czech BioImaging pro biologické a lékařské zobrazování, jež sdružuje kromě jiných institucí i několik pracovišť AV ČR: Biologické centrum, Fyziologický ústav, Ústav experimentální botaniky, Ústav molekulární genetiky a Ústav přístrojové techniky.

O kvalitě výzkumů v Akademii věd ČR svědčí i skutečnost, že prof. Jiří Šponer z Biofyzikálního ústavu AV ČR má s čerstvým nositelem Nobelovy ceny za chemii Joachimem Frankem společnou publikaci (K. Reblova, F. Razga, W. Li, H. Gao, J. Frank, J. Sponer: Dynamics of the base of ribosomal A-site finger revealed by molecular dynamics simulations and Cryo-EM. Nucleic Acids Research 38, 2010, 1325–1340.).

„Zásadní výhodou kryoelektronové mikroskopie biomolekul oproti rentgenostrukturní analýze je, že nemusí vecpat molekuly do krystalové mříže, což někdy buď vůbec nejde, nebo to může být na úkor biochemické relevance. Samozřejmě, i kryoelektronová mikroskopie stále poskytuje pouze statické rekonstruované obrázky biomolekul a biomolekulárních strojů, ale dokáže lépe identifikovat funkční substavy v přirozenějším prostředí. U Joachima Franka šlo třeba o legendární vizualizaci transferové RNA čekající, až ji ribozom přijme, a procesu tzv. translokace ribozomu, kdy si ribozom posouvá kodony messenger RNA. Rozmach metodiky kryoelektronové mikroskopie v posledních letech je úžasný,“ vysvětluje prof. Jiří Šponer.

Připravila: Jana Olivová, Divize vnějších vztahů SSČ AV ČR
Foto: Archiv Nobelprize.org

Nobelovy ceny 2017

Přečtěte si také

Newsletter