Přírodovědecká fakulta

Sociální geografie

Nerovnosti ve zdraví

Jedním z předpokladů odpovědného rozhodování státních i nestátních orgánů na všech úrovních státu je znalost základních charakteristik populačního vývoje včetně jeho predikce. Specifikem geograficko-demografického studia je možnost sledovat krátkodobé i dlouhodobé regionální trendy a změny v populaci, které velmi rychle nastupují a ovlivňují kvalitu populace i procesy v ní probíhající. Studie zdravotního stavu obyvatel, především mezinárodních týmů interdisciplinárního charakteru, mají ve výzkumu stále nezastupitelné místo.

Nejzávažnějším rizikovým faktorem ohrožujícím zdraví obyvatel vyspělých zemí je kouření tabákových výrobků, proto je část současného výzkumu orientována právě na oblast kontrolních mechanismů spotřeby tabáku. V roce 2008 vyšel v prestižním vědeckém časopisu Tobacco Control článek „Effect of nation-wide tobacco control policies on smoking cessation in high and low educated groups in 18 European countries“, na kterém se v rámci širšího mezinárodního týmu podílela také Dagmar Dzúrová z Centra výzkumu zdraví, kvality života a životního stylu v geo-demografických souvislostech postkomunistické společnosti Přírodovědecké fakulty v Praze.

Dalším příkladem současného výzkumu pracovníků tohoto výzkumného centra je ve spolupráci s partnery z University College London, Department of Epidemiology and Public Health, studium kvality novorozenecké populace. Úroveň kojenecké úmrtnosti je sice v České republice jedna z nejnižších na celém světě (v roce 2005 zaujímala ČR hodnotou 3,4 promile 7. pozici v pomyslném žebříčku zemí světa), přesto se prvních narozenin nedožije v průměru 350 dětí ročně. Ve většině případů jde o onemocnění neslučitelná se životem (vrozené vady a problémy vzniklé v perinatálním období), přibližně 20 dětí umírá v ČR ročně ze zcela nezjistitelné příčiny, na syndrom náhlého úmrtí kojenců. Na kohortu dětí narozených v ČR v období let 1994 až 2006 (celkem 1 241 316 narozených, z nich 199 zemřelo na syndrom náhlého úmrtí) je cílen další současný výzkum výše uvedeného mezinárodního týmu.

Dagmar Dzúrová

Fyziologie

Neurální mechanismy magnetického smyslu

Různí obratlovci i bezobratlí živočichové jsou schopni používat magnetické pole Země jako vodítko pro svou orientaci. Přes velký pokrok učiněný v posledních letech zůstávají fyziologické mechanismy tohoto smyslu z velké části nevysvětleny. Magnetoreceptor dosud nebyl spolehlivě identifikován, velmi málo víme o primárních transdukčních dějích a o neurálním substrátu zabezpečujícím magnetickou orientaci. Skupině pracovníků katedry zoologie Přírodovědecké fakulty Karlovy Univerzity v Praze (ve složení Pavel Němec, Tomáš Burger a Marcela Lucová) se podařilo ve spolupráci s kolegy z Německa identifikovat některá mozková centra, která procesují magnetickou informaci. Použili k tomu striktně podzemního hlodavce druhu Fukomys anselli, který má silně redukovaný zrakový systém a při orientaci v podzemí spoléhá na svůj magnetický kompasový smysl. S použitím indukovatelných transkripčních faktorů coby markerů neuronální aktivace nalezli neurony reagující na magnetické stimuly, a to v části středního mozku, jež je zodpovědná za senzori-motorickou integraci, a ve strukturách, o kterých je známo, že se podílejí na prostorové orientaci u hlodavců (např. hipokampus, entorhinální kůra a mozková centra obsahující tzv. buňky směru hlavy). Tyto výsledky, které zveřejnil 10. března 2010 časopis Journal of the Royal Society Interface, otevírají prostor pro další zkoumání fyziologických mechanismů magnetického smyslu u savců.

Pavel Němec

Anorganická chemie

Baktericidní a virocidní nanovlákenné vrstvy:

Nové nanomateriály pro široké aplikace.

Existence singletového kyslíku (¹O₂), molekulárního kyslíku v elektronicky excitovaném stavu, byla prokázána již před více než 40 lety. Přesto je stále v popředí zájmu, především díky své vysoké reaktivitě a cytotoxicitě. Zcela výjimečný význam pro tvorbu ¹O₂ mají fotosensitizované reakce, zejména v roztocích, kde je molekula rozpuštěného kyslíku excitována nepřímo přenosem energie z excitované molekuly barviva, tzv. fotosensitizeru. Zcela novou možností je pak vázat tyto účinné látky dovnitř či na povrch polymerních nanovláken. Nanovlákenné vrstvy, tzv. nanotkaniny, tvořené polymerními nanovlákny jsou efektivními producenty cytotoxického ¹O₂ během ozařování viditelným světlem. Baktericidní a virocidní efekt povrchu nanotkanin ozařovaných viditelným umělým či denním světlem  byl prokázán na bakteriálních kmenech Escherichia coli a Staphylococcus aureus a polyomavirech. Nanotkaniny produkující ¹O₂ mohou mít řadu praktických aplikací. Jsou vzhledem k malé velikosti pórů mezi nanovlákny schopny zachytávat bakterie a větší viry. Představují nové autodezinfikující, sterilní krycí materiály např. pro medicínské aplikace (roušky, lehké obvazy), neboť kombinují vlastnosti cytotoxického ¹O₂ s velmi krátkým dosahem působení, dobrou difuzí a permeabilitou pro kyslík a mikrobiálním záchytem. V současné době se testují pro dermatologické aplikace včetně krytí ran u bércových vředů a popálenin. Enkapsulovaný fotosensitizer v nízké koncentraci uvnitř nanovláken či vázaný na povrch nanovláken nepředstavuje oproti jiným dezinfekčním činidlům zdravotní riziko, neovlivňuje např. hojení ran. Velkou výhodou je dále fakt, že bakterie či jiné mikroorganismy nevykazují rezistenci vůči ¹O₂ (oproti např. antibiotikům) a jsou touto formou kyslíku účinně inaktivovány. Koncept baktericidních a virocidních nanotkanin založených na fotogeneraci ¹O₂ byl vyvinut pod vedením doc. Jiřího Mosingera na katedře anorganické chemie PřF UK.

Jiří Mosinger

Anorganická chemie

Cílené zobrazování kostních tkání

Metody moderní medicíny umožňují lékařům nahlédnout pod povrch lidského těla bez použití skalpelu. Asi nejznámějším příkladem je využití RTG záření pro zobrazování kostí. Přestože tato metoda zcela postačuje pro zobrazení tvaru kostí a jejich případných defektů, není schopna zobrazovat drobné odlišnosti v morfologii kostní tkáně, které jsou často jediným projevem kostních onemocnění či rakovinného bujení. Proto se intenzivně hledají nové postupy pro zobrazování kostní tkáně, především metody radiodiagnostické.

Radiodiagnostické metody využívají záření, které je emitováno radioizotopy a umožňuje jejich lokalizaci v lidském těle pomocí snímacích zařízení. Za pomoci výkonného počítače je pak možno rekonstruovat 3D obraz sledovaných tkání. Promedicínské zobrazování se běžně využívají dvě hlavní metody – SPECT (Single Proton Emission Computed Tomography) a PET (Positron Emission Tomography) – přičemž pro každou z metod je používána řada izotopů včetně izotopů kovů. Pro aplikaci je nezbytné, aby byl ion kovu pevně navázán vhodnou organickou molekulou do „komplexu“. To zamezí nežádoucímu ukládání kovů v tkáních.

Jak však zajistit, aby radioizotop mohl být využit k zobrazování kostí? Toho lze dosáhnout připojením radioizotopu k látce, která se na kost selektivně váže. K těmto látkám patří hlavně bisfosfonáty. Bisfosfonáty patří mezi organofosforové sloučeniny a jsou již více než půl století využívány k léčbě kostních chorob. Tato léčiva se pevně váží na hydroxyapatit (fosforečnanhydroxid vápenatý, Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂), který tvoří hlavní anorganickou složku kostní tkáně (50–70 % hmotnosti). Po navázání na povrch kosti pak bisfosfonát ovlivňuje funkci kostních buněk, a tak zpomaluje odbourávání kostní tkáně. Proto také dochází k akumulaci bisfosfonátů především tam, kde je aktivita kostních buněk největší – kostní chrupavky, místa růstu kostí či oblasti patologických změn.

Na katedře anorganické chemie PřF UK studujeme využití iontů kovů pro biomedicínské aplikace. Jeden z projektů je zaměřen na aplikace kovových radioizotopů k zobrazování kostí. Připravené látky kombinují molekulu schopnou pevně poutat ion kovu s bisfosfonátovou skupinou, která je odpovědná za selektivní vazbu celé molekuly na kostní tkáň. Ve spolupráci s Erasmus Medical Center v holandském Rotterdamu jsme komplexy studovaných látek s izotopem ¹⁷⁷Lu testovali metodou SPECT za podmínek in vivo. Výsledky ukázaly velice rychlé navázání látek na kostní tkáň s přednostní lokalizací v chrupavkách a v místech růstu kostí. V současné době se komplexy těchto látek s izotopem ⁶⁸Ga testují na Gutenbergově univerzitě v německém Mainzu pro diagnostiku kostních metastáz metodou PET. Díky vysoké aktivitě buněk dochází k přednostní akumulaci radiodiagnostika v metastázích, což umožňuje jejich detailní zobrazení (viz obr.). Ve srovnání s dnes používanými diagnostickými metodami, založenými hlavně na aplikaci izotopu ¹⁹F ve formě fluoridových aniontů, je možno získat za použití nově vyvíjených látek snímky s výrazně vyšším kontrastem. To nejen zpřesňuje diagnostiku kostních metastáz, ale dovoluje i použití nižších dávek radioizotopů, a tím omezení negativního vlivu záření na zdraví pacientů.

Poděkování: Tato práce vznikla za podpory MŠMT (MSM0021620857) a GA ČR (203/09/1056). Výzkum je prováděn v rámci evropských projektů COST D38. Více informací na adrese web.natur.cuni.cz/anorchem/19/index.htm.

Ivan Lukeš, Vojtěch Kubíček

Organická chemie

Reakční mechanismy

Hmotnostní spektrometrie je jedna z nejdůležitějších metod analýzy látek. Vedle strukturní analýzy ji lze využít i k výzkumu termodynamických vlastností iontů nebo mechanismů reakcí s iontovými meziprodukty (www.natur.cuni.cz/chemie/orgchem/roithova). Vynález metody elektrosprejové ionizace umožnil výzkum iontových částic z reakčních roztoků. Roztok látek se sprejuje přímo do „vakua“ hmotnostního spektrometru. Kapičky se v přítomnosti silného elektrostatického pole nabijí a postupně „vysuší“, až získáme jednotlivé ionty. Hmotnostní spektrometr nám umožní jednotlivé ionty navzájem izolovat a odděleně studovat jejich vlastnosti a reaktivitu. Takový výzkum může odhalit, které meziprodukty reakce jsou klíčové pro získání požadovaných produktů.

Průběh reakce většinou ovlivňujeme katalyzátorem, který má za úkol převést výchozí látky v co největším výtěžku na požadovaný produkt. Odhalení struktury meziproduktů, které vznikají mezi katalyzátorem a reaktanty, nám umožňuje navrhovat účinnější katalytické systémy. Příklad použití hmotnostní spektrometrie pro výzkum reakčního mechanismu může být studie spojování naftolů na BINOL katalyzovaného měďnatými ionty. Náš výzkum ukázal, že desetiletí zakořeněná představa o mechanismu reakce probíhající přes tvorbu radikálových částic je nesprávná. Místo toho se v roztoku tvoří komplexy dvou atomů mědi a naftoly se spojují po navázání na tyto komplexy. Meziprodukt reakce se nám podařilo přenést do hmotnostního spektrometru a „vidět“ tvorbu BINOLu po jeho zahřátí. Recept na vylepšení výtěžku reakce tedy spočívá v podpoře tvorby binukleárních komplexů mědi, což můžeme udělat například přidáním částic, které drží ionty mědi lépe u sebe, nebo v designu katalyzátoru, který ponese dva pevně navázané ionty mědi.

Jana Roithová

Biochemie

Lektinové receptory zabíječských buněk:

Jak rozpoznat vetřelce, nádorovou nebo opotřebovanou buňku?

Imunitní systém obratlovců včetně člověka zahrnuje řadu vysoce sofistikovaných molekulárních mechanismů vhodných pro rozpoznání a odstranění cizorodých a potenciálně nebezpečných struktur, které mohou vznikat buď opotřebením a nesprávným vývojem našich vlastních buněk, nebo se mohou do organismu dostávat z vnějšího prostředí. Již mnoho desetiletí je odborná veřejnost fascinována zejména vysoce specifickým rozpoznáním cizorodých a nebezpečných antigenů prostřednictvím protilátek a specifického T-buněčného receptoru jako hlavního nástroje specifické imunity. Jestliže se ovšem někteří viroví vetřelci schovají do našich vlastních buněk, rozpustné molekuly protilátek cirkulující v krvi a tělesných tekutinách proti nim zasáhnout nemohou, a specifický T‑buněčný receptor je schopen takový virus odhalit, pouze pokud jsou jeho antigeny prezentovány na povrchu buňky v komplexu s transplantačními antigeny prezentujícími antigen. Viru usídlenému v napadené buňce potom stačí zastavit syntézu těchto antigen prezentujících molekul a jejich vystavení na povrchu infikovaných buněk, a může tak zcela uniknout dohledu imunitního systému. Naštěstí je však tento systém kromě výše uvedených obranných mechanismů vybaven ještě přirozenými zabíječskými buňkami, které mohou právě na základě snížené povrchové exprese transplantačních antigenů prezentujících antigen identifikovat nejen buňky virově infikované, ale též buňky nádorové, nesprávně se vyvíjející nebo stresem opotřebované. Studiem receptorů schopných identifikovat všechny tyto změny se zabývá skupina vedená prof. Karlem Bezouškou na katedře biochemie PřF UK. Důležitým výsledkem intenzivního výzkumu posledních let je rozřešení trojrozměrné struktury receptoru NKR-P1, aktivujícího přirozené zabíječské buňky a navržení možného modelu interakce tohoto receptoru se specifickými vazebnými partnery jak proteinové, tak sacharidové povahy. Detailní strukturní studie prováděné ve skupině prof. Bezoušky jsou důležité pro návrh látek rozpoznávaných těmito receptory jako potenciální nádorová léčiva a látky stimulující imunitní systém. Tyto látky jsou nejen účinnými aktivátory přirozených zabíječských buněk, ale mohou je též ochránit před programovanou buněčnou smrtí, apoptózou. Další informace je možné získat na adrese www.biomed.cas.cz/protarch.

Karel Bezouška

Molekulární genetika

Nové pokusné zvíře pro diferenciaci buněk a orgánů

Abychom si nechali narůst nová játra, potřebujeme znát signály, které si vyměňují buňky v embryonálním vývoji. Nejde o sci-fi, ze zárodku zubu už vyrostla v čelisti myší stolička nebo embryonální buňky daly vznik žabímu srdci. Jenže myší embryo nikdo nedokáže vrátit do dělohy a embryologům nezbývá než dělat pokusy na obojživelnících. Do nedávné doby ale chyběla data o genomu žab nebo čolků. Od roku 2000 byl proto zahájen rozsáhlý program na vytvoření nového pokusného zvířete, žáby Xenopus tropicalis a většina jejího genomu je už přečtena. Jeho organizaci popisuje skupina embryologů z University of Houston a katedry buněčné biologie PřF UK. Genetická mapa nového modelového organismu vychází v časopisu Developmental Biology. Čeští vědci totiž vytvořili novou metodu, jak vidět geny přímo v chromozomech. Díky tomu vznikla v mezinárodní spolupráci i nová technika, která rozpozná geny odpovědné za vývojové defekty. Ušetří se tak celá jedna generace a stovky pokusných zvířat. I když mezi žábou a člověkem existuje propast v délce přes 400 milionů let, struktura žabích chromozomů přinesla informace nezbytné k rozkrytí evoluce pohlavního chromozomu X u savců včetně člověka.

Vladimír Krylov, Jaroslav Mácha

Inženýrská geologie

Matematické modelování geologického prostředí pro geotechnické aplikace

Inženýrská geologie je studijní obor s interdisciplinárním charakterem, který vychází ze syntézy přírodních a technických oborů. Inženýrská geologie je aplikovanou geologickou vědou, která zkoumá přírodní i antropogenní geologické procesy a jevy v nejsvrchnějších částech zemské kůry. Jejím účelem je optimální využití terénu při zajišťování podkladů pro stavebnictví, těžbu surovin, při sanaci nebezpečných geodynamických jevů a pro ochrana životního prostředí. Jednou z konkrétních aplikací studovaných na Přírodovědecké fakultě je matematické modelování chování zemin a hornin pro účely stavebnictví. Dr. David Mašín z Ústavu hydrogeologie, inženýrské geologie a užité geofyziky publikoval v prestižním časopise International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics formulaci modelu pro jemnozrnné zeminy (jíly). Model byl následně implementován do řady komerčních i volně šiřitelných programů pro numerické výpočty geotechnických konstrukcí a v současné době je standardně využíván pro návrh tunelových staveb a hlubokých stavebních jam v jemnozrnných zeminách. Model díky přesnějším předpovědím nelineárního chování zemin umožňuje bezpečnější a ekonomičtější návrh geotechnických konstrukcí – úspory v rámci jedné tunelové stavby mohou dosáhnout řádově desítky milionů korun. Obrázek demonstruje předpověď modelu pro případ tunelu v tuhém jílu charakterizovaném vysokým horizontálním napětím. Standardní model (MCC) předpovídá nerealistický výzdvih klínu zeminy nad tunelovou stavbou, kdežto nový model (hypo., istr.) předpovídá deformace masivu v souladu s monitoringem.

David Mašín

Fyzická geografie

Krajina jako spojenec v boji proti povodním

Povodně, které v posledních dvou desetiletích
opakovaně zasahují území České republiky, přinášejí vedle rozsáhlých škod na majetku a infrastruktuře rovněž otázky, zda a do jaké míry se na jejich ničivém průběhu podílejí změny v krajině, které vznikají v důsledku činnosti člověka.

Hydrologové a geografové z Přírodovědecké fakulty UK v Praze zkoumají v oblastech zasažených extrémními povodněmi vliv změn ve využívání území na charakter povodňových následků a hledají možnosti využití přirozeného potenciálu krajiny pro tlumení jejich průběhu. Výzkumný tým, vedený J. Langhammerem, využívá k výzkumu současné špičkové technologie pro přesný monitoring srážek a odtoku v síti automatických měřicích stanic v horských oblastech, analýzy družicových snímků, mobilních geodetických měření a matematického modelování, ale i rozsáhlé terénní mapování následků v postižených oblastech. Výsledky, aktuálně publikované v článku Analysis of the relationship between the stream regulations and the geomorphologic effects of floods v časopise Natural Hazards, ukazují na skutečnost, že vliv zásahů do koryt toků a údolní nivy na následky povodní není přímý a vždy závisí na dalších ovlivňujících podmínkách, jako je extremita události, charakter reliéfu nebo struktura využití záplavového území. Pomocí geostatistických metod je možné určit kritické prahové hodnoty těchto ovlivňujících činitelů. Tyto poznatky lze následně použít pro určení kriticky ohrožených lokalit na tocích a míst, kde je možné využít přirozený potenciál krajiny k tlumení průběhu povodní.

Moderní technologie nám pomáhají pochopit, jak správně využívat krajinu jako svého spojence v boji s velkou vodou. Zároveň ale i ukazují na chyby, kterých se v protipovodňové ochraně často opakovaně dopouštíme nerespektováním historických zkušeností a přírodních zákonitostí.

Jakub Langhammer

Paleontologie / Stratigrafie

První úspěšná korelace hranice jury a křídy mezi boreální a tethydní oblastí

Týmu složenému z geofyziků Geologického ústavu Akademie věd ČR a paleontologů Ústavu geologie a paleontologie Přírodovědecké fakulty UK v Praze se jako prvnímu na světě podařilo úspěšně korelovat hraniční interval jury a křídy (J/K) v tethydní (teplé) a boreální (chladné) oblasti. Spor o výjimečnou hranici mezozoických období se vede celá desetiletí. Korelaci hranice J/K obou říší umožnil detailní odběr vzorků a následně precizní magnetostratigrafické vyhodnocení. Problematika korelací obou teplotních říší spočívá v nejednotném pojetí hraničního intervalu a nemožnosti biostratigrafických korelací (např. rozdílné taxony amonitů, belemnitů, mlžů a planktonu v boreální a tethydní oblasti). Boreální až arktické organismy v hraničním intervalu vytvářejí samostatné endemické taxony bez jasných příbuzenských vztahů k organismům platforem na jihu. Zároveň nedochází k migracím a ani příležitostným výskytům v jedné či druhé teplotní oblasti. Na profilech Bosso (Itálie), Brodno (Slovensko), Puerto Esca~no (Španělsko) a Nordvik (Ruská federace, severní Sibiř) byla provedena detailní magnetostratigrafická zonace. Ta umožnila poprvé v historii propojit separátní biostratigrafické škály a precizně určit hraniční interval jury a křídy. Zároveň se podařilo prosadit magnetostratigrafickou škálu hranice J/K jako základní background pro budoucí schvalování J/K hranice mezinárodní stratigrafickou komisí. Uvedené úspěchy patří bezesporu k nejvýznamnějším geologickým objevům posledních desetiletí ve světovém měřítku. Výsledky byly publikovány v časopisech Stratigraphy and Geological Correlation a Cretaceous Research. Rozsáhlá syntéza dat je v současnosti předkládána v předních geologických časopisech.

Martin Košťák, Martin Mazuch

Experimentální geochemie / Geologie

Vodné roztoky v zemském nitru

Vzorky kompaktních hornin zemské kůry a pláště na první pohled nedávají mnoho svědectví o průchodu a interakci s vodnou fluidní fází. Naproti tomu výpočty ukazují, že subdukce oceánské kůry přináší 2,4 miliardy tun H2O za rok do zemského nitra, její další osud však není znám. Tato kontroverzní myšlenka budí pozornost řady světových geologů, mezi nimi i výzkumného týmu Dr. Davida Dolejše z Ústavu petrologie a strukturní geologie ve spolupráci s předními vědci z University of California Los Angeles v USA a Bayerisches Geoinstitut v Německu. Tato skupina studuje rozpustnost minerálů a speciaci ve vodných roztocích za extrémních teplot a tlaků v planetárním nitru. Laboratorní experimenty probíhají v upravených vysokotlakých aparaturách s nízkým teplotním gradientem a velkou rychlostí zchlazení, které dosahují až 1100 °C a 2 GPa. Alternativní metodou, která se uplatňuje při studiu rozpustnosti na úrovni ppm a nižší jsou hydrotermální diamantové cely s možností optického nebo spektroskopického studia vzorku fluidní fáze, jehož velikost nepřesahuje 40 µg. Pro interpretaci výsledků tým vyvinul nový termodynamický model, který vychází z energetiky rozpadu atomové mříže krystalu a tvorby hydratačních sfér, jež úzce souvisejí s mechanickou stlačitelností vodného rozpouštědla. Rozpustnosti minerálních fází (např. křemene, korundu, rutilu, kalcitu a apatitu) vzrůstají monotónně o 4 až 5 řádů při zvýšení teploty z 200 na 1100 °C za běžných geotermálních gradientů. Mobilita akcesorických fází na úrovni 100 ppm za vysokých teplot je již dostačující na vznik charakteristické distribuce stopových prvků v magmatech produkovaných na konvergentních deskových rozhraních. Experimenty i modelování dále ukazují, že řada minerálů, které vytvářejí za zvýšených tlaků specie s vysokým nábojem, vykazuje pokles rozpustnosti s rostoucí teplotou. Tato zjištění vysvětlují, proč se většina geochemických a ložiskových anomálií v hydrotermálních a geotermálních cyklech vytváří až při subkritických teplotách, tj. méně než 370 °C. Výsledky Dolejšova výzkumu přinášejí inovativní pohled na cyklus a působení H2O v zemském nitru s využitím nových experimentálních metod a byly publikovány např. ve speciálním čísle Frontiers in Geof luids v květnu 2010.

David Dolejš

Fyzikální chemie

Chemické a fyzikální vlastnosti mikroporézních materiálů

Vzhledem k svému obrovskému vnitřnímu povrchu (řádově tisíce metrů čtverečních na gram) nacházejí mikroporézní materiály uplatnění v řadě technologií, například v katalýze, separaci, čištění a ukládání plynů, a v poslední době i v medicinálních aplikacích. V současnosti je možné syntetizovat krystalické mikroporézní materiály s definovanou velikostí, tvarem a chemickým složením mikropórů. S tím souvisí i veliká rozmanitost vlastností těchto materiálů.

Největší pozornost je věnována studiu mikroporézních materiálů na bázi zeolitů a tzv. MOF (z anglického metal-organic framework, na obrázku). Oba typy materiálů mají krystalickou strukturu, takže polohy a koordinace jednotlivých atomů jsou známé. V důsledku toho můžeme hledat spojitost mezi chemickými a fyzikálními vlastnostmi materiálů a jejich strukturou a chemickým složením a následně navrhovat nové materiály s požadovanými vlastnostmi.

Volba modelu a metody studia vlastností mikroporézních materiálů závisí na studované vlastnosti. Využívají se jednak přesné kvantově chemické metody společně s klastrovými modely reprezentujícími pouze část studované struktury, jednak metody funkcionálu hustoty (density functional theory), které se zahrnutím periodických okrajových podmínek umožňují popis všech atomů v jednotkové cele. Teoretický výzkum se zaměřuje na studium interakce plynů s povrchy materiálů, výpočet spektroskopických charakteristik adsorbovaných komplexů a hledání mechanismů chemických reakcí.

Výzkum mikroporézních materiálů na katedře fyzikální a makromolekulární chemie je podporován domácími (GA ČR) i zahraničními (7. rámcový projekt EU) projekty, které jsou řešeny ve spolupráci s dalšími, zejména experimentálními pracovišti doma (ÚFCH JH a ÚOCHB AV ČR, Univerzitou Pardubice) i v zahraničí (např. CNRS a Total ve Francii a Universidad de las Islas Baleares ve Španělsku). Na projektech se podílejí studenti magisterského a doktorandského stupně. Více informací na www.natur.cuni.cz/chemie/fyzchem/nachtig.

Petr Nachtigall

Fyziologie rostlin

Důležité „spojky“ mezi vnitřkem a povrchem rostlinné buňky

Pro zachování tvaru a životních funkcí buňky je velmi důležitá její bílkovinná vnitřní „kostra“ či „lešení“, kterému se odborně říká cytoskelet. Dvě základní složky cytoskeletu jsou společné živočichům i rostlinám: mikrotubuly si můžeme představit jako základní hrubé lešení, které je doplněno jemnější sítí vláken tvořených bílkovinou aktinem.

Rostlinné buňky jsou vystaveny mnoha mechanickým vlivům jak během vlastního růstu a vývoje, tak při působení nepříznivých podmínek, zvláště sucha. Biology proto zajímá, jak jim vzdorují – například jak je zajištěno, aby různé součásti buňky zůstávaly při mechanickém zatížení správně spojeny. Zajímavé odpovědi nyní přinášejí dva významné články o cytoskeletu rostlin. Ukazují, že jeho vlastnosti jsou evolučně přizpůsobeny právě těm nárokům a zátěžím, s nimiž se rostlinné buňky denně potýkají. Práce publikoval tým z Ústavu experimentální botaniky AV ČR, Přírodovědecké fakulty Univerzity Karlovy s dalšími vědci, vedený doktorem Viktorem Žárským.

Prvním objevem je nový typ bílkoviny, která funguje jako „molekulární spojka“. Zakotvuje aktinová vlákna v membráně na povrchu buňky, a navíc je připojuje k mikrotubulům. „Spojky mezi aktinem a mikrotubuly patří mezi velké záhady současné buněčné biologie rostlin. Bílkovina, kterou jsme nalezli, je jednou z prvních, které tuto zásadní mechanickou funkci plní,“ vysvětluje doktor Žárský. Výzkum probíhal hlavně ve spolupráci s laboratoří profesora Patricka Hussey z univerzity v anglickém Durhamu.

V druhém objevu vědci popsali, jak jsou propojeny přestavby aktinového cytoskeletu se změnami ve složení buněčné membrány – s přeměnami jejích složek zvaných fosfolipidy. Cytoskelet ovlivňuje membránu a naopak. „Tato regulace je důležitá pro vysvětlení růstových dějů v buňce, ale také pro pochopení buněčné polarity. Různé konce téže buňky mají různé vlastnosti a tato polarita hraje klíčovou roli při vytváření tvaru rostliny,“ říká doktor Žárský. Na projektu spolupracoval jeho tým s laboratoří profesorky Olgy Valentové z Vysoké školy chemicko-technologické.

Jak si přiblížit alespoň některé mechanické vlivy působící na rostlinnou buňku? Stačí si ji představit jako kopací míč nahuštěný vzduchem. Na povrchu má buňka pevnou stěnu a těsně pod ní membránu. Na ně zevnitř tlačí voda – podobně jako to dělá vzduch v míči. Díky stěně a tlaku vody udržuje buňka svůj tvar a tím i stabilitu celé rostliny. Obsah vody však není stálý. Zmenšuje se třeba při dlouhotrvajícím suchu: tehdy „míče“ částečně splasknou, rostlina zvadne a opět se „nahustí“ vodou až po dešti. Buňka musí být natolik odolná, aby přežila všechny podobné změny objemu a tlaků.

Viktor Žárský