Malé velké řasy z třeboňského mlýna

Proč má smysl investovat do výzkumu mikroskopických řas? Není to jen celkem nedůležitý a nezajímavý zelený šlem?

To by byl obrovský omyl. Řasy a sinice jsou i v dnešní geologické době, stovky milionů let poté, co život vystoupil na souš, stále určující pro koloběh uhlíku a stabilitu ekosystémů. Kdybychom změřili množství chlorofylu nebo biomasy v mořích a na souši, zjistili bychom, že řasy se na celkovém množství podílejí jen zlomkem procenta. Většinu obstarávají stromy, tráva a další vyšší rostliny. Ale na primární produkci se souš včetně lesů a savan podílí zhruba stejnou měrou jako fotosyntetizující organismy v moři. Řasy se totiž množí v průměru každé dva až tři dny. Ta malá biomasa se za rok obnoví tolikrát, že její fotosyntetická produkce je se souší srovnatelná.

Malé objemem, velké významem?

Ano. Navíc produkce rostlin na souši je každý rok předvídatelně stejná, kdežto v mořích je velice dynamická. Například El Niño, které tuto zimu možná přijde, může ovlivnit produkci oceánů v řádu několika procent, což je nezanedbatelná změna.

Vás ale zajímá nejen význam řas pro stabilitu planetárních ekosystémů, ale i jejich praktické využití. K čemu mohou být průmyslově zpracované řasy dobré?

Aplikací je řada, od potravních doplňků a krmiv přes sekundární metabolity využitelné v medicíně po bioplasty a biopaliva. Například v potravinářství se využívá velkoobjemová kultivace řas produkujících různé karotenoidy. Z druhu Dunaliella salina se získává přírodní beta-karoten, Haematococcus je zase zdrojem astaxanthinu. Stejný karotenoid dodává červenou barvu masu lososů. Ryby si ho samy nesyntetizují a při pěstování v akvakulturách jsou krmeny peletami, které barvivo neobsahují. Chovatelé proto lososy dokrmují chemicky produkovaným astaxanthinem, který vyrábí firma La Roche. Ale konzumenti jsou stále náročnější a vyžadují přírodní produkty, takže barvivo produkované řasami se nabízí jako přijatelnější alternativa.

Jaké způsoby využití vidíte jako perspektivní, zvláště s ohledem na české klimatické podmínky? Lze doufat, že výroba biopaliv z řas bude smysluplnější než v mnoha ohledech nešťastná řepka?

Zajímavé jsou netradiční směry. Biopaliva jsou při vší úctě ještě hodně vzdálenou budoucností. Určitě stojí za to investovat do jejich výzkumu, ale na prakticky využitelné výsledky si počkáme. A v České republice má autotrofní kultivace jasná omezení daná množstvím světla. V Třeboni sezona začíná nejdříve koncem května a končí v polovině září. Jiné to je někde v subtropech s víceméně celoročně vhodnými podmínkami.

Netradičními směry myslíte co?

Perspektivní je podle mého názoru bioprospekce. Hledání zajímavých látek v obrovské rozmanitosti řas. Známe jich asi 70 000 druhů, mezi nimi je řada neprobádaných, navíc mnohé z nich mohou produkovat zajímavé látky třeba jen za určitých stresových podmínek. V tom je nezastupitelná trpělivá laboratorní práce, které se tu věnujeme. Uvedení objevených látek do praxe si pak lze představit poměrně rychle. Navíc u nově nalezených přírodních látek, například cyklických peptidů, můžeme analyzovat jejich chemickou strukturu, identifikovat jejich aktivní část, zbavit se balastu a vyvinout průmyslovou syntézu zajímavého chemického motivu.

Jakou roli v tom všem hrají genetické modifikace? Je to nedílná součást procesu vedoucího k praktickým aplikacím?

Je to jedna z možných cest. Všechny aplikace, které jsou zatím komerčně úspěšné, se ale bez genetických modifikací obejdou. Uvažuje se o nich spíše v oblasti biopaliv, kde jde vývoj až směrem k syntetické biologii, tedy snaze vytvořit zcela nové organismy.

Algatech je centrum řasových biotechnologií, ale nezabýváte se v něm pouze řasami. Jaké organismy vás zajímají?

Všechny fototrofní mikroorganismy, tedy ty, které získávají významnou část své energie ze světla. Přechod mezi fototrofním a heterotrofním způsobem výživy je spojitý, ale lze to říci i tak, že nás zajímají mikroorganismy obsahující fotosyntetické pigmenty. Tam spadají řasy, ale také sinice a další skupiny fotosyntetických bakterií, které na rozdíl od sinic neprodukují kyslík. A samotné řasy představují nesmírně rozmanitou skupinu organismů. Fylogenetická vzdálenost mezi dvěma druhy řas může být mnohem větší než mezi dubem, který roste tady na hrázi Opatovického rybníka, a jednobuněčnou zelenou řasou Chlorella.

O tom, jak složité je vymezit vámi studovanou skupinu organismů, ostatně svědčí i fakt, že disponujete bioreaktory pro heterotrofní kultivaci bez přístupu světla. V nich pěstujete či spíše krmíte řasy, které sice obsahují fotosyntetické pigmenty, ale nevyužívají je?

Ano, konkrétně kmeny rodu Chlorella, které naši předchůdci vyselektovali s ohledem na mixotrofní a heterotrofní způsob života. Chlorella je metabolicky velmi pružná, tyto kmeny krmíme glukózou.

K čemu může být heterotrofní kultivace užitečná?

Takové řasy produkují zase jiné spektrum látek. Ve světě už známe několik příkladů, kdy je tato kultivace ekonomicky návratná. Třeba řasa Crypthecodinium heterotrofně syntetizuje mastnou kyselinu DHA (dokosahexaenovou kyselinu), která se přidává do dětské výživy. Jiným jejím zdrojem je rybí tuk.

Při příjezdu do vašeho centra návštěvníka upoutá především venkovní kaskádová kultivace. Na dlouhých, mírně se svažujících skleněných drahách stéká jasně zelená voda prosvětlená sluncem. Jaký je účel této konstrukce?

Tam pěstujeme také řasu rodu Chlorella, ale tentokrát fototrofní kmeny. Věnujeme se výzkumu optimálních růstových podmínek a zpracování biomasy. Snažíme se vymýšlet nové kultivační způsoby a ty následně formou transferu technologií předávat komerčnímu sektoru, a to včetně ekonomické rozvahy. Biomasa, kterou při tom získáváme, je pro nás vlastně vedlejší produkt, i ten se dá  ale prodat a využít například pro výrobu potravinových doplňků.

Nehrozí otevřeným systémům kontaminace?

Hrozí, ale zejména u pomalu rostoucích druhů. Chlorella je svým způsobem velmi agresivní druh, který roste rychle, takže konkurenty dokáže přerůst. A kdo ví, možná produkuje i nějaké antibakteriální látky.

Co pro vás projekt Algatech znamená? Jen další krok na cestě, po které třeboňské pracoviště kráčí už desítky let, nebo je to kvalitativní skok, který vám umožní dělat věci, o nichž jste si dosud mohli nechat jen zdát?

Obojí. Nezačínáme dělat něco úplně nového, hned na začátku jsme si řekli, že to ani nechceme. Zdá se, že jsme dobří v tom, co děláme dlouhodobě. Na druhou stranu jsme získali řadu nových přístrojů, které nám umožňují dělat dříve nemožné experimenty a jiné zrychlit. Předtím jsme kvůli některým výsledkům museli jezdit do ciziny, platit za drahé analýzy, teď vše můžeme udělat na místě. Získali jsme například hmotnostní spektrometr s vysokou přesností, cytometr, pořizujeme elementární analyzátor, který stanovuje prvkové složení biomasy…

Vědci často žehrají na přebujelou byrokracii. Ale čas zabírají i další činnosti, které k vědě odjakživa patřily – rutinní analýzy, opakovaná měření... Nemohou nové přístroje pomoci uvolnit čas pro kreativní práci, když v automatickém režimu provedou to, co dříve vyžadovalo lidskou ruku?

Máte pravdu, že je spousta činností, kvůli kterým tady lidé museli trávit noci a dnes se dají provést automaticky. Ale je to podobné jako s volným časem obecně. Jsme obklopeni stále větším počtem mechanických a elektronických pomocníků, ale volného času nepřibývá. Zaplní se jinými činnostmi, které si na vás moderní doba vymyslí. Snažíme se hlavně mladé vědce příliš nezatěžovat administrativou, dáváme jim důvěru pro samostatnou tvůrčí práci. Jsou ve věku, kdy musí odborně růst, ne řešit byrokratické překážky.

Algatech přinesl investici 125 milionů korun, ale například Craig Venter získal před několika lety na vývoj biopaliv z řas od společnosti Exxon Mobil 600 milionů dolarů. Jak můžete laboratořím s takovým zázemím konkurovat? Není rozdíl v tom, že jste přece jen zaměřeni více na základní výzkum a vaším primárním cílem není dotáhnout konkrétní technologii až do stadia ekonomicky rentabilní průmyslové výroby?

Ale to my bychom zase rádi. Kdyby se nám podařilo něco podobného jako Antonínu Holému, nezlobili bychom se. Teď už umíme pracovat s transferem technologií. Za těch padesát let, co se v Třeboni s řasami pracuje, se tu už vymyslela řada unikátních věcí, ale nikdo je nechránil. Už jsme se naučili, že své výsledky musíme opatrovat mnohem lépe.

V čem tedy vidíte sílu centra Algatech?

Všechno je v lidech. Nemusíme mít nejlépe financovanou laboratoř na světě, abychom přišli na něco zajímavého. Projekt nám umožnil nakoupit přístroje, vybavit laboratoře, nabídnout odpovídající zázemí špičkovým vědcům. Patnáct ze sta našich pracovníků přišlo z ciziny. Jsou tu podmínky pro zajímavé objevy. Jsme dobří v problematice sekundárních metabolitů. O venkovní kultivaci Chlorelly se starají asi tři lidé, kolem sekundárních metabolitů to žije mnohem více. Jsou tu studenti, mezinárodní spolupráce, máme dobrou šanci něco dokázat. Například tým Jiřího Kopeckého se zaměřuje na sekundární metabolity sinic, které vykazují selektivní biologickou aktivitu, například proti bakteriím, zánětům nebo nádorům. Sinice rodu Nostoc produkuje jistý polyfenol, který jsme nazvali Nostotrebin. Má antibiotické a apoptické aktivity (podporuje programovanou buněčnou smrt, pozn. red.).

Na jaké výsledky z poslední doby jste pyšní?

Letos v květnu publikovali kolegové ze skupiny Michala Koblížka zásadní objev.¹⁾ V jezeře v poušti Gobi objevili fotosyntetickou bakterii patřící ke kmeni Gemmatimonadetes. Dosud se myslelo, že mezi asi třiceti bakteriálními kmeny je jen šest fotosyntetických, nyní jich je tedy známo sedm. Něco takového se podaří jednou dvakrát za století.

Čím dalším se zabýváte?

Máme několik projektů, které studují úplně nejběžnější fotosyntetizující organismus na naší planetě, submikroskopickou sinici Prochlorococcus. Sledujeme, jak dokáže hospodařit s nashromážděnou energií za různých ekologických podmínek. Přicházíme na věci, které odporují dosavadním dogmatům, to mi připadá zajímavé. Kolegové od Josefa Komendy a Romana Sobotky dělají špičkovou molekulární biologii, zabývají se obnovou fotosystémů na membránách a syntézou chlorofylu, letos měli několik článků v těch nejlepších časopisech. Můj tým se zabývá regulací fotosyntézy u různých planktonních řas a kvantifikací fotosyntetické produkce, na níž díky dalším trofickým úrovním závisí i produkce ryb…

Tím se dostáváme zpět k významu řas v ekosystémech a v globálních cyklech.

Ano, zajímají nás i globálně praktické otázky, například jak se budou řasy chovat, když se zvýší koncentrace oxidu uhličitého v atmosféře, a v důsledku toho se změní i chemismus vody. Jaké to bude mít dopady na konkrétní ekologicky významné organismy? Zjistili jsme třeba, že jedna významná sinice, Trichodesmium, která globálně zabezpečuje asi 30 % fixace dusíku, zvýší svou aktivitu, takže můžeme očekávat, že oceány, v nichž žije, pohnojí dusíkem.

Zkoumáte tedy i mořské druhy?

Ano, i zmíněný Prochlorococcus žije v moři. Nebo už několik let studujeme řasu Chromera velia, kterou objevil prof. Miroslav Oborník z Českých Budějovic spolu s australskými kolegy. My jsme měli na starosti její fotosyntetickou charakterizaci. Je to nesmírně zajímavý organismus, úplně nová skupina. Zatím známe dva zástupce, ale patrně jich je více. A jejich fotosyntéza je pozoruhodná. Zjistilo se, že patří do linie, která vede až k parazitické skupině Apicomplexa (výtrusovci), do níž patří například původce malárie Plasmodium nebo Toxoplasma.

Vaše aktivity tedy sahají od základního výzkumu k aplikacím?

To je jedna ze silných stránek Algatechu. Kontinuum od zkoumání základních principů po praktické otázky, kdy po nás někdo chce, abychom – obrazně řečeno – vymysleli, jak za sto korun vyrobit zlato z vody. Spolupracujeme například s rakouskými firmami, hledáme podmínky, v nichž budou řasy v příslušném kultivačním zařízení produkovat takové či onaké množství lipidů nebo škrobu… Díky nové biotechnologické hale jsme schopni i otestovat, zda to, co funguje v laboratorním měřítku, je použitelné i v objemu v řádu stovek a tisíců litrů. Pracuje tu sto lidí, takže rozptyl řešených problémů je velký.

A otázka, která musí nutně zaznít u každého takto rozsáhlého projektu: Jak vidíte jeho udržitelnost?

To je složitá otázka, odpověď na ni záleží i na politických rozhodnutích. Pro nás jsou cesty jasné: základní výzkum musí žít z grantů, jsme připraveni účastnit se grantových soutěží. Ale nemělo by to stát jen na nich. Myslím, že když už tým prokáže svou kvalitu, měl by mít nějaký polštář, který mu umožní systematickou práci. Dlouhodobé granty. Snažíme se proto zapojit i do evropských projektů. Druhým směrem, na který se musí zaměřit aplikovaná část centra, jsou spolupráce s firmami. Musíme je přesvědčovat, že se do této oblasti vyplatí investovat. Že tu jsou nápady, které mají potenciál ekonomické návratnosti. Pak je tu Národní program udržitelnosti, jímž se vláda zavázala k podpoře podobných projektů. Ale v principu bychom rádi byli soběstační, protože není příjemné nevědět, co bude za rok.