Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Petr Cígler: Partitury pro nanodiamanty

 |  3. 12. 2015
 |  Vesmír 94, 686, 2015/12
 |  Seriál: Jsem z Akademie věd, 4. díl (Předchozí)

V Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR píše Petr Cígler noty, podle nichž v buňkách tančí fluorescenční nanočástice. V koncertních sálech zní jeho hudba, v níž si hraje se zvukem bez ohledu na to, zda jsou jeho původcem housle, tuba nebo třeba sto let staré stabilní zemědělské motory.

Zničili jsme mikrovlnnou troubu. Bylo to v roce 2004, pracoval jsem v redakci časopisu ABC a tehdejší postgraduální student VŠCHT Petr Cígler s kolegy připravil pro dětské čtenáře seriál chemických pokusů. Pokud vím, nikdo při jejich provádění nepřišel k úrazu, tedy až na onu mikrovlnku jednoho ze čtenářů, která padla za oběť nepozornosti při pokusu s imitací kulového blesku.

Petr své vlastní dětské pokusy také přežil bez úhony, přestože mnohé z nich by v ABC vyjít nemohly. „Koupil jsem si knihu Rudolfa Kouta Navedení k chemickým pokusům z r. 1906. Chemii obnažovala až na dřeň. Byly v ní pokusy se rtutí, s arzenem, s házením draslíku do kyseliny dusičné. Žádný jed nebyl pro autora dost jedovatý a žádná žíravina dost žíravá,“ vzpomíná.

Pokoj, který obýval spolu s mladším bratrem, proměnil v laboratoř. „Jednou se tatínek dost naštval, když zjistil, že topení je zrzavé jak liška. Doslova se z něj sypala rez. Asi jsem špatně zavřel lahev s kyselinou chlorovodíkovou nebo dusičnou. Představa, že jeho děti spí v atmosféře, která tak účinně koroduje topení, mu přišla poněkud nepatřičná, v čemž jsem mu musel dát za pravdu. Kyseliny jsem vystěhoval na balkon, ale laboratoř jela dál.“

Tisíc podob chemie

Snad každý chemik začínal s pokusy, při nichž to prská, syčí a bouchá. Ale chemie 21. století má více podob a Petr Cígler jich během své dosavadní vědecké kariéry vyzkoušel hned několik. Dnes vede výzkumnou skupinu syntetické nanochemie v Ústavu organické chemie a biochemie (ÚOCHB) a věnuje se věcem, které by Rudolfu Koutovi jistě připadaly jako sci‑fi.

Nanochemie se zabývá objekty velkými jednotky až stovky nanometrů, tedy 10–9 až 10–7 metru. To je měřítko příliš velké pro atomy a jednoduché sloučeniny, zároveň příliš malé pro částice pozorovatelné optickým mikroskopem. Patří sem agregáty menších molekul, makromolekuly včetně bílkovin a DNA, viry, subbuněčné struktury… „Mnohé fyzikální a fyzikálně-chemické principy fungují výhradně v této oblasti a nemají žádnou analogii,“ vysvětluje Petr Cígler, který hledá způsoby, jak tyto unikátní vlastnosti využít, třeba k diagnostice a léčbě rakoviny. Jejich rozměry a vlastnosti je předurčují například k roli senzorů či chirurgických nástrojů operujících uvnitř buňky.

Jeho cesta do nanosvěta ale nebyla přímočará. „Vždy jsem dělal trochu něco jiného, než co jsem zrovna studoval,“ říká. Začínal jako anorganický chemik, ale už téma jeho diplomové práce, týkající se komplexů organických sloučenin s kovy, ho přivedlo k organické syntéze a analytické chemii, která ho nadchla. Počítal s tím, že podobnému tématu, snad vývoji senzorů pro kovy, se bude věnovat i během doktorského studia. Ale všechno bylo jinak. „Mám pro vás daleko zajímavější téma. Inhibitory enzymů,“ zaskočil ho jeho školitel Vladimír Král.

„Nikdy jsem nic takového nedělal a ani jsem to neměl v úmyslu. Ale analytická chemie v tom byla také, měl jsem vyvinout metodu pro měření rezistence, tedy schopnosti enzymů odolávat vazbě inhibitorů. Přišlo mi to zajímavé, i když bylo jasné, že se toho budu muset hodně naučit,“ vzpomíná Cígler.

Začal se tedy zabývat inhibitory HIV proteázy – enzymu, bez kterého není virus HIV schopen dokončit svůj vývoj. Během dvou let syntetizoval stovky látek, ale stále nefungovaly tak, jak s kolegy předpokládal. Na enzym se vázaly jen slabě.

Šťastné náhody

„Byl jsem v půlce doktorátu a neměl jsem v ruce skoro nic. Začínal jsem už pomalu uvažovat o jiných cestičkách, kterými se vydat. Ale potom jsem poprvé v životě zažil to, čemu se anglicky říká serendipity. Šťastnou náhodu, na niž ale člověk musí být připraven, aby ji využil.“

Ve skupině prof. Krále jiní badatelé pracovali se skupinou sloučenin zvaných metalakarborany. Používaly se na něco úplně jiného, ale jejich tvar a vlastnosti naznačovaly, že by se mohly na HIV proteázu vázat. Ve spolupráci se skupinou Jana Konvalinky na ÚOCHB provedli potřebné testy a úspěch se dostavil, přestože tomu zpočátku nikdo nechtěl věřit. Následovala spolupráce s Ústavem anorganické chemie AV ČR, z níž vzešly průlomové práce včetně článku v prestižním časopise PNAS.1) Objev dosud neznámých inhibitorů HIV proteázy byl zkrátka velká věc.

Jenomže metalakarborany měly jednu zvláštní vlastnost: „Zjistili jsme, že jejich inhibiční účinek nezávisí lineárně na jejich koncentraci. Bylo nám to divné, tak jsme s kamarádem a spolužákem Pavlem Matějíčkem z PřF UK pátrali po příčině a zjistili jsme, že v roztoku vytvářejí agregáty.“ Pro využití ve farmakologii je to vlastnost velmi nepříjemná. Když si Petr Cígler stěžoval Vladimíru Královi na svou smůlu a ptal se ho, co si s tím počít, dostalo se mu stručné odpovědi: „Především o tom napište článek, je to přece nová věc.“ Zrodil se další nečekaný objev.2) A patálie s agregujícími metalakarborany navíc Petru Cíglerovi otevřela cestu k nanochemii, protože agregáty spadají svými rozměry právě tam. Díky tomu na konferenci vyslechl přednášku jistého amerického profesora, který hovořil o tom, k čemu všemu jsou nanočástice dobré. „Jeho nanočástice byly úplně jiné než ty naše, byly to proteinové kapsidy virů, a mne to zcela nadchlo. Začal jsem si pohrávat s myšlenkou, že bych se něčemu takovému mohl do budoucna věnovat.“

Krystal z virů, zlata a DNA

Když hledal, kam by mohl po ukončení doktorského studia zamířit, narazil na M. G. Finna, který se v kalifornském The Scripps Research Institute v La Jolle u San Diega zabýval právě chemickou modifikací virových kapsid. Domluvili se a český student (v té době ho teprve čekala obhajoba doktorátu) se stěhoval do Kalifornie.

Naučil se tam pracovat s viry a vkládat do proteinů syntetizovaných bakteriemi syntetické aminokyseliny vybavené reaktivní skupinou, která slouží jako molekulární konektor. Lze k ní připojit další molekuly a konstruovat tak složité struktury mající tvar a další vlastnosti šité na míru různým potřebám.

Nejviditelnějším výsledkem byl článek v časopise Nature Materials,3) v němž Petr Cígler coby první autor s kolegy popsal přípravu nekompaktní krystalové mříže tvořené upravenými virovými kapsidami a zlatými nanočásticemi spojenými molekulami DNA. Vznikl tak prototyp samoskladného fotonického krystalu, který selektivně propouští jen určité vlnové délky. Filtrovat různé části elektromagnetického spektra není v makroskopickém měřítku nic těžkého, ale v nanosvětě se to do té doby dařilo jen obtížně. Výzkum ukázal cestu např. k výrobě součástek pro budoucí kvantové počítače. Nebylo přitom nutno skládat krystal vrstvu po vrstvě. Molekuly DNA s přesně definovanou sekvencí bází jednoznačně determinovaly způsob, jakým se jednotlivé komponenty poskládají.

Diamantové lucerničky

Bylo jasné, že i po návratu do České republiky se bude věnovat nanočásticím. Nastoupil na ÚOCHB, kde od roku 2013 vede vlastní výzkumnou skupinu. Jedním z hlavních předmětů jeho zájmu jsou nanokrystaly diamantu a možnosti jejich využití v lékařské diagnostice a terapii.

Nanodiamanty mohou být za určitých podmínek fluorescenční. Po ozáření zeleným světlem vyzařují světlo v blízké infračervené oblasti (okolo 700 nm), které snadno proniká biologickými tkáněmi a lze ho pozorovat fluorescenčním či konfokálním mikroskopem. Pokud jsou nanodiamanty navrženy tak, aby se vázaly na specifické biologické struktury, poslouží jako „lucerničky“, umožňující tyto struktury lokalizovat. Díky tomu je možno např. zobrazit mitochondrie uvnitř buňky nebo v tkáni rozpoznat buňky nádorového bujení.

Syntetické nanodiamanty si vědci kupují. „V hrubší verzi je lidé znají jako brusný materiál, my používáme např. frakci o rozměrech mezi 10 a 50 nm. Ale je to pro nás jen surovina. Asi jako když si zlatník koupí cihličku zlata. Následuje velké množství chemických a fyzikálních zásahů, než nanodiamanty upravíme do využitelné podoby.“

Koupené nanodiamanty předně nejsou fluorescenční. Tuto klíčovou vlastnost jim dodá až narušení jejich krystalové mřížky. Vysokoenergetické částice v cyklotronu Ústavu jaderné fyziky v Řeži z nich vyrazí několik uhlíků, čímž v mřížce vzniknou „díry“ (vakance). Ty se poté při teplotách přesahujících 600 °C spárují s přítomnými nečistotami, atomy dusíku. Právě tato tzv. N–V centra (dusík–vakance) jsou zdrojem fluorescenčních vlastností. Cíglerův tým mimo jiné pracuje na vylepšení fluorescence, její intenzitu se mu podařilo ve spolupráci s dalšími laboratořemi řádově zvýšit.

Patří ke mně: Lupa

Provází mne celý život. Kdysi na základní škole mi ji přinesla maminka, používal jsem ji na minerály, pak i na kytky a vlastně jakékoli přírodniny. Když jsem pracoval na diplomce, hodně jsem krystalizoval a každý den jsem s ní prohlížel krystaly v baňkách. Dodnes ji mám v laboratoři v šuplíku a občas ji vytahuji, když se na něco potřebuji podívat. Jen na ty naše nanokrystaly je se svým desetinásobným zvětšením krátká.

Fluorescence nanodiamantu může být navíc ovlivněna děním na jeho povrchu. Chemické změny v bezprostřední blízkosti diamantu ovlivňují náboj N–V center, a tím i emisní maximum jejich fluorescence. Mění se tedy barva vyzařovaného světla. Lze toho využít ke sledování různých biochemických změn v buňce nebo k odhalení přítomnosti specifických molekul v okolí nanodiamantu.

Aby mohly být nanodiamanty použity jako biosenzory nebo například jako poslíčci dopravující na konkrétní místo v organismu léčivo, musí projít řadou dalších úprav. Je třeba je mimo jiné obalit vrstvou silikagelu (hydratovaného oxidu křemičitého) a další vrstvou z hydrofilního, biokompatibilního polymeru. Díky těmto obalům získají nanodiamanty tvar blízký kouli, sjednotí se jejich velikost, dostanou ochranu před imunitním systémem a lze na ně navázat další látky, které poslouží jako štítky s adresou určení. Selektivně se vážou na konkrétní buněčné struktury, takže fluorescenční značka označí jen to, co skutečně má, a případné léčivo doputuje pouze tam, kde je jeho působení žádoucí.

Najdi a znič

Jak už bylo řečeno, nanodiamanty lze využít i k cílené terapii. Kromě navázání léčiva se nabízí také využití zvláštních optických vlastností upravené částice. Diamant obalený silikagelem a tenkou vrstvičkou zlata totiž vykazuje díky kombinaci dielektrika a kovu plazmonické efekty: po ozáření laserem o vlnové délce 750 nm, který snadno proniká tkání, se světlo přemění na teplo.

„Když jsme poprvé připravili a testovali plazmonické nanodiamanty, umístili jsme se studentkou jejich inkoustově modrý roztok do poměrně málo výkonného laserového paprsku. V roztoku jsme měli teplotní čidlo a napjatě jsme očekávali, jestli budeme schopni pozorovat zvýšení teploty o několik stupňů. Místo toho roztok během několika sekund vyprskl z kyvety. Okamžitě nám bylo jasné, že máme v rukou něco mimořádného.“ Kolem osvícené částice se začne doslova vařit voda. Ohřeje se až na několik tisíc stupňů a vznikající nanobublinky vodní páry roztrhají biologické struktury do vzdálenosti stovek nanometrů. Pomocí těchto nanobomb tak lze efektivně zničit například nádorové buňky.

Kromě toho Petr Cígler se svým týmem rozvíjí další témata, jimž se věnoval na svých předchozích působištích. Zkoumá například využití virových kapsid a virům podobných částic jako konstrukčního nanomateriálu a nové inhibitory enzymů.

„Na tom, co děláme, mne moc baví multidisciplinarita. Chce-li se člověk věnovat nanočásticím využitelným v medicíně, musí znát anorganickou, fyzikální i analytickou chemii, organickou syntézu, mít povědomí o biochemii a molekulární biologii… Je nezbytné pořád se učit nové věci, což je sice náročné, ale fascinující.“ Dobře to ilustruje skutečnost, že Petr Cígler je v současné době školitelem na 1. LF UK v oboru biochemie a patobiochemie, na PřF v oboru anorganická chemie, na VŠCHT v oboru chemické inženýrství a na stejné škole působí také jako externí školitel v oboru anorganické chemie.

Hry se zvukem

Olovo vychlazené v kapalném dusíku zní zvonivým zvukem, ale jak se zahřívá, kovový charakter se ze zvuku vytrácí. Vypadá to jako jednoduchý fyzikální experiment, ve skutečnosti jde o součást hudební skladby Vzorky z Měsíce, jejímž autorem je Petr Cígler. V jeho Entropic Symphony je pro změnu orchestr synchronizován se zvukem zemědělských stabilních motorů.

Do svých skladeb neroubuje násilně vědecké a technické hříčky kvůli ohromení publika nebo exhibici svého vědeckého zázemí. Přírodními ději se nechává inspirovat, šifruje je do tónů, pracuje s integrálním počtem i dopplerovským posunem, ale nevyžaduje od posluchačů, aby si byl jejich využití vědom. „Sám často zapomenu, jak jsem k některým pasážím a strukturám dospěl. Jakmile jsou hotovy, není to už pro mne důležité. Vnímám je pak už jenom čistě hudebně.“

Komponování není pro Petra Cíglera jen amatérská zábava. Patří k uznávaným autorům moderní vážné hudby, jeho skladby se hrály na mnoha festivalech včetně Pražského jara, v Německu, Anglii, USA, Švýcarsku a orchestry je objednávají i několik let dopředu. Skladba Entropic Symphony byla nominována za Českou republiku na Mezinárodní tribunu skladatelů UNESCO 2013. „Mám fyzickou potřebu skládat hudbu. Asi proto jsem s komponováním začal. Měl jsem zřejmě v sobě hudby víc, než jsem mohl zahrát,“ říká.

Ve skladbě je samouk, byť na index z přírodovědy navštěvoval i přednášky z hudební vědy na Filozofické fakultě a docházel na HAMU. Osm let se však učil hrát na lesní roh, v Praze pak s kolegy založili ansámbl Tuning Metronomes zaměřený na hudbu druhé poloviny 20. století a autorskou tvorbu. Až při pobytu v Kalifornii musel zvolnit. Dříve vystupoval jako komorní hráč i sólista, hrál i ve známém Agon Orchestra. Dnes si zahraje jen párkrát do roka pro radost v komorních ansámblech a věnuje se hlavně komponování.

Část Entropic Symphony s tanečním doprovodem skupiny Dekkadancers na Nové scéně Národního divadla zachycuje následující video.

Poznámky

1) PNAS (2005), DOI: 10.1073/pnas.0507577102.

2) Langmuir (2006), DOI: 10.1021/la052201s.

3) Nature Materials (2010), DOI: 10.1038/nmat2877.

Petr Cígler (*1978)

Narodil se v Českých Budějovicích, od malička ho přitahovaly přírodní vědy. Chodil do mineralogického kroužku, dodnes má doma sbírku minerálů, i když ji už nerozšiřuje. „Přes ně jsem se vlastně dostal k chemii, protože mne zajímalo jejich určování podle chemického složení,“ vzpomíná. Zřídil si domácí laboratoř, provedl prý tisíce pokusů. Ale amatérské vybavení mu brzy přestalo stačit, toužil po profesionální laboratoři. Dostal se do ní už v prvním ročníku gymnázia – využil příležitosti dělat středoškolskou odbornou činnost na Jihočeské univerzitě. „Jenže čistá chemie se tam tehdy moc nepěstovala, pouze agrochemie, tak jsem se zabýval chemií půdy.“ S prací o dekontaminaci půd od kadmia slavil své první (proto)vědecké úspěchy.

Vystudoval anorganickou chemii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy (Mgr., 2001) a analytickou chemii na VŠCHT (Ph.D., 2008). Během doktorského studia absolvoval pobyty na univerzitách v německém Regensburgu (Řezně) a francouzském Štrasburku. V letech 2008–2009 působil jako postdok na kalifornském The Scripps Research Institute. „Je to obří ústav, byl jsem jedním ze tří tisíc postdoků. Pracovali tam dva nobelisté, v kantýně člověk potkával neskutečné kapacity, mohl jsem chodit na jejich semináře, bylo to nesmírně inspirativní.“ Se svým tamním šéfem M. G. Finnem jsou dodnes přáteli a spolupracují spolu, měl ho i mezi hosty na své svatbě.

V roce 2009 se vrátil do Česka, nastoupil do Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR, kde od roku 2013 vede vlastní výzkumnou skupinu. Ve stejném roce získal i Prémii Otto Wichterleho, které předcházely např. Cena Alfreda Badera a Cena Česká naděje.

Podílí se i na výchově mladých talentů a propagaci chemie. Je členem Předsednictva Chemické olympiády, pro kterou se podílí na přípravě úloh, jezdí na letní soustředění na Běstvině a čtyřikrát byl mentorem českých delegací na Mezinárodní chemické olympiádě.

Kromě hudby patří k jeho koníčkům houby: „Baví mě na nich všechno. Někdo je rád sbírá, někdo jí, já je rád sbírám, určuji, čistím, vařím i jím.“ V Kalifornii surfoval, ale tuto zábavu si po návratu do Prahy musel z pochopitelných důvodů odpustit.

Rád cestuje a chodí po horách, i když na to teď má méně času než za studentských dob. Nepracovně navštívil mimo jiné Mongolsko, Írán, Pákistán, Malajsii, Indonésii, Kyrgyzstán, Ugandu nebo Bolívii. Vášeň pro hory a cestování s ním sdílí i žena Tereza, restaurátorka fotografií v Ústavu dějin umění AV ČR. S časem na tom teď budou oba ještě hůře než dosud, ale z radostného důvodu: koncem října se jim narodila dcera.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Chemie

O autorovi

Ondřej Vrtiška

Mgr. Ondřej Vrtiška (*1976) je původním vzděláním biolog se specializací na hydrobiologii (PřF UK), utekl z oborů žurnalistika a kulturní antropologie (obojí FSV UK). Od r. 2001 pracuje jako vědecký novinář, na téma „věda v médiích“ přednáší pro vědce i pro laickou veřejnost. Z úžasu nevycházející pozorovatel memetické vichřice. Občas napíná plachty, občas staví větrolam.
Vrtiška Ondřej

Doporučujeme

Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...
Hranice svobody

Hranice svobody uzamčeno

Stefan Segi  |  4. 12. 2017
Podle listiny základních práv a svobod, která je integrovaná i v Ústavě ČR, jsou „svoboda projevu a právo na informace zaručeny“ a „cenzura je...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné