Zaostřeno na život

Historie – cesta od kosmického výzkumu k léčbě rakoviny

Ve vědeckém světě je Brno známo zejména jako město, kde žil a pracoval Gregor Johann Mendel, zakladatel genetiky. Dnešní genetici z celého světa jezdí do Brna, aby navštívili augustiniánský klášter a mohli si tam prohlédnout Mendelův včelín, jeho mikroskop či brýle a zejména nasáli ducha místa.

Genetický výzkum se v Brně již od padesátých let 20. století úspěšně rozvíjí také v Biofyzikálním ústavu Akademie věd. Historie biofyziky, oboru studujícího vliv fyzikálních faktorů na biologické systé­ my, má v Brně dlouhou tradici. Významnou osobností zde byl profesor Ferdinand Herčík (1905–1966), zabývající se nejrůznějšími otázkami sahajícími od vlivu ionizujícího záření na živé organismy až po molekulární biofyziku. To zejména jeho zásluhou v roce 1955 Biofyzikální ústav vznikl. Kvůli radiobiologickému výzkumu byl postaven v polích na okraji města, avšak dnes ho město zcela obrostlo a jeho krásně vzrostlá zahrada představuje klidnou oázu zeleně uprostřed rezidenční čtvrti Žabovřesky. Jeho první ředitel profesor Herčík byl nejen uznávaným vědcem, ale i polyhistorem, mimo jiné autorem několika knih (například „Život naruby“, „Záření a život“, „Od atomu k životu“, „Život člověka“), často působivých pojednání nejen o vědě, ale i o životě.

Zpočátku se ústav zabýval radiobiologií, což odpovídalo potřebám tehdejší doby, kdy ve vzduchu visela hrozba jaderné konfrontace, ústav se podílel i na kosmickém výzkumu. Postupně se prosadily směry zabývající se molekulární a buněčnou biologií, biochemií, patofyziologií či molekulární farmakologií. Po smrti profesora Herčíka ústav vedl Dr. Zdeněk Karpfel, kdy ústav postupně měnil své zaměření a rozrůstal se. Po roce 1990 vedl ústav doc. Milan Bezděk, po něm od roku 1997 Dr. Jana Šlotová a od roku 2005 doc. Stanislav Kozubek. V roce 2007 se změnil status ústavu na veřejnou výzkumnou organizaci. V letošním roce se stala ředitelkou doc. Eva Bártová.

Široký záběr od struktury DNA přes genomy až po buňky a nemoci

Náplní činnosti ústavu je výzkum struktury, funkce a dynamiky biologických systémů (biomolekul, buněčných komponent, buněk i buněčných populací) metodami molekulární biologie, biofyziky, biochemie a bioinformatiky. Biologické systémy jsou studovány s důrazem na  jejich evoluční souvislosti, ale i ve vztahu k onemocněním člověka. V současné době ústav sestává z deseti oddělení, která se zabývají širokým spektrem otázek, jež lze zařadit do tří oblastí:

1. struktura biologických molekul, zejmé­na DNA, RNA a proteinů;
2. struktura a evoluce genomů a dynamika buněčných procesů;
3. vztah biologických molekul a buněč­ných procesů k nemocem.

Vydejme se na procházku Biofyzikálním ústavem. Široké spektrum témat zde řešených můžeme začít otázkami struktury DNA, které jsou zde studovány již od počátku, velmi dlouhou tradici i věhlas má využití elektrochemických metod ke studiu DNA, jež zavedl profesor Emil Paleček již koncem padesátých let 20. století. Této problematice se nyní věnuje oddělení biofyzikální chemie a molekulární onkologie (vedoucí doc. Miroslav Fojta), které se zabývá nejen strukturou nukleových kyselin a proteinů a jejich elektrochemií, ale také vývojem biosensorů a interakcemi nukleových kyselin s proteiny, zejména s nádorovým supresorem p53. Metodicky jiný pohled na strukturu DNA, respektive na její konformaci (trojrozměrnou podobu), přinášejí vědci z oddělení CD spektroskopie nukleových kyselin (vedoucí prof. Michaela Vorlíčková). Pomocí velmi účinné metody cirkulárního dichroismu (CD), a díky dlouholeté zkušenosti sahající až do osmdesátých let 20. století, odhalují zákonitosti změn v konformaci krátkých úseků DNA, tzv. oligonukleotidů, představují­cích úseky genomové DNA, jež jsou nějak významné z biologického nebo lékařského hlediska. Velkým přínosem pro studium struktury nukleových kyselin je možnost komplementace experimentálních a teoretických přístupů. Světovou špičku v oblasti studia úlohy molekulárních interakcí ve struktuře, dynamice, funkci a evoluci nukleových kyselin představuje oddělení struktury a dynamiky nukleových kyselin (vedoucí prof. Jiří Šponer), využívající nejpokročilejší výpočty, jako jsou abinicio metody či molekulárně dynamické simulace.

Přesuňme se od chemického a biochemického výzkumu do oblasti molekulární biologie, genetiky a genomiky. Tento vý­zkum je na Biofyzikálním ústavu reprezentován jednak oddělením vývojové genetiky rostlin (vedoucí prof. Boris Vyskot), které se věnuje studiu vývojových procesů hrají­cích roli při reprodukci rostlin, konkrétně struktuře a evoluci pohlavních chromozomů a determinaci pohlaví u dvoudomých rostlin. Na rostlinných modelech pracuje také oddělení molekulární epigenetiky (vedoucí Dr. Aleš Kovařík), zabývající se úlohou epigenetických mechanismů v organizaci DNA v buněčném jádře, epigenetickou regulací exprese transgenů a také nejrůznějšími významnými evolučními otázkami, jako je například polyploidie. Velmi aktuální otázky epigenetických procesů v buněčném jádře řeší rovněž v oddě­lení molekulární cytologie a cytometrie (vedoucí doc. Eva Bártová), kde zkoumají architekturu buněčného jádra či posttranslační modifikace histonů. Praktické dopady má studium širokého spektra otázek souvisejících s odpovědí buňky na ionizující záření a na organizaci a funkci chromatinu za fyziologických i patologických podmínek, kterými se zabývá tematicky blízké oddělení buněčné biologie a radiobiologie (vedoucí Dr. Martin Falk).

Na naší virtuální procházce Biofyzikálním ústavem jsme se dostali od struktury nukleových kyselin přes strukturu genomu a buněčného jádra až na úroveň buněk. Touto problematikou se tradičně zabývají tři oddělení ústavu a jejich výsledky mají často významné praktické dopady v medicíně či farmacii. Oddělení cytokinetiky (vedoucí doc. Jan Vondráček) studuje molekulární mechanismy řídící proliferaci buněk, buněčnou smrt, mezibuněčnou komunikaci a souvislost těchto procesů s nádorovými onemocněními. Oddělení patologie volných radikálů (vedoucí dr. Lukáš Kubala) se věnuje studiu úlohy reaktivních metabolitů a různých signálních molekul v patologických procesech ve vztahu k imunitním a cévním chorobám. Primát v praktickém využití výsledků zřejmě drží oddělení molekulární biofyziky a farmakologie (vedoucí prof. Viktor Brabec), které se věnuje studiu molekulárních a buněčných mechanismů protinádorových a antimikrobiálních efektů komplexů kovů (jako je například cisplatina) a jejich využití ve farmacii při designu nových protirakovinných léků a antibiotik.

Studium jednotlivých úrovní biologických systémů tak poskytuje komplexní a vzájemně se doplňující pohled na život, na jeho formy, proměnlivost a dynamiku v čase pod vlivem faktorů vnitřního i vnějšího prostředí, hierarchii a vzájemnou provázanost jeho funkčních částí, tedy nahlížení života v souladu s holistických pojetím, jež propagoval i zakladatel Biofyzikálního ústavu profesor Ferdinand Herčík. Že tento přístup nelze v genetice, medicíně či botanice opominout, věděli již mnozí čeští biologové první poloviny 20. století, kteří ve svých úvahách navázali na velikána své doby – profesora Emanuela Rádla (Vesmír 83, 594, 2004/10).

Zapojení do světové vědecké a vzdělávací sítě

Jednotlivá oddělení Biofyzikálního ústavu spolupracují s řadou domácích a zejména zahraničních pracovišť, mnohdy v rámci společných projektů, jejichž výsledkem je mnoho společných publikací. Ústav je sou­částí vědeckých center, v několika i v roli koordinátora, jako je OPVVV (koordiná­ tor doc. Miroslav Fojta), Centra excelence GA ČR (koordinátoři prof. Boris Vyskot, doc. Miroslav Fojta, doc. Stanislav Kozubek), Norské fondy (koordinátor doc. Eva Bártová). Pracovníci ústavu přednášejí v desítkách semestrálních kurzů na řadě českých univerzit a zejména v ústavu vedou desítky doktorandů. Vědci Biofyzikálního ústavu se mohou pochlubit řadou prestižních ocenění, za všechny můžeme jmenovat ocenění Česká hlava, které v roce 2014 získal profesor Emil Paleček, řada mladých vědců ústavu získala prémii Otto Wichterleho a ocenění Hlávkovy nadace. Prof. Jiří Šponer patří k nejcitovanějším českým vědcům a získal v roce 2014 Akademickou prémii (nejprestižnější ocenění Akademie věd).

Zapojení ústavu do řady velkých i men­ších projektů přináší laboratořím jednak tolik potřebnou infrastrukturu v podobě špičkových přístrojů, jednak i prostředky na samotný výzkum. Ústav byl a je postupně modernizován, aby poskytoval zaměstnancům co nejpříjemnější pracovní prostředí.