Pozoruhodná elektřina a světlo organismů

Na odlehlé planetě, vzdálené miliony světelných let od Země, leží mezi troskami a popelem postava, jejíž život visí na vlásku. Dr. Mara Ryan, brilantní vědkyně a neohrožená průzkumnice, je po tragickém incidentu jediným přeživším expedice. Její tělo je poseto popáleninami a krvavými ranami po nečekaném souboji s nepřátelskými tvory. Z posledních sil se doplazí k lékařské stanici, kde leží její jediná naděje na přežití – pokročilý medicínský přístroj, Tricorder. Ruce se jí třesou, když ho aktivuje, a obrazovka se rozsvítí sérií složitých grafů a dat. Tricorder pomocí sofistikovaných bioelektromagnetických senzorů rychle analyzuje její vitální funkce a zahajuje samoošetření. Přístroj vysílá pulsy elektromagnetických vln do Marina těla, které okamžitě začínají regenerovat poškozené tkáně a stabilizovat její oběhový systém. Mara cítí, jak se bolest zmírňuje a její tělo začíná nabývat na síle. Když Mara opět nabere dostatek síly, aby se postavila, ví, že tento technologický zázrak jí právě zachránil život.

Aby se tento typ technologie ze sci-fi příběhu stal skutečností, je potřeba získat množství poznatků ze základního výzkumu a dosáhnout významného technologického rozvoje. Historie systematického výzkumu bioelektrických jevů sahá hluboko do 18. století, kdy vědci jako Luigi Galvani poprvé zkoumali roli elektrického náboje v živých organismech. Právě jeho experimenty se žabími stehýnky, při kterých pozoroval svalové kontrakce způsobené elektrickými impulsy, daly vzniknout oboru, který dnes známe jako bioelektřina. I přes významné pokroky, které byly v té době učiněny, trvalo mnoho let, než byla bioelektrická povaha nervového systému plně uznána.

V průběhu 19. století vědci, jako byli Emil du Bois-Reymond a Hermann von Helmholtz, dále prohlubovali znalosti o bioelektrických signálech v nervovém systému. Helmholtz měřil rychlost přenosu nervových impulsů, čímž potvrdil, že tyto impulsy nejsou okamžité, ale mají měřitelnou rychlost, což byl přelomový objev v neurovědě. Tento základní výzkum umožnil rozvoj moderní neurovědy a pochopení toho, jak elektrické signály ovlivňují každý aspekt života od pohybu svalů po složité procesy v mozku.

Během 20. století se bioelektřina začala zkou­mat i mimo nervový systém. Iontové kanály a elektrické potenciály byly objeveny nejen v nervech a svalech, ale i v jiných tkáních těla, což naznačilo, že bioelektrické jevy jsou univerzálním mechanismem pro regulaci biologických procesů. Tyto objevy vedly k rozvoji nových lékařských technologií, včetně srdečních kardiostimulátorů a elektrické stimulace mozku, které dnes umožňují léčit poruchy jako Parkinsonova choroba či epilepsie. Elektrické signály však nejsou omezeny pouze na lidské tělo – podobné mechanismy byly nalezeny v rostlinách, v houbách, a dokonce i v bakteriích, což naznačuje, že bioelektřina může být univerzálním jazykem života.

Přes všechny pokroky v oblasti bioelektřiny stále neznáme celý obraz. V posledních letech výzkum ukázal, že bioelektrické signály mají mnohem rozmanitější škálu funkcí, než jsme si dříve mysleli. Vědci dnes hovoří o „elektromu“ – souhrnu všech elektrických procesů v těle od orgánů až po molekuly. Tento nový koncept bioelektrického kódu má potenciál odemknout tajemství toho, jak elektrické signály ovlivňují expresi genů, vývoj buněk, a dokonce i regeneraci tkání.

Pokud dokážeme dešifrovat tento bioelek­trický kód, mohli bychom jednou ovládat regeneraci buněk, léčit rakovinu nebo dokonce znovu nechat narůst ztracené končetiny. Výzkum v oblasti bioelektřiny naznačuje, že porozumění a ovládnutí těchto mechanismů by mohlo znamenat revoluci v medicíně, kde bychom nejen opravovali poškozené tkáně, ale také je redesignovali a přepisovali bioelektrické signály v reálném čase.

Abychom plně porozuměli bioelektrickým jevům a mohli je efektivně využít, musíme se zaměřit nejen na buněčnou a tkáňovou úroveň, ale také na biomolekulární úroveň, kde se otevírají nové možnosti pro medicínu a technologii. Biomolekuly vykazují díky své malé velikosti pohyby a tvarové změny na mnohem kratších časových škálách než buňky. Tato rychlá dynamika je klíčová pro fungování velkých biomolekul, jako jsou například bílkoviny. Ty působí jako „stroje“ v biologických systémech a vykonávají většinu životně důležitých funkcí – od stavby buněk po přenos signálů, řízení chemických reakcí a ochranu proti nemocem. Abychom dokázali efektivně ovlivnit tuto dynamiku, musí elektrická pole působit na porovnatelných časových škálách. To znamená, že je potřeba využívat elektrických polí s vyššími frekvencemi. Při nich dochází k výraznějšímu propojení elektrických a magnetických polí, což nás vede k tomu, abychom mluvili spíše o elektromagnetických než čistě elektrických polích.

Ve výzkumném týmu bioelektrodynamiky v Ústavu fotoniky a elektroniky Akademie věd ČR se soustředíme na odhalení a pochopení elektrických a elektromagnetických procesů v biologických systémech na molekulární úrovni. Naše práce se rozděluje do dvou hlavních směrů: na studium pasivních a aktivních elektromagnetických vlastností biosystémů. Zabýváme se širokou škálou biosystémů – od roztoků biomolekul přes bílkovinové struktury až po buňky a tkáně.

V rámci pasivních elektromagnetických vlastností zkoumáme, jak biosystémy reagují na vnější elektromagnetická pole. Sem patří výzkum dielektrických vlastností bílkovin a buněk, ale také jejich reakce na intenzivní elektrické impulsy. Aktivní elektromagnetické vlastnosti se zaměřují na elektromagnetické pole generované samotnými biologickými procesy v živých organismech. Náš výzkum je postaven na třech vzájemně propojených pilířích:

• teorie a výpočtové modelování,
• vývoj nových technologických platforem včetně mikrofluidních elektromagnetických čipů a
• experimentální ověřování našich teorií.

V poslední době se soustředíme na několik klíčových oblastí. První z nich je výzkum interakce proteinových struktur s elektromagnetickým polem, zejména s pulsním elektrickým polem a mikrovlnným zářením. Naším hlavním zájmem jsou mikrotubuly – bílkovinová nanovlákna, která hrají klíčovou roli ve vnitrobuněčném transportu a dělení buněk. Mikrotubuly jsou zajímavé pro výzkum z několika důvodů. Intenzivní elektrické pole může ovlivnit jejich strukturu, přičemž krátké pulsy nevedou k zahřívání, což je výhodné pro zachování biologické integrity. Na základě našich simulací molekulární dynamiky jsme předpověděli, že pulsy intenzivního elektrického pole mohou způsobit otevření stěny mikrotubulů, a tím ovlivnit jejich funkci (viz obr. 1).

A. Schematické zobrazení otevírání mikrotubulu elektrickým polem. B. Časový vývoj molekulární simulace, zobrazení průřezu mikrotubulem. Velká černá šipka vlevo zobrazuje směr vektoru elektrického pole, malé černé šipky v struktuře mikrotubulu zobrazují dipolový moment u každého he­terodimeru tubulinu (celkem zobrazeno 13).

Vývoj pokročilých technologií, jako jsou elektromagnetické biočipy, nám umožňuje doručit přesné dávky elektromagnetického pole do biologických vzorků a sledovat jejich reakci v reálném čase pomocí superrozlišovací mikroskopie. Nedávno jsme představili novou technologii, která dokáže do biologických vzorků dodávat pulsy o intenzitě 6 MV/m a délce 11 nanosekund. V experimentech jsme demonstrovali, že tyto pulsy mohou remodelovat mikrotubulární síť v leukemických krysích buňkách (viz obr. 2), což představuje slibný směr pro budoucí terapeutické aplikace.

Čipová platforma na superrozlišovacím mikro­skopu typu strukturovaného osvětlení. Buňky jsou umístněné do zúžené mezery mezi vodiči koplanárního vedení, kterým se šíří nanosekundové pulsy. Tyto pulsy pak mají v buňce dvojí efekt – jednak ovlivňují délku špičky mikrotubulů, značené fluorescenčním proteinem EB1, a také ­remodelují mikrotubulární skelet buňky.

Dalším významným směrem našeho výzkumu je analýza biologické autoluminiscence – fenoménu slabé světelné emise, který je vlastní všem živým organismům. Tento jev souvisí s oxidativními procesy probíhajícími v tkáních a jeho sledování nám poskytuje neinvazivní způsob, jak v reálném čase monitorovat biologické procesy spojené s různými onemocněními nebo metabolickými změnami. Náš výzkum ukázal, že autoluminiscence může sloužit jako spolehlivá metoda pro sledování oxidačního stresu a dalších patologických stavů.

Význam elektromagnetických polí ve výzkumu biologických systémů je stále uznávanější. Elektromagnetické technologie nám nejen umožňují ovlivňovat chování buněk a molekul bílkovin, ale také nabízejí nové způsoby, jak monitorovat dynamické biologické procesy. Naše výsledky naznačují, že elektromagnetické pole, které působí na molekulární úrovni, má potenciál otevřít dveře k novým diagnostickým a terapeutickým metodám. Kromě medicíny vidíme potenciální využití v oblastech jako zemědělství a nanotechnologie, kde elektromagnetické technologie mohou přinést revoluční změny.

V celosvětové komunitě výzkumu bioelektroniky a bioelektromagnetismu věříme, že naše práce na rozvoji elektromagnetických technologií a pochopení jejich vlivu na biologické systémy bude mít dalekosáhlé důsledky nejen pro medicínu, ale i pro další oblasti vědy a průmyslu. Elektromagnetická pole nejsou jen nástrojem pro manipulaci s biosystémy, ale také klíčem k odhalení hlubších biologických principů, které mohou vést k novým způsobům léčby a prevence nemocí.

Umělecké ztvárnění metody zobrazování vlastní chemiluminiscence kůže. Na obrázku je demonstrována schopnost metody rozlišit různé úrovně oxidativního stresu pomocí různé intenzity přirozené chemiluminiscence lidské kůže.

Mara Ryan již stála na můstku průzkumné lodi Endeavour na orbitě neznámé planety, kde téměř přišla o život, a vzpomínala, jak jí ho Tricorder zachránil. Předtím si plně neuvědomovala, jak velký vliv mohou mít bioelektromagnetické technologie na lidské zdraví. Bioelektromagnetické technologie nebyly v její době jen nástrojem první pomoci, jejich schopnost léčit pomocí elektromagnetických vln poskytovala naději na léčbu akutních zranění, ale i léčbu a prevenci mnoha civilizačních chorob. Budoucnost plná zdraví a vitality není jen sci-fi snem, ale dosažitelnou realitou. S touto myšlenkou se Mara rozhodla zasvětit svůj život tomu, aby pomohla přinést tyto technologie do každodenního života lidí…

Autor děkuje kolegům z týmu bioelektrodynamiky za připomínky k textu a zvláště Neuron Collective a Danielu Havelkovi za obrázky. Jako asistenta při jeho psaní použil ChatGPT4 a nese plnou odpovědnost za celý text článku.