Mladá česká věda ve světě

Iniciativa Czexpats in Science, usilující o propojování českých vědců a vědkyň působících v zahraničí, o udržování jejich kontaktu s domácím prostředím a o změny směřující k větší otevřenosti české vědy (viz Vesmír 98, 131, 2019/3), vyhlásila spolu s českou biotechnologickou firmou DIANA Biotechnologies, viz Vesmír 97, 490, 2018/9) první ročník soutěže o Cenu Czexpats.

Jejím cílem je ocenit úspěšné mladé vědce a vědkyně (nanejvýš sedm let od doktorátu) a upozornit na výrazné osobnosti, které zůstávají v aktivním kontaktu s Českou republikou a mohou svými znalostmi a zkušenostmi přispět k rozvoji jak českého vědeckého prostředí, tak celé společnosti.

Soutěže se zúčastnilo 37 kandidátů a kandidátek, zabývajících se širokou škálou témat od attosekundových laserových pulsů po literární historii. Součástí přihlášky bylo i toto zadání: „Popište svůj (z vlastního pohledu) dosud nejvýznamnější vědecký či vývojový počin a vysvětlete jeho přínos k poznání ve vašem oboru.“ Inspirací jim měla být naše rubrika Mozaika. Přinášíme příspěvky vybraných finalistů v čele s vítězkou soutěže, genomičkou Markétou Tomkovou z Oxfordu, která cenu převzala 27. března ve Vlasteneckém sále Karolina.

Pátrání po příčinách mutací

Markéta Tomková

Oxfordská univerzita

Hlavní důvod vzniku rakoviny jsou mutace DNA. Každý mutagenní proces (jako UV záření nebo kouření) zanechá v DNA specifickou stopu. A podobně jako se detektivové snaží hledat stopy na místě činu a vypátrat jednotlivé podezřelé, my měříme mutace v DNA nádoru. Pomocí výpočetních a experimentálních metod se snažíme rozklíčovat, co tyto mutace způsobilo a jak. To je důležité, abychom porozuměli základním mechanismům karcinogeneze a našli nové možnosti prevence, včasné detekce a léčby rakoviny.

V mém doktorátu a následujícím výzkumu jsme ukázali, že velmi užitečné k této detektivní práci jsou epigenetické značky na DNA [1] a integrace mnoha typů sekvenovacích dat [2]. To nám umožnilo posunout poznání mechanismů mutageneze a zjistit, které konkrétní mutace a mutageny rakovinu v daném pacientovi pravděpodobně způsobily [3] (protože podobně jako většina podezřelých je obvykle nevinná, je „nevinná“ i většina mutací).

Zatímco kolem mnoha mutagenních procesů je řada otazníků (co je způsobuje? jak?), jeden byl považován za dávno vyřešený. Je to tzv. „signature 1“, jeden z nejdůležitějších mutačních procesů, který zasahuje většinu našich buněk (i zdravých!) a je zodpovědný za vznik mnoha druhů rakovin a genetických nemocí. Učebnicový výklad tohoto typu mutací je, že jsou způsobeny spontánní chemickou reakcí 5-metylcytosinu. Během doktorátu jsem objevila data, která s tím byla v rozporu, a přišla s hypotézou, že tyto mutace vznikají často také jako chyba během kopírování DNA [4–5]. Následně jsem s kolegou vedla vývoj nové ultrasenzitivní biotechnologie na měření těchto kopírovacích chyb. Díky této technologii jsme mohli hypotézu otestovat a (k našemu překvapení) jsme zjistili, že je pravdivá. Dopady tohoto objevu sahají od rakoviny přes genetické nemoci až po evoluci. Tato technologie nyní mj. otevírá nové možnosti zkoumání různých DNA polymeráz v rakovině, což je téma mého Wellcome Early Career fellowshipu a jeden z výzkumných směrů skupiny, kterou jsem loni v létě v Oxfordu založila.

[1] Tomkova M. et al.: eLife, 2016, DOI: 10.7554/eLife.17082.

[2] Tomkova M. et al.: Genome Biol., 2018, DOI: 10.1186/s13059-018-1509-y.

[3] Tomkova M. et al.: Nucleic Acids Res., 2023, DOI: 10.1093/nar/gkac1251.

[4] Tomkova M., Schuster-Böckler B.: Trends in Genetics, 2018, DOI: 10.1016/j.tig.2018.04.005.

[5] Tomkova M. et al.: DNA Repair, 2018, DOI: 10.1016/j.dnarep.2017.11.005.

 

Kratší než okamžik

Vít Svoboda

VŠCHT Praha, předtím ETH Zürich, Max Born Institute a JILA (University of Colorado Boulder a NIST)

Ve svém výzkumu se zabývám procesy, které se odehrávají v atomech a molekulách na extrémně krátkých časových škálách, v řádu stovek attosekund. Pro představu, o jak krátkých časech se bavíme: jedna attosekunda je miliontina biliontiny sekundy, tedy 1 as = 1 × 10^–18 s. Abychom mohli takto krátké procesy zkoumat, musíme mít kameru, jejíž závěrka je rychlejší než studovaný proces, jinak bude výsledný obrázek rozmazaný. Problém je, že i speciální kamery jsou stále neuvěřitelně pomalé.

Východiskem z této situace je nahradit kameru velmi krátkými laserovými pulsy.¹⁾ Za realizaci attosekundových pulzů byla loni udělena Nobelova cena za fyziku. Problém je, že žádný laser neumí přímo vyzařovat attosekundové pulzy. K těm se dostaneme generováním vysokých harmonických frekvencí (high-harmonic generation – HHG). Tento proces si můžeme představit tak, že pomocí již velmi krátkého, femtosekundového (1 fs = 1000 as) pulzu vyrazíme elektron z atomu. Za určitých podmínek se může tento elektron opět srazit s původním atomem a vyzářit foton s vysokou energií, typicky v extrémní ultrafialové oblasti (121 nm až 10 nm). Jelikož se tak stane ve zlomku trvání původního pulzu, výsledkem je attosekundový záblesk.

Tím se dostávám ke svému dosud největšímu vědeckému počinu. První attosekundové pulzy byly generovány ze vzácných plynů. Později byly k jejich generaci použity i pevné látky, ale kapalina se zdála být pro generování těchto pulsů nevhodná. S kolegy z ETH v Curychu se mi to podařilo změnit. Ukázali jsme, že attosekundové pulsy je možné generovat pomocí HHG v tenké vrstvičce kapaliny [1]. Tím jsme otevřeli nové možnosti studia dynamiky kapalin, kde elektrony řídí základní chemické procesy, které probíhají nejen v našich tělech. Současně jsme ukázali, že proces HHG v kapalinách je velmi odlišný od procesu probíhajícího v plynech a pevných látkách a že jeho porozumění vypovídá o dynamické sktruktuře kapaliny jako takové.

[1] Mondal A., Neufeld O., Yin Z., Nourbakhsh Z., Svoboda V. et al.: Nature Physics, 2023, DOI: 10.1038/s41567-023-02214-0.

 

Jak mozek zvládá spojit stabilitu s flexibilitou?

Roman Huszár

Newyorská univerzita, New York, USA

Ráno jedete v klidu do práce. Najednou se zděšením zjistíte, že hlavní cesta je uzavřená. Vaše mysl hledá alternativy a ve stresu řešíte, která z nich vás dopraví do cíle včas. Tato povědomá situace ilustruje odvěký problém všech organismů: pohybují se v proměnlivém prostředí, které vyžaduje flexibilní chování.

Neurovědci se dlouhodobě domnívají, že schopnost adaptace chování je podmíněná neuroplastickými změnami ve spojích mezi neurony. Tyto změny se odehrávají v kontextu strukturálního uspořádání všech spojů v síti neuronů, které je výsledkem milionů let evoluce a zajišťuje základní chod mozku.

Je žádoucí, aby si mozek udržoval své uspořádání. Zároveň ale musí být schopen změny umožňující flexibilitu v chování. Tyto protikladné požadavky představují problém, jemuž zatím tak docela nerozumíme. Pochopení této interakce na experimentální úrovni vyžaduje jak pozorování spojů mezi neurony, tak souvisejících elektrických vzruchů. Tyto nutné požadavky představují značnou technickou výzvu. V rámci svého výzkumu tento problém řeším novou kombinací technik z oblastí embryologie a neurofyziologie.

Výzkum embryologického původu neuronových sítí zjistil, že neurony, které se během zárodečné fáze tvoří společně ve stejném čase, mají tendenci fyzicky se na sebe napojovat. Pomocí intrauterální elektroporace²⁾ genetických konstruktů do těchto buněk jsem u myší umožnil jejich „zviditelnění“ během snímání jejich elektrických vzruchů v dospělosti. Objevil jsem, že během chování tyto neurony vysílají své signály do zbytku sítě synchronizovaně, jako jednotka [1]. Tento druh aktivity plyne ze vzájemného spojení neuronů stejného embryonálního původu. Tato kombinace experimentálních technik mi umožňuje pozorovat změny v aktivitě na sebe napojených neuronů během úloh vyžadujících flexibilní chování. Tyto experimenty představují poslední část mé disertační práce a doufám, že neurovědě umožní lépe pochopit koexistenci dvou protikladných vlastností mozku: stability a flexibility.

[1] Huszár R. et al.: Nature Neuroscience, 2022, DOI: 10.1038/s41593-022-01138-x.

 

Fylogenetická komprese bakteriálních genomů

Karel Břinda

Národní institut pro výzkum digitálních věd a technologií (Inria), Rennes, Francie

Lidstvo dnes produkuje ohromné množství sekvenačních dat, avšak neumí v nich efektivně vyhledávat. Mým hlavním počinem je vyvinutí metody tzv. fylogenetické komprese [1], která zlepšuje kompresi rozsáhlých kolekcí mikrobiálních genomů (miliony) o jeden až dva řády a umožňuje je prohledávat na běžných laptopech.

Pro lepší pochopení problému s vyhledáváním se přenesme do ledna 2020. Média začínají mluvit o novém viru, brzy je publikován i jeho genom. Zatímco se podle něj vytvářejí první diagnostické testy a vakcíny mRNA, vědecká komunita si láme hlavu, zda se virus nenachází v některých starších vzorcích. Taková informace by totiž mohla pomoci v pochopení jeho původu či vlastností ještě předtím, než se dostane do USA a Evropy. Není však k dispozici žádný způsob, jak existující data efektivně prohledat! Jedinou možností je proskenovat veřejné repozitáře – soubor po souboru. To je však pracné, skenování trvá sedm měsíců a v době jeho dokončení už výsledky nemohou k boji s pandemií výrazně přispět. I vakcína firmy Pfizer prošla první klinickou zkouškou rychleji.

Jak jsme se do této situace dostali? S boomem sekvenačních technologií se objem produkovaných dat exponenciálně zvyšuje, ale nárůst výpočetní kapacity je mnohem pomalejší. Dostupné algoritmy postupně zastarávají a proporce genomů prohledatelná existujícími metodami jako BLAST klesá v čase exponenciálně. Jak z toho ven? Přes všechna jednorázová zlepšení na všech úrovních komprese a vyhledávání se vždy jednalo pouze o odsunutí problému o určitý čas. Informatické metody samy o sobě nenabídly řešení. Hlavní přínos fylogenetické komprese spočívá v originálním využití biologie k vylepšení existujících kompresních algoritmů. Pomocí evoluční historie seřadíme všechna data takovým způsobem, že podobné genomy budou vedle sebe a kompresní algoritmy se tak nemusí „příliš snažit“. To nám umožňuje např. bezeztrátově překomprimovat kompletní kolekci bakteriálních genomů do roku 2018 (661 000) na pouhých 20 GB a vyhledávat (alignment) v ní na běžných laptopech během několika hodin.

[1] Břinda K. et al.: bioRxiv (preprint), 2023, DOI: 10.1101/2023.04.15.536996.

 

Výpočetní modelování srdce

Jakub Tomek

Oxfordská univerzita

Nemoci srdce jsou hlavní příčinou úmrtí v civilizovaném světě. Pro jejich lepší léčbu a prevenci musíme detailně porozumět jejich příčinám. Zásadní součástí kardiologického výzkumu je dnes i výpočetní kardiologie. Pro mou kariéru a pozici v oboru byl nejdůležitější výpočetní model srdeční buňky ToR-ORd [1], o kterém jsem napsal i článek do Vesmíru (Vesmír 99, 464, 2020/7). Tento model lze použít od základního výzkumu po aplikované studie.

Příkladem je predikce kardiotoxicity léků, která je nejčastějším důvodem stažení léků z trhu. Můj model s úspěchem používá řada špičkových vědeckých skupin po celém světě, ale také velké firmy jako Bristol-Myers- Squibb či oddělení americké FDA zkoumající bezpečnost léků. Nedávno jsem byl navíc požádán o spolupráci týmem lékařů z americké armády, se kterými zkoumáme, jak chránit srdce válečných veteránů či zraněných vojáků před arytmiemi.

Tento model je sice velmi úspěšný, ale zároveň jsem při vývoji pochopil i řadu jeho omezení – a omezení jiných srdečních výpočetních modelů. Každý z nich něco umí dobře, ale zároveň má značné slabiny v jiných oblastech. Abych to lépe ilustroval, je to jako mít tři různé modely tanku: jeden umí především výborně jezdit, druhý výborně střílet a třetí jako tank opravdu vypadá. Před čtyřmi roky jsem se rozhodl, že zkusím vytvořit první univerzální model srdeční buňky, který bude umět vše podstatné a bude se v maximální možné míře chovat jako živá buňka. Za tímto účelem jsem sestavil tým spojující nejlepší světové odborníky na srdeční fyziologii a modelování a v konzultaci s nimi se mi podařilo, přes značná úskalí, takový model skutečně vyvinout. Nyní jsme ve finální fázi vývoje a věřím, že brzy poskytneme přelomový nástroj, který umožní úplně nové typy aplikací a studií a dojde využití po celém světě, ve vědě i průmyslu. Sám chci tento model v blízké budoucnosti použít pro pochopení a návrhy prevence arytmií v diabetu, což je zásadní, ale překvapivě neprozkoumané téma.

[1] Tomek J. et al.: eLife, 2019, DOI: 10.7554/eLife.48890.

 

Transformace křesťanství v sekulárním kontextu

Martin Kočí

KU Linz

Mým hlavním výzkumným tématem je dílo českého filozofa Jana Patočky a jeho interpretace z teologické perspektivy. U Patočky jsem odhalil a zdůraznil aspekty, které byly dosud opomíjeny nebo nedostatečně akcentovány. Tím jsem přispěl k rozšíření porozumění jeho filozofickému odkazu a ukázal, jak může být jeho myšlení aplikováno v soudobé filozofii náboženství.

Můj výzkum propojil český a mezinárodní kontext opačným směrem, než bývá zvykem: přinesl jsem české myšlenky do „velkého“ akademického světa a ukázal, že i filozoficky „malá“ tradice může mít globální relevanci. Za monografii o Janu Patočkovi s názvem Thinking Faith after Christianity (SUNY 2020) jsem obdržel cenu od Evropské společnosti pro katolickou teologii za nejlepší knihu napsanou autorem do 35 let.

Moje práce otevřela řadu otázek týkajících se současného křesťanství: Co je podstatou křesťanství v postmoderním, sekulárním kontextu? Je křesťanství (stále ještě) náboženství, nebo se transformuje v něco jiného? Moje druhá monografie Christianity after Christendom (Bloosbury 2023) se zabývá těmito otázkami a argumentuje, že křesťanství není pouze náboženstvím, ale existenciálním pohybem, jenž zápolí se zkušeností otřeseného bytí, kterou sdílí každý člověk. Křesťanství je konkrétní způsob integrace této zkušenosti do celku existence, avšak se specifikem, že okolo péče o otřesenou zkušenost bytí vytváří komunitu – solidaritu otřesených. Tím se otevírají důležité otázky o smyslu konkrétní křesťanské i obecně lidské zkušenosti v postkřesťanské éře. Mé „kacířské eseje“ se v návaznosti na Patočku snaží ukázat, že křesťanství zůstává operativním existenciálním pohybem, který je relevantní pro porozumění obecným otázkám, jakými jsou např. konečnost a tělesnost v západním kulturním kontextu. 

 

Hluboké neuronové sítě: porozumět tomu, co jsme stvořili

Stanislav Fort

seniorní výzkumník, Google DeepMind

Strojové učení postavené na hlubokých neuronových sítích stojí za revolucí umělé inteligence posledních let (Vesmír 100, 31, 2021/1). Problémem ale zůstává, že i přes naši schopnost tyto sítě trénovat a stavět je naše porozumění tomu, jak interně fungují, velice omezené a v téměř před-vědecké až alchymistické fázi poznání.

Cílem mého doktorského výzkumu bylo začít s budováním rigorózního a vědeckého pochopení toho, jak hluboké neuronové sítě fungují – vybudovat takzvanou vědu o hlubokém učení (the Science of Deep Learning). Pomocí experimentálních technik z přírodních věd, jako je fyzika, a matematických modelů, primárně z oblasti vysokorozměrné geometrie, jsem přispěl k budování základů této nové vědecké oblasti a svoje výsledky jsem shrnul v doktorské práci Geometric Aspects of Deep Learning na Stanfordově univerzitě.

Velká část úspěchu hlubokých neuronových sítí stojí na neintuitivním chování prostorů ve vysokých rozměrech (místo 3D si představte třeba miliardu D). Mým nejcitovanějším prvoautorským článkem je Deep Ensembles: A Loss Landscape Perspective [1], který od svého vydání na konci roku 2019 nasbíral již přes 500 citací. V něm pomocí vysokorozměrné geometrie vysvětluji, proč typ přístupů postavených na bayesovské statistice nikdy nesplnil svůj příslib pro velké neuronové sítě, zatímco o poznání jednodušší přístupy ano. Věnuji se tam také problému „přehnaného sebevědomí“ neuronových sítí, který v praxi znamená, že síť neví, kdy něco neví. Tento problém se mi podařilo z velké části vyřešit v dalším z mých prvoautorských článků [2] (2021, dnes přes 250 citací) a propojit ho s geometrickou strukturou optimalizačního prostoru hlubokých sítí v článku [3] (2020, >100 citací).

Budování vědeckého pochopení fungování umělé inteligence je teprve na začátku, já jsem k němu během doktorského studia přispěl více než patnácti vědeckými publikacemi. Jeho role se s rostoucí inteligencí těchto systémů také zvětšuje, protože jde o jeden z nejlepších přístupů k zajištění jejich bezpečnosti a pochopitelnosti.

[1] Fort S. et al.: Deep Ensembles: A Loss Landscape Perspective. arXiv:1912.02757v2, 2019, DOI: 10.48550/arXiv.1912.02757.

[2] Fort S. et al.: Exploring the limits of out-of-distribution detection. Advances in Neural Information Processing Systems 34 (NeurIPS 2021)

[3] Fort S. et al.: Deep learning versus kernel learning: an empirical study of loss landscape geometry and the time evolution of the neural tangent kernel. Advances in Neural Information Processing Systems 33 (NeurIPS 2020)

 

Why is Shakespeare’s work still relevant four hundred years on?

Jitka Štollová

Trinity College, Univerzita v Cambridge

Why has it generated significant cultural events such as the Prague Summer Shakespeare Festival and the bilingual critical English-Czech edition of his complete works, which directly shape the Czech cultural landscape?

Shakespeare and his adaptations give us the opportunity to discuss the issues relevant for today, including questions of (in)justice, LGBTQI identities, race, disability, and trauma.  This, and more, can be found in Shakespeare’s play Richard III (1597), his early blockbuster which was published more frequently than Hamlet in Shakespeare’s lifetime.

In my first monograph, scheduled to be published in 2024 with OUP and for which two academic editors have expressed formal interest, I reflect on these issues in the representation of Richard III (1483-85) in the seventeenth century. As I have sought to explain in my Czexpats talk at the London Embassy, at multiple international conferences in the UK, US, Czechia and Australia, and to Czech and Slovak students in Oxford and Cambridge, Richard III served as an example of tyranny both in Shakespeare’s time, in Czechoslovakia, and these days.   The play forces us to formulate our understanding of the parameters of a monarch’s good and evil qualities, the citizens’ responsibility – and the responsibility they carry for their silence.

It was partly for this reason that my BA thesis, from which my current project emerges, was awarded the Jan Palach Prize, the highest award given to theses written at the Faculty of Arts, Charles University (the first time ever the award was given to a BA thesis). This year, I had the honour to address the relevance of Shakespeare’s Folio at the anniversary plenary panel at the Shakespeare Association of America, Minneapolis 2023 (ca. 650 attendees).  Together with Martin Hilský, I am supported via the Folger Shakespeare Library scholarship in co-editing of the pioneering English-Czech critical edition of Shakespeare.

In my next project, I will combine my Czech background and research in literature and history to chart the narratives of dissent in Central and Eastern Europe. I aim to offer a new appreciation of Vaclav Havel as a truly European playwright, well-versed in the works of authors from Shakespeare to Chekov. My interest in Havel as an author and a politician dates back to my two meetings with him, during which he requested and received my undergraduate essay on Shakespearean allusions in his last play, Odchazeni. I organized a conference on his legacy in Cambridge in 2016, featuring, among others, speakers such as Karel Schwarzenberg, Jacques Rupnik, and Michael Zantovsky.