V mém světě je světlo špatný sluha

Smysly nás někdy utvrzují v existenci něčeho, co není. Patří k nim krvavě rudá barva skla, vznikající vmísením zlata do rozžhavené taveniny. Ačkoliv technologii používali už ve starověku a po období zapomnění ji vzkřísili v 17. století, teprve maďarský chemik Richard Adolf Zsigmondy objasnil, že luxusní barva neexistuje fyzicky, ale vzniká interakcí světla s povrchem nanočástic zlata (koloidů). To, zač Zsigmondy v roce 1925 dostal Nobelovu cenu, dnes zažívá renesanci a bioinženýrce Vladimíře Petrákové slouží při odhalování dosud skrytých tajů světa, kde se zlaté nanočástice chovají jako kouzelníci, přemísťující králíky.

Doc. Ing. Vladimíra Petráková, Ph.D. (*1985)

Vystudovala Fakultu biomedicínského inženýrství Českého vysokého učení technického v Praze (ČVUT). Doktorát za výzkum luminiscenčního centra v diamantu získala na Fakultě biomedicínského inženýrství ČVUT a ve Fyzikálním ústavu AV ČR. Poté se přestěhovala do Německa, kde čtyři roky působila na Svobodné univerzitě v Berlíně a za práci s částicemi nanozlata získala roku 2017 podporu Humboldtovým postdoktorandským stipendiem. Roku 2018 založila spolek Czexpats in Science, jehož posláním je zlepšování systému české vědy prostřednictvím zahraničních zkušeností a české vědecké diaspory.

Roku 2019 se vrátila zpět do České republiky a v Ústavu fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR založila vlastní vědeckou skupinu. Spolu s šesti kolegy se zabývají nanotechnologiemi a studují interakci nanočástic zlata se světlem. Pro svůj výzkum získala roku 2021 podporu Grantové agentury ČR významným grantem Junior STAR a o rok později obdržela prémii Lumina quaeruntur, udělovanou Akademickou radou AV ČR význačným perspektivním výzkumným pracovníkům při zakládání nových vědeckých týmů na pracovištích akademie.

Je matkou čtyř dětí a vášnivou vyznavačkou cyklistiky.

Všiml jsem si, že o své vědě ráda mluvíte jako o pralese. Tak tedy: Jak vypadá váš aktuální prales a co v něm děláte? — On je to spíše takový nanoprales. Vše, co v něm „roste“, měříme v miliardtinách metru (10^–9 m), což znamená, že našimi stromy jsou nanočástice nebo molekuly. Pozorujeme, co se děje, když na jejich povrch dopadne světlo. V tak malých rozměrech se totiž světlo chová hodně jinak, než odpovídá zkušenosti ze světa našich tělesných rozměrů. Světlo je tu energie, kterou si mezi sebou „stromy“ dokážou předávat, zesilovat nebo tlumit. Zlato tady není žlutavě lesklé, ale někdy červené, jindy modré. To je můj aktuální prales.

Co je v něm natolik exotického, že vás to nepřestává překvapovat? — Je toho víc, ale v danou chvíli asi fakt, že když za určitých okolností posvítíme na zkoumaný kousek hmoty, rozzáří se světlem jiné barvy, a ke všemu září z úplně jiného místa, než na kterém celou dobu je.

Fluoreskuje? — Ano, ten kousek hmoty je ve skutečnosti fluorofor. Většinou jde o molekulu nějaké organické sloučeniny, může to ale být pevná látka nebo malý kousek diamantu – nanodiamant. K jeho základním vlastnostem patří, že když na něj posvítíme světlem určité vlnové délky, pohltí jeho energii a následně ji uvolňuje ve formě světelného záření jiné, zpravidla delší vlnové délky, čemuž říkáme fluorescence.

1. „Světlušky na stromech“ je metafora pomáhající vysvětlit dění v nanopralese. Šedé buňky plástve představují sekvenci nukleotidů DNA, mezi něž se vloží molekula, která po ozáření světlem jedné barvy vydává světlo jiné barvy – fluoreskuje (tzv. světluška – modré buňky s červeným středem). Horní řádek ukazuje, že bez přítomnosti nanočástice zlata se světlo vyzářené světluškou zobrazuje právě na místě, kde se v řetězci DNA nachází. Pokud ke světlušce přiblížíme nanočástici zlata (spodní řádek, žlutě), signál světlušky se vychýlí v závislosti na tom, jak blízko nanočástice zlata je. Zatímco největší výchylka signálu je v pozici č. 2 (povrch nanočástice je světlušce v pozici č. 2 nejblíže), nejmenší vychýlení je v pozici č. 8 (povrch nanočástice je od pozice č. 8 nejdále).

Schéma Vladimíra Petráková

Vy ale říkáte, že svítí odjinud. Jste si jisti, že vám fluorofor během procesu neutekl jinam? — Naprosto. Využíváme totiž nástrojů umožňujících umístit molekulu na určité místo, tedy vědět, kde přesně je. Jde o nanotechnologické metody, DNA origami.¹⁾ V nám známé sekvenci nukleotidů DNA si určíme konkrétní místo, ke kterému zkoumanou molekulu připoutáme, díky čemuž si pak můžeme být jisti její přesnou polohou.

Co se tedy stalo, že se molekula „ozývá“ z jiného místa, než kde ji máte lapenou? — Tím, co tento proces ovlivnilo, je zlatá nanočástice, kterou jsme do blízkosti měřené molekuly umístili. Právě nanozlato svou přítomností způsobuje, že světlo vyzářené z molekuly vidíme jinde, než kde molekula je.

Dokázala byste to vykreslit s použitím své metafory s pralesem? — Tam by mohla měřená molekula představovat světlušku a DNA origami (nebo zobrazovaná struktura) strom, na jehož kůře si chce světluška odpočinout. Vy stojíte ve tmě třeba sto metrů od stromu. Zlatou nanočástici si můžeme představit jako velkou lupu nebo vodní nádrž stojící mezi vámi a stromem, která zkreslí lomem světelných paprsků pozici, kde světlušku vidíte. V rozměrech nanosvěta měří světluška (molekula) okolo nanometru, zatímco zlatá nanočástice (lupa) – pokud jich složíme víc k sobě – může mít desítky nebo stovky nanometrů. Kdybychom takovou nanosvětlušku v této situaci podráždili rozsvícením světla (třeba žlutého), zareaguje rozsvícením zadečku (třeba červeně). Světlo vydávané světluškou bychom v reálném světě a bez lupy viděli na stromě, ale v nanosvětě za pomoci zlaté nanočástice umístěné do její blízkosti signál vychází z místa vzdáleného až sto nanometrů od jejího stanoviště. Kdyby to byl příměr z reálného světa a světluška měla jeden centimetr, viděli bychom její světlo ve vzdálenosti jednoho metru a na místě, kde světluška sedí, by byla tma (obr. 1).

Je to vždy stejná vzdálenost, o kterou se světlo posune? — Kdepak, může to být kdekoliv mezi minimem (což je poloha molekuly-světlušky) a maximem (v naší metafoře s pralesem třeba onen metr). Tedy klidně může jít o pouhé dva centimetry.

A lze tento posun nějak kontrolovat? — Zdá se, že zásadní roli hraje zlatá nanočástice. Teď zkoumáme, jestli a jak se bude jev vyvíjet změnou jejích vlastností.

O tom, že kovové nanočástice zesilují optický signál, se ale ví delší dobu... — Ano, senzory pro spektrální mikroskopy využívající povrchově zesílenou Ramanovu spektroskopii jsou na trhu běžně dostupné. Právě po nich jsme sáhli v naději, že nám pomohou zesílit signál našich světlušek-molekul a zobrazit je s větší přesností. To, co se dělo ve skutečnosti, nás ale mimořádně překvapilo. Světlušky sice svítily jasněji, ale jejich signál přicházel z jiného místa. Výsledek nečekaný a ve svém důsledku mnohem zajímavější než původní předpoklad.

Jak si vysvětlujete, že na to nikdo nepřišel už dříve? — Používáme přístroj z oblasti superrozlišovací mikroskopie. To, co naši předchůdci viděli rozmazaně v jakémsi neurčitém obláčku, jím zobrazujeme s mnohem vyšším rozlišením, jsme tudíž schopni vidět větší detail. Náš přístup otevírá nové možnosti, jak se na zlaté nanočástice dívat – jde nejen o zesilovač signálu molekul, ale také prostředek k manipulaci s jeho polohou.