V druhém říjnovém týdnu se rozdělovaly slavné Nobelovy ceny. I když se kvůli hospodářské krizi musely odměny pro vědce meziročně snížit, stále se jedná o nejprestižnější ocenění vědeckého světa. Kdo si je letos připsal a za co? FYZIOLOGIE A MEDICÍNA: PŘEPROGRAMOVANÉ BUŇKY Laureáti letošní ceny za fyziologii a medicínu dokázali něco, co věda dlouho považovala za nemožné. Brit John Gurdon a Japonec Šinja Jamanaka ukázali, že dospělé buňky v našem těle se mohou vrátit do svého nejranějšího „dětství“. Změnili platné a zaběhnuté dogma v biologii, které říkalo, že buněčný vývoj je jednosměrná ulice. Každý ale v jiné době. John Gurdon přišel v roce 1962 s výsledky, jež zaskočily odborný svět. Do té doby se vědci domnívali, že buňky se vyvíjejí jen jedním směrem. Každý tvor začíná jako jediná buňka, která v sobě tím pádem musí obsahovat všechny „dovednosti“ mnoha typů buněk vyvinutého těla. Někde během vývoje ovšem o tyto schopnosti přijde, protože dospělé buňky už tak tvárné nejsou. Jsou uzamčené ve své funkci a samy od sebe se nemohou měnit v žádný jiný typ buňky a nemohou se dělit. Máme sice v těle připravenou zásobu tvárných zárodečných buněk, ale ty na všechno nestačí, a tak naše těla chátrají. Gurdon ukázal, že lidské tělo se k nesmrtelnosti zárodečných buněk může přiblížit. Vložil jádro z dospělé žabí buňky do čerstvě oplodněného vajíčka, ze kterého se pak vylíhl zdravý pulec. Jádro tedy neztratilo schopnost řídit vývoj organismu. (Nelze použít jádro z každé buňky, ale jako důkaz principu pokus funguje.) Práce v důsledku toho vedla ke vzniku klonovaných zvířat, která sloužila jako demonstrace technik pro lidskou medicínu. Díky Gurdonovi a dalším si bylo možné představit, že z našich buněk totiž mohou vznikat nové náhradní díly. A o půl století později Leč problém vůbec nebyl jednoduchý. Naštěstí nastala v biologii nová doba. Díky pokroku v jiných oborech se vědci přesunuli o několik úrovní hlouběji, jak dokládá i oceněná práce Šinji Jamanaky. Zatímco Gurdon pracoval ještě s jednotlivými díly buněk (třeba jádrem jako celkem), na přelomu 20. a 21. století už jeho japonský kolega a následovník pracoval s jednotlivými geny. Dokázal určit, které se podílejí na proměně kmenových buněk ve „zkostnatělou“ buňku. Zjistil, že tento proces je překvapivě jednoduchý a k přepnutí buňky zpět do raného stádia jejího vývoje stačí jenom čtyři geny. Vznikla zcela nová kategorie kmenových buněk: takzvané indukované pluripotentní kmenové buňky, označované anglickou zkratkou iPS (induced pluripotent stem cells). Svůj objev zveřejnil v roce 2006 a od té chvíle byl horkým kandidátem na Nobelovu cenu. Experimenty na vás bez vás Jeho práce byla spásou pro obor, který se zejména v USA potýkal s citlivým etickým problémem: do té doby se univerzální buněčná surovina, tj. embryonální kmenové buňky, získávala z lidských embryí, která v tomto procesu zanikla. I když šlo v drtivé většině o embrya z klinik pro umělé oplodnění, která by byla zničena tak či onak, proti tomuto postupu se zvedl hlavně z křesťanských kruhů veliký odpor. Ovšem indukované pluripotentní kmenové buňky mají své nectnosti. Účinnost jejich výroby je malá, jeden z použitých genů zvyšuje sklony k nádorovému bujení a tak dále. Nevýhody se vědci snaží postupně odstraňovat, ale není jasné, zda uspějí úplně. I tak si vědci díky nim mohou vytvářet v laboratoři „části“ lidského těla. Například nervové buňky se z těla odebírají velmi špatně a špatně se udržují, takto si je vědci mohou pěstovat, jak potřebují. Lze tak zkoumat, jak na nich mohou vznikat choroby či ověřovat účinek možných léků. FYZIKA: NENUTÍME ČÁSTICE KOLABOVAT! Vědci, kteří si odnesli Nobelovu cenu za fyziku, Serge Haroche a David Wineland, otevřeli ostatním fyzikům dveře do světa malých rozměrů. Jejich výsledky vedou jak k novým fyzikálním objevům, tak praktickým aplikacím. Oba ocenění se tedy pracovně pohybují ve světě jednotlivých částic, což je pro nás velmi exotická země. Částice se v mikrosvětě chovají zcela jinak než „ve stádě“, tedy jako součást velkých souborů částic (třeba předmětů), se kterými se setkáváme v běžném životě. V kvantovém světě například platí, že částice může být v několika stavech najednou (můžeme si představit, že je na více místech najednou). Pokud se nám ji podaří izolovat od okolí, může to tak zůstat po celou dobu jejího života. Ve chvíli, kdy její soukromí narušíme, například se ji pokusíme změřit, částice se zhroutí jen do jednoho stavu („na jedno místo“). Fyzikové mají rádi provokativní příklady a často mluví o tzv. stavech Schrödingerovy kočky, která by se mohla nacházet v živém a mrtvém stavu současně. Právě s tímhle si poradili Haroche a Wineland: podařilo se jim vyvinout postupy na měření kvantových stavů jednotlivých částic, aniž by je zničili. Což je zázrak. Konečně je máme v rukou! Jak asi všichni víme, zlatá doba rozvoje kvantové teorie byla zhruba mezi dvěma světovými válkami 20. století. Podíleli se na ní teoretici jako Schrödinger a Einstein, abychom jmenovali dva nejznámější (ne nutně zcela nejzasloužilejší). Pole však zůstávalo v podstatě výhradně hájemstvím teoretiků. Shrödinger si také povzdechl, že experimentální stránka kvantové fyzice hodně chybí. Měnilo se to jenom pomalu a v podstatě až o půl století později. Nejprve se objevil teoretický popis kvantových jevů (za to byla Nobelova cena udělena v roce 2005). Zrodil se tak obor nazývaný kvantová optika. Odborníci se v něm nezabývají posíláním svazků či paprsků, ale také počítáním jednotlivých fotonů či atomů. Oceněná práce letošních laureátů pochází z dob formování praktické stránky oboru, v 80. a hlavně 90. letech. Oba dokázali nezávisle na sobě vytvořit jakési kvantové vězení, do kterého mohli zavírat částice jednu po druhé, a tak přesně kontrolovat, co se v jeho prostoru děje. Jde o nesmírně náročný experimentální úkol, pro který vyvinuli každý ve své laboratoři jinou techniku. Rozdíly mezi nimi nejsou až tak důležité. Oba týmy byly schopny vytvořit situaci, kdy se částice nacházely v podobném stavu jako zmíněná Schrödingerova kočka, která byla zároveň živá i mrtvá. K čemu to? Tyto a další postupy poskytly vědcům okno do jinak těžko přístupného světa. Na celé zeměkouli vznikají ročně tisíce prací od stovek týmů z tohoto oboru a kvantová optika hrála nějakou roli v práci zhruba poloviny laureátů Nobelovy cena za poslední desetiletí. Nabízí se i praktické aplikace. Použita byla třeba pro vývoj nového typu rekordně přesných hodin, které lze použít například v systémech GPS. Hodně se také mluví o důležitosti tohoto objevu pro vývoj kvantových počítačů, které mohou pracovat diametrálně jinak než dnešní výpočetní technika. Ale ty jsou stále věcí vzdálené budoucnosti. Přesnější je, že nevíme, jak bude aplikace těchto poznatků vypadat. Kvantové optiky by se mohlo v blízké budoucnosti využít například ve zpracování dat. A protože dokážeme spolehlivě a přesně číst i nejmenší možná kvanta světla, mohli bychom také stejným optickým kabelem poslat mnohem více informací najednou. Ve světě, kde data hrají stále důležitější roli, by to nebyl malý úspěch. CHEMIE: JAK SPOLU BUŇKY MLUVÍ V lidském těle jsou miliony buněk mnoha různých podob a funkcí. Aby všechny dokázaly fungovat jako celek, musí se umět domluvit. Naše tělo má proto několik vnitřních komunikačních systémů. Jeden z nejdůležitějších téměř do poslední součástky rozebrali letošní nositelé Nobelovy ceny za chemii. Američané Robert Lefkowitz a Brian Kobilka mají na svém kontě podrobný popis jednoho z hlavních receptorů, díky kterému se buňky dozví, co dělají jejich sousedi a co se od nich žádá. Jde o tzv. receptory spřažené s G proteinem (známé jako GPCR podle anglické zkratky), které Lefkowitz a Kobilka popsali téměř na úroveň jednotlivých atomů. Jejich výsledky našly uplatnění ve vývoji celé řady léků. Lekněme se společně Bez GPCR receptoru se neobejdeme. Díky tomuto „sluchátku“ buňky ví, co se šíří naší neustále velmi čilou vnitřní poštou. Systém se dá do práce, pokud se lekneme. Spustí se kaskáda akcí: mozek nám do těla vyplaví signál, na který zareaguje každá jeho buňka. Nadledvinky zvýší produkci adrenalinu, který zvýší srdeční tep, sníží se přístup krve do žaludku, abychom mohli běžet, roztáhnou se nám zorničky, abychom lépe viděli... Tuto domluvu řídí receptory rodiny GPCR (je jich více typů). Díky nim si buňky správně přeloží příchozí signál a udělají, co mají. Receptory umožňují také regulaci různých hormonálních pochodů, vnímání pachů (čich), ovlivňují buněčný růst a přenos nervových impulsů. Mají roli u řady nemocí, a tedy i v medicíně. I když jsou jen jedním z necelých deseti typů receptorů v buňkách, cílí na ně téměř polovina moderních léků. Například přípravků na srdeční potíže (beta blokátory) či protizánětlivých léků (antihistaminika). Díky práci obou vědců mohou autoři léků vytvářet sloučeniny, které by se dokázaly na tyto receptory přesně navázat. K tomu je zapotřebí znát co nejvíce detailů. Každý receptor je v podstatě zámek a vytváření nových léků je jako hledání klíčů, které do nich padnou. Čím přesnější je podoba daného klíče, tím účinnější lék bude. Ještě důležitější je, že znalost přesné podoby zámku snižuje nežádoucí účinky léku. Čím přesněji do zámku klíč zapadne, tím menší je pravděpodobnost, že zapadne jinam, a způsobí tak v těle něco nežádoucího. Kvůli vedlejším účinkům přitom končí vývoj většiny slibných látek. Jak k tomu došlo Kobilka a Lefkowitz byli také součástí stejného týmu, který vedl starší z dvojice, Robert Lefkowitz. Vědec narozený v roce 1943, původně se chtěl stát kardiologem, je v oboru proslulý už od roku 1970, kdy Kobilkovi bylo 15 let. Na přelomu 60. a 70. let Lefkowitz jako první objevil receptor GPCR přímo na povrchu buňky. Vědci byli už několik desetiletí přesvědčeni, že podobná „branka“ existuje, ale nemohli ji najít. Receptory jsou z velké části skryté v buněčné membráně, a tak nikdo nevěděl, jak vypadají a pracují. Hypotéz byla celá řada. Lefkowitz dovedl do cíle nápad svého tehdejšího vedoucího a použil k odhalení receptorů radioaktivní látku. Ta se na receptor zjednodušeně přichytí, a pak bude sloužit k odhalení jeho přesné pozice a dalších podrobností. Důležité bylo při tom hlavně provedení, nápad využít zářící látky není sám o sobě tak geniální. Výsledné publikace z roku 1970 založily nový obor vědeckého zkoumání lidského těla. Vědec pak odešel na Dukeovu univerzitu v Severní Karolíně, kde dostal vlastní laboratoř a dál pracoval na stejné problematice. Tam v 80. letech přibyl i mladý lékař Brian Kobilka. Podílel se na práci, při které vědci získali i údaje o pravděpodobném tvaru receptoru pro adrenalin. Vědce překvapilo, že „brána“ pro adrenalin se podobá v té době už známému receptoru u buněk pro vnímání světla (rodopsinu v tyčinkách sítnice). Mohly by mít tyto receptory něco společného, i když mají zcela jiné funkce? Robert Lefkowitz v tu chvíli prý zažil osvícení. Pochopil, že jde o celou jednu třídu komunikačních nástrojů, které mají odlišné funkce, ale vypadají a pracují podobně. Odhalil jeden ze základních komunikačních systémů těla. Dnes už o něm známe spoustu detailů, a máme dokonce i jeho fotografii v akci. A znovu díky letošním laureátům. V roce 2011 uveřejnil tým Briana Kobilky (vede laboratoř na univerzitě ve Stanfordu) v časopise Nature snímky, které ukazují, jak receptor přijímá signál zvenčí od molekuly adrenalinu a předává ho bílkovině uvnitř. Podle Nobelovy komise byla tato studie vyvrcholením desítek let trvající práce, která změnila náš pohled na domluvu mezi buňkami. Nechce to změnu? Práce obou laureátů ale má i jednu okrajovou zajímavost: mohly za ní dostat stejně dobře Nobelovu cenu za medicínu jako za chemii. Což není poprvé a ukazuje to, jak se od Nobelových dob tyto původně tak vzdálené vědy změnily. Podrobná biologie (tj. molekulární biologie) se bez chemie neobejde a pro chemii její organická složka představovala v posledních desetiletích nejrychleji se rozvíjející obor. Kdyby dnes Nobel žil, možná by uvažoval o změně. A tak nás napadlo, jestli by to po něm pojmenovaný výbor neměl udělat za něj. /jj/
