Fyziologie a lékařství: Jak se bránit parazitům Nobelova komise pro obor medicína v roce 2015 ocenila výzkumníky, kteří se věnovali nemocem především méně rozvinutého světa. Ceny si rozdělila trojice vědců, kteří lidstvu přinesli lék proti dvěma velmi rozšířeným a nebezpečným infekcím. Američan William Campbell a Japonec Satoši Omura stojí v pozadí vývoje léku proti hlísticím. Tito paraziti jsou pro Čechy možná jen exotickou zdravotnickou raritou, ale ve 20. století projevy nákazy těmito parazity trápily stovky milionů lidí. Vědci dokázali ve vzorku z půdy golfového hřiště nedaleko japonského výzkumného ústavu, kde působili, získat látku nazvanou později Ivermektin. Ten se postupně stal jednou z nejdůležitějších látek v boji proti parazitům a hlavní měrou se zasloužil o to, že nemoci způsobované hlísticemi jsou celosvětově na ústupu a téměř vymýceny. Zajímavou a na Západě poměrně málo známou postavou je třetí oceněná, Číňanka Jou- jou Tchu (anglickou transkripcí Tu Youyou). Tato postavou malá, ale významná čínská chemička je tak trochu „znovuobnovitelkou“. V tradiční čínské medicíně objevila poznámky o účinnosti pelyňku ročního proti horečce a malárii. Čínská vědkyně dokázala určit, která látka v rostlině je vlastně biologicky aktivní. Tak vznikl zatím nejúčinnější a široce používaný lék proti malárii známý jako artemisin. Cesta na jih Její cesta začala v době kulturní revoluce v druhé polovině 60. let, kdy se Čína téměř dokonale izolovala od zbytku světa. Jedním z mála spojenců země byl ale severní Vietnam, který právě bojoval s USA. Vietnamská armáda se ovšem nepotýkala jen s „imperialisty“, ale také s malárií. V boji s touto nemocí údajně ztrácela více mužů než ve střetech s americkou armádou. Nejúčinnějším lékem proti malárii byl chlorochin, objevený během vojenského výzkumu v USA v průběhu 2. světové války. Proti němu si ovšem původce malárie, parazit zvaný česky zimnička (věd. Plasmodium) postupně vyvíjel imunitu, navíc šlo samozřejmě o těžko dostupný lék západní provenience. Mao Ce-tung proto rozhodl přesně k 23. květnu 1967 o vytvoření vojenské jednotky označované jako Jednotka 523, jejíchž 500 vědců mělo najít vhodné prostředky proti malárii. Pracovalo se na třech přístupech: za prvé zabránění samotné infekce (tedy v podstatě přenosu nemoci komáry). Za druhé se skupina soustředila na syntetické sloučeniny, tedy postupy „západní medicíny“. V krátké době jich Číňané vyzkoušeli několik desítek tisíc, úspěch se však nedostavil (a selhal i podobný program v USA). Třetí cestou bylo hledání vhodného prostředku v tradiční čínské medicíně. To byl během kulturní revoluce poměrně oblíbený úkrok, protože země koneckonců neměla ani prostředky ani kapacity na to, aby dovážela či vyráběla vlastní moderní léky. Její skupina prošla zhruba dvě tisícovky receptů, z nichž asi třetina jevila nějaké známky toho, že by mohla účinkovat proti malárii. Zhruba 380 z nich pak vědci vyzkoušeli na myších nakažených malárií. Slibně vypadal i recept s využitím pelyňku, který se v čínské medicíně používal proti horečce. Postupně se podařilo jeho přípravu „vyladit“ a na zvířatech fungoval bezvadně. Prvním lidským pokusným subjektem byla právě Tchu, která prý cítila, že je to její povinnost jako vedoucí skupiny. Když se ukázalo, že látka je neškodná, začaly i zkoušky účinnosti, které předčily očekávání. V roce 1972 se pak podařilo přesně identifikovat, která látka je v pelyňku účinná (budoucí artemisinin, což je forma sloučeniny C15H22O5). Postupně se tak zjistilo, že látka má poměrně nezvyklou chemickou strukturu – obsahuje tzv. peroxidový můstek, který je základem účinku proti zimničce. (Obdoby, které peroxidový můstek postrádají, jsou proti malárii neúčinné.) Abychom nebyli nekritičtí: na hledání a vývoji léku se samozřejmě nepodílela jenom výzkumná skupina, kterou vedla Tchu. Čistý artemisinin se podařilo nejprve získat v jiné laboratoři z vhodnějšího typu pelyňku ročního za pomoci účinnějšího postupu. V každém případě se artemisinin ukázal v klinických zkouškách účinnější než všechny ostatní látky a zhruba od konce 20. století je hlavní léčbou proti malárii. Díky němu se mezi lety 2000 a 2013 celosvětová úmrtnost na malárii snížila o 47 procent, v Africe o 54 procent. Ještě výraznější pokles byl ve skupině těch nejzranitelnějších pacientů, dětí do 5 let, u které se úmrtnost snížila celosvětově o 53 procent (v Africe o 58 procent). I tak nemoc v roce 2013 zabila podle odhadů zhruba 600 000 až 800 000 lidí.
Fyzika: Jak se mění vůně neutrin Druhá na řadě byla fyzika, ve které došlo na ocenění jedné fyzikální „módní“ záležitosti, o níž většina laiků asi neslyšela. Nositeli Nobelovy ceny za fyziku jsou dva experimentální fyzici, kteří potvrdili dlouhodobé podezření a velmi přesvědčivě dokázali, že neutrina se během svého dlouhého života mohou měnit z jednoho typu – odborně se tomu říká vůně – na jiný. (Tento proces se nazývá oscilace, ale to není až tak důležité.) Kadžitův a McDonaldův úspěch se může zdát jako triviální záležitost, ale detekce neutrin je velmi, velmi obtížná. Tyto částice běžnou hmotou kolem nás prolétají neustále, ale „srazí“ se s ní jen zcela výjimečně. Detekce neutrin tak probíhá na velmi citlivých, pečlivě konstruovaných a specializovaných detektorech, kterých je po světě jenom několik. (Arthur B. MacDonald jeden z nich, kanadský SNO, dlouhodobě vede a byl jedním z jeho duchovních otců. Takaaki Kadžita pracoval spíš na interpretaci údajů z japonského detektoru Super-Kamiokande.) Vraťme se ovšem k oceněnému objevu. Náznaky toho, že neutrina mění vůni byly poprvé pozorovány v roce 1960 na experimentu v dole Homestake v Jižní Dakotě. Postupně ho potvrdily další experimenty. Trvalo to ovšem poměrně dlouho, první přesvědčivé výsledky podaly v letech 1998 japonský Super-Kamiokande a v roce 2001 SNO. Velmi zjednodušeně dokázaly, že při pečlivě provedené inventuře některé typy neutrin chybí a jiné přebývají. Je to dané tím, že neutrina během svého letu obrazně řečeno mění kabát. Vznikají při srážkách či rozpadech částic ve třech různých „vůních“, ale ta se postupně mění. Na Zemi pak můžeme vlastně vidět neutrino jiného typu, než které vylétlo od zdroje. (Silným je třeba naše Slunce.) Experimenty letošních laureátů byly první, které přesvědčivě doložily, že výsledky měření se výrazně odlišují od předpovědi bez oscilace – čili naznačují, že teoreticky předpověděná oscilace neutrin skutečnost velmi dobře vysvětluje. Fyzikální důsledek existence proměny neutrina je na pohled trochu nelogický, ale z matematického hlediska z pozorování vyplývalo, že jednotlivé vůně neutrin se liší svou hmotností – což zase znamená, že neutrina vůbec nějakou hmotnost mají. „Pravděpodobnost oscilace závisí na rozdílu hmotnosti neutrin. Pokud by byly stejně, tedy například nulové, oscilace by nenastávaly,“ přibližuje Karel Soustružník z Ústavu částicové a jaderné fyziky důsledky pozorování. Fakt, že neutrina mají hmotnost, byl poměrně velkým překvapením. Dlouho jsme je předpokládali za nehmotné částice. Přitom nevíme, proč by to tak mělo být jinak a jaký princip těmto částicím vlastně hmotnost dává a proč je výrazně nižší než u jiných částic. I proto se neutrina mohou stát velmi zajímavým oknem do světa fyziky, která přesahuje naše současné znalosti. I proto se dnes na neutrina soustředí zájem částicových fyziků a v posledních necelých 20 letech se na ně soustředil zájem mnoha fyziků a fyzikálních experimentů. Zatím jsme ale jen na začátku. Abychom to ilustrovali: vědci například neví, jaká je absolutní hmotnost neutrin (rozhodně je velmi blízká nule). Vědci přesně neví, jak získávají neutrina hmotnost a také vědí, jaký je rozdíl hmotností mezi jednotlivými typy. (Ve skutečnosti je to ještě trochu složitější: ví, že dva ze tří stavů jsou si hmotnostně velmi blízké a že jeden je vyšší než druhá. Třetí stav je jim oběma vzdálenější, ale není jasné, jestli je vyšší nebo nižší.) Objev proměny vůní neutrin také nemá zatím žádný praktický dopad a lze si jen poměrně těžko představit, že by v dohledné době měl. Spíše jde o ocenění základní vědě, základní lidské touze objevovat nové a nepoznané.
Chemie: Jak se staráme o svoji DNA Biochemik Thomas Lindahl si na začátku své vědecké kariéry a půl století před tím, než získal Nobelovu cenu, položil mimo jiné i poměrně jednoduchou otázku: „Jak odolná je DNA?“ Jako chemik dobře věděl, že málokterá sloučenina, zvláště takto komplikovaná, zůstává dlouho beze změny a poškození. Je látka, do které je zapsán život, tedy DNA, skutečně tak výjimečná? Švédský vědec nebyl samozřejmě zdaleka jediný, kdo se takto ptal, vždyť se tato otázka přímo nabízela. Ve většině buněk našeho těla se nachází zhruba dva metry DNA, v níž jsou zapsány prakticky všechny informace, podle kterých je naše tělo postaveno a funguje. Náš genetický materiál je neuvěřitelným způsobem naskládaný do velmi kompaktních „klubek“, aby se do buněk vešel, ale to ho neochrání před celou řadou vnějších a vnitřních vlivů, které DNA poškozují a ničí. Poškozuje ji například voda, tedy sloučenina, které se nelze vyhnout. Lindahl si na začátku 60. let udělal vlastní experimenty a výpočty, které naznačovaly, že naše DNA by měla denně utrpět tisíce vážných poškození, které by se brzy staly „neslučitelnými se životem“. K poškození dochází i samovolně přímo v samotné buňce, bez jakýchkoliv vnějších vlivů. Přitom poškození DNA může vést k řadě problémů, obvykle sice zdaleka zanedbatelných, ale časem nevyhnutelně zcela ničivých a nebezpečných. Třeba ke vzniku nekontrolovaného rakovinového bujení. Zřejmě tedy musí existovat nějaké – a dosti účinné – mechanismy na opravu škod, které v naší genetické paměti vznikají, uvědomil si Lindahl a další. Stejně jako to, že evidentně musí jít o zásadně důležité mechanismy, kterým stojí za to se věnovat. Do zkoumání této otázky se tak postupně pustila celá řada vědců. A mezi nimi i letošní laureáti: Tomas Lindahl (Švédsko), Paul Modrich (USA) a Aziz Sancar (Turecko). Po svém Každý se věnoval trochu jiným otázkám a navzájem nespolupracovali. Lindahl, u kterého jsme začali, byl jeden z těch, kdo celý obor otevřel. Byl mimo jiné prvním, kdo získal a popsal důležité enzymy, které mají na starosti opravy chyb vzniklých během kopírování DNA. (Ovšem dozor nad touto klíčovou činností je několikanásobný a Lindahl neobjevil vše.) I díky jím objeveným kontrolám udělají buňky ve výsledku chybu jen zhruba v jednom z miliard zkopírovaných písmen. Tím však Lindahlův přínos nekončil, otázce oprav DNA se věnoval 35 let a popsal významnou část buněčného arzenálu, který se téhle otázce věnuje. Paul Modrich popsal mechanismus, kterým buňky ověřují, že písmena DNA obrazně řečeno nejsou při kopírování či úpravě přeházena či špatně zapsána. Začalo to tím, že spolu s významným biochemikem Matthew Meselsonem objevil poznávací znamení (byla to nepřítomnost metylové skupiny), podle které bakteriální buňky rozeznávají, na které části zkopírované DNA by mohla být chyba. (U lidí má stejná metylová skupina jiné funkce a mechanismus tu funguje jinak, ale to nechme stranou.) Aziz Sancar zase přesně ukázal, jak se buňky zbavují materiálu poškozeného například ultrafialovým zářením nebo karcinogeny v tabákovém kouři. Popsal, jak buňka pozná a z DNA vystřihne kousky, které jsou poškozeny třeba UV zářením (na tomto příkladu jeho výzkum začal). Otázce se znovu věnoval celé roky a velmi trpělivě a podrobně popsal celý mechanismus nejprve u bakterií a pak u savčích buněk. Dohromady tak všichni tři ocenění významným způsobem přispěli ke vzniku a rozvoji celého oboru zkoumání oprav DNA. To je dnes obor, který sice zatím zásadním způsobem nepřispěl k medicínské praxi (byť třeba vysvětlil, proč některé terapie fungují), ale jeho potenciál není zanedbatelný, třeba v případě hledání terapií proti rakovině. Navíc se bez schopnosti oprav DNA život prakticky neobejde, a tak je její poznání nepochybně velký úspěch vědy a lidského poznání v tom nejzákladnějším smyslu.