Na severu Evropy se během druhého říjnového týdnu předávali tradiční ceny Švédské akademie. I letos se mezi oceněnými objevila celá řada zajímavých prací, které přitom většině laiků zůstávají zcela neznámými, a tak si pojďme představit alespoň nositele cen v oboru přírodních věd. Varujeme ovšem předem, že následující popis bude obsahovat lepek. MEDICÍNA Jak se sami požíráme Některá média si všimla, že letošní seriál vyhlašování Nobelových cen začal s draky. V tiskové zprávě i na samotném oznamování první vyhlašované ceny, kterou je už tradičně cena za medicínu a fyziologii, se totiž objevila ilustrace tohoto mytického zvířete požírajícího vlastní ocas. Představuje totiž jednoduchou a jasnou metaforu pro důležitý objev, který letošní nositel ceny učinil. Je tím Japonec Jošinori Ósumi (anglická transkripce relevantnější ve vědecké literatuře je Yoshinori Ohsumi), který pracoval a stále pracuje na pochopení systému, jenž má v živočišných buňkách na starost rozklad nepotřebných, škodlivých či zbytečných bílkovin – tzv. autofagie. Tento výraz je spojením řeckých slov a znamená vlastně „sebepožírání“. Proto došlo na využití zmíněného draka. Ósumiho práce se zakládá na objevech ze 60. let minulého století, kdy si vědci všimli, že buňky mohou za nepříznivých vnějších podmínek (když nemají potravu) rozkládat některé své vlastní „díly“. Kolem těchto dílů se vytvoří jakési malé sáčky, v nichž pak doputují k recyklaci určené součástky do tzv. lyzozomu. Tam jsou pak prakticky doslova rozštěpeny na součástky, poté využity na udržení chodu životně důležitých buněčných mechanismů. Tedy, takové byly alespoň předpoklady, protože celý proces se kvůli praktickým potížím nedařilo podrobněji prozkoumat. Dokud nepřišel Ósumi a v celé sérii experimentů (primárně na kvasinkách, pak na našich buňkách) během 90. let nedokázal podrobně popsat, které geny tento proces regulují a další podrobnosti. Jeho práce vedla k porozumění důležitosti autofagie pro náš život. Je to velmi rychlý proces, který tělu rychle dodá energii v případě hladovění či jiné zátěže. Může také sloužit k likvidaci virů či bakterií napadajících tělní buňky, pomáhá při řízení správného vývoje embrya, a také samozřejmě slouží k odstraňování „zmetků“, například vadných či poškozených buněčných organel. Objev má i poměrně velký medicínský význam, protože autofagie je spojena s celou řadou vážných nemocí. Její poruchy doprovází Parkinsonovu chorobou nebo cukrovkou II. typu a další onemocnění (často těm charakteristickým pro vyšší věk). FYZIKA Bez pečiva k nepochopení Den po medicíně přišla na řadu fyzika. Při tomto předávání museli draci ustoupit pečivu. Švédský fyzik Thors Hans Hansson, člen Nobelovy komise, se totiž pokusil vysvětlit letošní ceny s pomocí jednoho sladkého šneku, toroidální koblihy a preclíku. Jedlé pomůcky ne úplně pomohly, vysvětlit zaskočeným novinářům v sále (a všem nám ostatním laikům) práci letošních držitelů ceny totiž není vůbec jednoduché. Takže začněme u těch jednodušších faktů, které zvládneme vstřebat všichni: Nobelova cena za fyziku letos zůstane za Atlantským oceánem, ale přitom si ji odnesou Britové. Jejími nositeli jsou David Thouless (polovina ceny), Duncan Haldane a J. Michael Kosterlitz (každý po čtvrtině). Všichni tři jsou narozeni ve Velké Británii (Thouless a Kosterlitz ve Skotsku) a všichni pracovali na rovnicích popisu chování exotických stavů hmoty a změn jejich vlastností. Bohužel, tady už začínají potíže. Všichni tři vědci jsou totiž specialisté na pokročilou matematiku a její aplikaci na fyzikální problémy. Specializovali se především na tzv. topologii, tedy obor, který se zjednodušeně řečeno snaží popisovat plynulé změny v prostoru. A tady je vhodná chvíle pomoci si Hanssonovým pečivem: topologie se snaží například popsat, co se stane, když preclík ohnete, zmáčknete či jinak zdeformujete. Ale pozor, bez toho, abyste ho silou roztrhli: topologie sleduje tzv. spojité deformace. Třeba to, jak můžeme preclík stlačit tak, abyste z něj udělali kouli, ale už ne, jak to vypadá, když ho roztrháte a naházíte kachnám na rybníce. Nám se to nemusí zdát, ale topologové mají spoustu zajímavé práce. Celou řadu problémů lze redukovat na topologické otázky – a letošní laureáti dokázali některé z nich vyřešit. Ploché překvapení V tomto ohledu se jako první do dějin fyziky zapsala dvojice David Thouless a Michael Kosterlitz. V 70. letech přišli s objevem, který možná nevypadá jako něco příliš zajímavého, ale ve skutečnosti otevřel nové dveře ke zkoumání pevných látek. Zaměřili se na tenké placičky, jež lze kvůli rozměrům v podstatě považovat za dvojrozměrné. Podmínky v takových materiálech mohou být velmi výrazně odlišné od toho, na co jsme zvyklí z běžného života. Důvod je na pohled prozaický: atomy se prostě chovají různě, když je jich pohromadě hodně, či naopak málo. Mnohem silněji se pak projevují třeba jevy, které známe jinak jen z kvantového světa a dochází k existenci zcela nečekaných jevů: v tenké vrstvě supravodivé kapaliny například může vzniknout vír, který se bez zásahu zvenčí mohl točit donekonečna. Thouless a Kosterlitz se zaměřili na to co se stane, když se výrazně změní teplota takové tenké „placky“ (některých) krystalických materiálů. Předchozí teorie předpokládaly, že v takových materiálech panuje ohromný chaos, ale Thouless a Kosterlitz spočítali, že by to tak být nemělo. I v „plochých“ materiálech dochází k dramatickým přechodům látek z jednoho stavu do druhého – tedy dějům, jejichž příkladem může být tání ledu (z pevné látky je tekutá s úplně jinými vlastnostmi). Oba fyzikové se ovšem nezabývali přechodem z pevné fáze do tekuté, ale supravodivostí, což je schopnost vodit elektrický proud beze ztrát. Jejich výpočty odpověděly na otázku, jak takové dramatické změny v tenkých materiálech probíhají a proč. Stavěli samozřejmě na práci mnoha fyziků před nimi, ale jejich práce především inspirovala celou řadu odborníků po nich. A dnes se jejich poznatek považuje za jeden z nejdůležitějších ve fyzice pevných látek ve 20. století. Ale David Thouless zdaleka nekončil. Trik jako od kouzelníka V 80. letech dokázal spolu s Duncanem Haldanem vysvětlit jeden velmi záhadný jev, který fyzikům zamotal hlavu. Jde o tzv. kvantový Hallův jev, který na pohled vypadá jako kouzelný trik. Dochází k němu v tenkých vrstvách vodivých materiálů za nízkých teplot. Takový materiál se pak chová trochu pomateně, protože jeho vodivost nabývá jen některých určitých hodnot a žádných jiných (a navíc nezávisí na jiných vlastnostech materiálu). Je to, jako by se vám rychlost auta měnila třeba jen v násobcích čísla 10 – jeli byste 10, 20, 30... atd. a nikdy žádnou rychlostí mezi tím. Jak se ukázalo, k vysvětlení tohoto jevu se skvěle hodí topologie, protože je to výsledek postupných změn, které vedou ke skokové změně vlastností materiálu. Můžete si to představit tak, že materiál je vlastně preclíkové těsto, v němž vznikne jedna díra, pak dvě díry, tři atp. Nikdy to nebude 2 1/2 díry. Náš krátký popis nedělá práci oceněných tak úplně čest, situace byla v mnoha ohledech složitější a jejich práce mnohostrannější (Haldane třeba předpověděl ještě další, zcela nečekané jevy), ale shrnout jejich význam je poněkud jednodušší: velmi výrazně totiž pomohla nastartovat teoretický, experimentální a nakonec i aplikovaný výzkum materiálů se zcela nezvyklými a nečekanými vlastnostmi. Materiálů, které mnohdy zaslouží jinak hodně devalvovanou předponu „super“. Vždyť třeba nejpevnější známý materiál vůbec, grafen, je vlastně příklad takové dvourozměrné „placky“, v daném případě tvořené atomy uhlíku. Existuje proto zcela reálná naděje, že by oceněné předpovědi mohly vést k celé řadě praktických aplikací, například v elektronice či materiálových vědách. CHEMIE Tvůrci ministrojů Stejně jako v úterý, ani ve středu se předávání Nobelových cen neobešlo bez pečiva. Zatímco v úterý ho profesor Thors Hans Hansson použil k tomu, aby laikům vysvětlil, čím se zabývá jedna málo známá vědecká disciplína, ve středu použila pečivo ve své demonstraci chemička Sara Snogerupová, která k sobě složila bagel („housku s dírou uprostřed“) a rohlík. Chtěla předvést jeden ze základních přínosů letošních laureátů k vývoji moderní chemie: vytváření pohyblivých molekul. Tím nemíníme molekuly, které mění svou polohu, ale molekuly, jež mají pohyblivé části – navíc části, které se mohou hýbat na přání, a mohou tedy fungovat jako miniaturní stroje. Molekuly obecně řečeno od přírody tíhnou k vytváření stabilních a víceméně „napevno“ spojených útvarů bez pohyblivých částí, které se úplně náhodně pohybují někde kolem tohoto rovnovážného stavu. V podstatě se zdá těžko představitelné, že by mohly pracovat podle našich pokynů. Už v 50. a 60. letech se sice objevily zprávy o vytváření řetězců navzájem spojených molekul, které se mohly do jisté míry vzájemně volně pohybovat a mohlo by být možné jejich pohyb nějak ovlivňovat. Ale výsledky se dařilo jen těžko napodobit v jiných laboratořích a pro takové molekuly nikdo neviděl vhodné využití, takže šlo spíš o kuriozitu. V roce 1983 ovšem vstoupil na scénu první z letošních laureátů, Francouz Jean-Pierr Sauvage. Ten se původně zabýval něčím jiným (vytvářením fotochemických látek, které dokážou „skladovat“ energii ze světla). Během jednoho experimentu si všiml, že se mu bezděky podařilo volně spojit molekuly. Díky přítomnosti měděného iontu při reakci dokázal, zjednodušeně řečeno, provléknout jednu molekulu kroužkem druhé molekuly. Když se pak „provázek“ jedné molekuly uzavřel do prstence, vznikly tak dva pevně spojené, ale vzájemně pohyblivé prstence. Postup byl navíc velmi efektivní, takže ho další vědci mohli začít rychle používat a vytvářet si vlastní útvary. Postupně tak vznikaly další, podstatně komplikovanější tvary, složené obvykle z několika bílkovin (bílkoviny jsou základní stavební surovina chemických robotů obecně). Ke strojům! Další klíčový díl pro „nanoboty“ dodal Brit Fraser Stoddart. Jeho skupina v roce 1991 připravila součástku dnes nazývanou rotaxan, což je složenina z latinských slov pro kolo (rota) a osu (axis). V podstatě jde o kroužek navlečený kolem „činky“, která je na koncích větší než průměr kroužku. Stoddartův tým navíc připravil systém, jak kroužek donutit, aby se pohyboval na přání mezi dvěma místy po délce osy podle dodané energie (to se podařilo v roce 1994). Stoddartova skupina dokázala tuto součástku využít k vytváření mnoha jednoduchých strojů, třeba molekulárního „výtahu“. Ve spolupráci s dalšími se mu také podařilo vytvořit jednoduchý počítačový čip s 20 kB paměti, proti kterému jsou dnešní počítačové čipy nemotorní obři. Technologie zatím není tak levná a dobře zvládnutá, aby nahradila křemík, ale rozhodně by výhledově mohla výrazně změnit počítačovou techniku. K vytváření skutečně univerzálních nanostrojů ovšem chybělo ještě jedno: vhodný motor. A tak je čas věnovat se práci třetího oceněného, Nizozemce Bernarda Feringy. Máme motor! Vytvoření molekulárního motoru schopného pracovat nepřetržitě jedním směrem se během 90. let jevilo jako zcela logický cíl celé řadě týmů. Nebylo to jednoduché právě kvůli v úvodu zmíněným sklonům molekul k náhodnému pohybu. Právě Feringa byl nakonec podle mínění Nobelovy komise vítězem tohoto závodu. V roce 1999 představil motor, který se díky chytrému designu pohyboval skutečně jen jedním jediným směrem. Zjednodušeně řečeno ozáření UV světlem vedlo k posunu části systému o 180 stupňů, po kterém skočila na místo „ráčna“, jež zabránila návratu molekuly do původní polohy. Po dalším pulzu UV světla se tak celý proces mohl opakovat z nové pozice. První motor nebyl zrovna rychlý, ale vývoj pokračoval. V roce 2014 pak tým představil molekulární motor, který zvládne 12 milionů otáček za sekundu. V další práci předvedl, jak molekulární motory mohou pohybovat objektem zhruba desettisíckrát větším, než jsou samy. Díky práci letošních laureátů (a samozřejmě nejen jich) se dnes s chemickými roboty či nanoboty, což je jistě chytlavější termín, zabývá celá řada výzkumných týmů po celém světě, které přicházejí s celou řadou dovedností. V roce 2013 byl například poprvé předveden miniaturní chemický robot, který dokáže uchopit a spojovat kousky aminokyselin – tedy stavebních dílů bílkovin. Existují další, které dokážou relativně efektivně uskladnit světelnou energii, a tak dále a tak dále. V Česku například existuje specializovaná a vysoce hodnocená laboratoř chemických robotů při VŠCHT známá jako Chobotix, jejímž vedoucím je chemik František Štěpánek. Ten například pracoval na vývoji chemických robotů, které by mohly dopravit léčiva přímo k rakovinovým buňkám pacienta. To je jen jedno z mnoha možných využití, která se pro podobné miniaturní stroje nabízí. Určitě se najdou stovky, možná tisíce dalších, která stojí minimálně za zamyšlení. A nemusí být ani příliš dlouhé: chemické roboty pomalu přerůstají jen laboratoře a nezdá se být daleko doba, kdy vyrazí do praxe. Právě to byl jeden důvod, který ovlivnil letošní výběr Nobelovy komise. Nanoauto je jen jeden z mnoha nanostrojů, které se dnes v laboratořích zkouší. Fungují jen v určitých podmínkách (např. na určité podložce), a nejsou asi úplně prakticky nejužitečnějším strojem, který dnes dokážeme vyrobit, ale jsou snadno představitelné a jsou dobrou pomůckou pro ověřování nutných postupů. /jj/
