I. Fyziologie a lékařství Jak vzniká jet-lag Proč se nám večer chce spát, ráno vstávat a z cestování jsme tak rozhození? K odpovědi výrazně přispěli tři odborníci ocenění Nobelovou cenou za medicínu pro rok 2017. Jeffrey Hall, Michael Rosbash a Michael Young (všichni se narodili a pracují v USA) objevili genetické mechanismy, které do značné míry řídí chod našich vnitřních hodin. Že je pozemský život přizpůsoben délce pozemského dne, víme už staletí. Již během 18. století si astronom Jean Jacques d’Ortous de Mairan všiml, že mimózy během dne otevírají listy, aby přijímaly sluneční záření, a za soumraku je zase zavírají. Přemýšlel, co by se stalo, kdyby rostlina byla umístěna v neustálé temnotě, a když to vyzkoušel, zjistil, že nezávisle na denním slunečním světle listy pokračovaly ve svém každodenním rituálu, dokud rostlina nezašla. Zdálo se, že rostliny mají vlastní biologické hodiny. Postupně se ukázalo, že také další organismy, včetně lidí, mají vnitřní biologické hodiny, které jim pomáhají předvídat a přizpůsobovat se pravidelnému rytmu dne. Pro jev se začal používat výraz cirkadiánní rytmy, ze složeniny latinských výrazů „circa“ (kolem) a „dies“ (den), tedy v podstatě „celodenní“. Samozřejmě v 18. století neexistovaly postupy, které by umožnily přesně určit, jak celý mechanismus funguje. To do značné míry dokázali až letošní laureáti Nobelovy ceny. Využili objevu ze 70. let, který ukázal, že porucha jednoho určitého genu – nazvaného period – normální denní biologický rytmus narušuje. Hall, Rosbash a Young společně ukázali, že podle tohoto genu se vytváří v buňce látka (bílkovina PER), která se během noci akumuluje a během dne se pak znovu rozkládá. Její množství v buňce tedy kolísá přesně podle obrazu našeho denního rytmu. Hall a Rosbash v dalším velmi elegantním pokusu ukázali, že celý mechanismus funguje opačně, než by se na pohled zdálo: podle genu period vyráběná bílkovina PER je určena k tomu, aby „brzdila“ funkci svého mateřského genu. Ve spojení s další důležitou bílkovinou tlumí činnost genu period během dne a nechává ho naplno pracovat v noci, kdy potřebujeme odpočívat. Michael Young pak v další práci našel ještě další gen, nazvaný doubletime. Podle něj se vyrábí látka, která zase reguluje množství bílkoviny PER. Slouží k „dolaďování“ rytmu tak, aby přesněji odpovídal 24hodinovému dni. Dnes už dobře víme, že díky své vynikající přesnosti naše vnitřní hodiny přizpůsobují naši fyziologii dramaticky odlišným fázím dne. Hodiny regulují kritické funkce, jako je chování, hormonální hladiny, spánek, tělesná teplota a metabolismus. Nesoulad mezi našimi vnitřními hodinami a vnějším prostředím také výrazně přispívá ke stresu – jak to může dosvědčit každý, kdo někdy cestoval přes více časových pásem a zažil „jet lag“. V případě chronického narušování tohoto základního rytmu pak samozřejmě hrozí i zdravotní následky. Ale v tomto ohledu ještě určitě nevíme všechno. Cirkadiánní rytmy jsou stále předmětem velmi intenzivního výzkumu – je to v dobrém smyslu slova móda. Věnuje se mu celá řada týmů a dá se očekávat, že zajímavé a pro praxi relevantní výsledky se budou objevovat ještě roky, ba desetiletí. II. Fyzika Na vítězné gravitační vlně Cenu si odnášejí tři fyzici, kteří pracovali na projektu LIGO, dvojici zařízení na detekci gravitačních vln stojící v USA. Toto extrémně citlivé zařízení (dost možná to byl nejcitlivější experiment vůbec) na podzim roku 2015 zachytilo vesmírný signál, který se nám předtím nikdy nepodařilo pozorovat: gravitační vlny (podrobněji o tom viz náš článek v TT 17, str. 13). Od té doby se pozorování podařilo třikrát zopakovat, naposledy už ve spolupráci s podobným evropským zařízením Virgo, což umožňuje velmi výrazně zvýšit přesnost pozorování a určit, z kterého přesně místa na obloze signál přichází, čímž se značně zvyšuje pravděpodobnost, že se nám děj na místě podaří sledovat i jinými teleskopy. Gravitační vlny jsou „ozvěnou“ velkých gravitačních procesů. Protože gravitace je v porovnání s ostatními základními fyzikálními silami velmi slabá (ale dokáže působit na velké vzdálenosti), jsou i její vlny slabé, téměř neznatelné. První pozorování proto zachytilo (a to ještě ne zcela jasně) jednu z nejdramatičtějších vesmírných událostí, jaké si můžete představit: srážku dvou černých děr. Gravitační vlny dost silné na to, abychom je mohli alespoň teoreticky zachytit, totiž vznikají jen při velkém zrychlení opravdu masivních objektů. Není pochyb o tom, že zachycení těchto vln je jedním z největších úspěchů fyziky posledních desetiletí, zhruba na úrovni potvrzení existence Higgsova bosonu v roce 2012. Fyzici a astronomové nyní poprvé jasně vidí, že existuje nový a zatím nepoužívaný způsob, jak nahlédnout do vesmíru na objekty, které jsme zatím přímo vůbec pozorovat nemohli, například právě černé díry. Kdo to bude? Podobně jako v případě objevu Higgsova bosonu na urychlovači LHC musel mít Nobelův výbor jisté starosti s tím, kdo přesně cenu dostane. Ocenění vznikalo v dobách, které z dnešního pohledu můžeme označit za dřevní – vědci pracovali v malých týmech, poměrně často dokonce v podstatě jako jednotlivci a byli schopni produkovat špičkové objevy. To je dnes téměř vyloučené a vytváření velkých týmů je nezbytností. Na projektu LIGO pracuje více než tisíc odborníků, cenu však mohou dostat maximálně tři. Ovšem volba Rainera Weisse byla asi poměrně jasná. Pokud LIGO má nějakého „otce“, bude to nejspíše on. Weiss postavil první prototyp detektoru a mimo jiné odvedl ohromný kus práce při hledání možných rušivých signálů a způsobů, jak je z měření „odečíst“. To je naprosto klíčové pro úspěch experimentu. LIGO je tak citlivý, že naměří celou řadu signálů na podobné frekvenci jako očekávané gravitační vlny, které naprosto přehluší to, co hledáme. Weiss se svými kolegy připravil velmi komplexní a přitom spolehlivé metody, které umožňují dostatečnou část šumu odstranit. Na Zemi to nejde úplně, a tak zachycený signál není zcela čistý, ale alespoň na detekci vln samotných to stačí. Fyzici doufají, že další gravitační observatoře by mohly vznikat ve vesmíru, kde je rušivých vlivů podstatně méně. Kip Thorne je inspirující teoretik, který ukázal, jak by mohl vypadat signál z astronomických zdrojů a jak citlivý by vlastně detektor měl být, aby měl šanci něco naměřit. Barry Barish se k projektu dostal podstatně později než jeho kolegové, a to zhruba v polovině 90. let. Byl však hybatelem „upgradu“ detektoru LIGO na jeho současnou podobu označovanou jako „Advanced LIGO“, která byla pro úspěch projektu klíčová. Dnes už víme, že detektor ve své původní podobě jednoduše nebyl dostatečně citlivý a nemohl gravitační vlny zachytit. III. Chemie Vidět život při práci Obrázek často nahradí tisíce slov; to ve vědě platí stejně jako kdekoliv jinde. Vědecké objevy často vycházejí z úspěšné vizualizace objektů neviditelných lidským okem. Vzpomeňme již slavný případ objevu skutečné podoby DNA (a to znamená také mechanismu jejího fungování). Nicméně biologické buněčné mapy jsou stále plné bílých míst. Dlouho jsme totiž neměli postup, jak bychom mohli zachytit molekulární stroje, které zajišťují chod všeho živého. Na úrovni celých buněk to bylo lepší, ale dovnitř jsme příliš nedohlédli: používané postupy byly totiž velmi „násilné“ – v podstatě jsme zachycovali jen mrtvé a notně pozměněné buněčné součástky. Pozorovat v „přirozeném prostředí“ molekuly našich těl můžeme díky metodě, kterou během let práce vyvinuli tři letošní nositelé Nobelovy ceny za chemii (samozřejmě za přispění řady kolegů z jejich i dalších týmů, na které se nedostalo): Jaques Dubochet, Joachim Frank a Richard Henderson. Metoda nese název kryoelektronová mikroskopie, a jak je z něj patrné, je spojena s chladem a elektronovými mikroskopy. V podstatě umožňuje zmrazit molekuly v našich buňkách uprostřed pohybu a tak vizualizovat procesy, které jsme dosud nikdy předtím neviděli. To je zcela zásadní pokrok v poznávání života i například ve vývoji nových léčiv. Uvidět bílkov inu a nezabít Elektronové mikroskopy (velmi rozšířený a šikovný nástroj na zobrazování objektů velikosti molekul a atomů) byly dlouho považovány za vhodné pouze pro zobrazování mrtvé hmoty. Zaprvé proto, že předmět, který chcete zkoumat, musíte v běžném elektronu umístit do vakua, což živá hmota samozřejmě nepřežije bez úhony – pravda, celý organismus chvíli vydrží, ale jednotlivá buněčná bílkovina už ne. Ve vakuu se vypaří voda, která je pro molekuly v našem těle přirozeným prostředím. Vzorek tak zcela zásadně změní svůj tvar a fotografie tohoto „vraku“ má málokdy nějakou vypovídací hodnotu. Dalším problémem je, že běžný elektronový mikroskop snímá obrázek tak silným paprskem elektronů, že zkoumaný biologický materiál před dokončením snímku ještě více poničí. Ve výsledku tedy elektronový mikroskop zachytí v případě nitra buněk obrázek, který vůbec neodpovídá tomu, co bychom mohli pozorovat za běžných okolností. Letošní nobelisté vyvinuli způsob, jak tento problém obejít. Joachim Frank pracoval na metodě, která umožnila ubrat na výkonu používaného elektronového mikroskopu, aby vzorek nezničil. Od poloviny 70. let zhruba do poloviny 80. let vyvinul postup zpracování obrazu, který umožnil nezřetelné dvojrozměrné obrazy z elektronového mikroskopu o nižším výkonu „dopočítat“ tak, aby z nich byly patrné dostatečně ostré kontury prostorových objektů. Jacques Dubochet si dokázal poradit s „vodním“ problémem. Na počátku osmdesátých let se mu podařilo připravit vzorky v amorfním ledu. Při tom zjednodušeně řečeno ochladí vodu tak rychle, že led kolem vzorku se strukturou podobá tekutině (zchladne tak rychle, že v něm nevzniknou struktury). Stejně jako běžný led ovšem i amorfní led ve vakuu vydrží a slouží jako ochranný štít kolem vzorku. V praxi prováděl Dubochet zmrazování potápěním snímaného vzorku do etanu ochlazeného tekutým dusíkem na cca −190 °C. A aby byl teplotní přechod opravdu rychlý, vzorek do etanu vystřelili v podstatě malým katapultem. Díky tomu mohou být biomolekuly celou dobu snímání ve svém přirozeném vodním prostředí. Richard Henderson pak přesvědčivě prokázal, že tato metoda má skutečně ohromný potenciál. Patnáct let tvrdošíjně pracoval na způsobu, jak zobrazit přesnou 3D podobu jedné jediné bakteriální bílkoviny (bacteriorhodopsinu), která si díky svým nezvyklým vlastnostem udržela pod elektronovým mikroskopem svůj tvar lépe. (Šlo totiž o molekulu, která se v buněčné membráně bakterií vyskytuje v pravidelných intervalech, a tak při snímkování vznikla difrakční mřížka podobně jako při krystalografii.) Hendersonova práce ukázala, že vývoj metody může mít ohromný dopad a zásadně přispět k našemu poznání mechanismů života. Přesně to se také stalo. V posledních několika letech se kryoelektronová mikroskopie stala již běžnou metodou, díky které můžeme zaznamenávat dokonce i „filmy“ jednotlivých molekul v buňce přímo při práci. Postup je sice stále pracný a má svá omezení, ale vědecká literatura posledních let je plná nově pořízených a nikdy předtím neviděných snímků. Od bílkovin, které dávají mikrobům rezistenci vůči antibiotikům, po molekuly na povrch viru zika. Je to doslova obraz budoucnosti biologie. /jj/
