Viola Tokárová: Bakterie dokážou řešit matematické úlohy i simulovat dopravu ve městech

V rámci vaší přihlášky do programu L’Oréal-UNESCO Pro ženy ve vědě jste vyzdvihla váš aktuální projekt biočipu určeného k diagnostikování endometriózy. Jak funguje? 

Tento čip využívá křemíkových kvantových teček jako malých, ale velice citlivých senzorů, které na sebe navážou cytokiny, malé signální molekuly přítomné v těle, které upozorňují na zánětlivé onemocnění, jako je i endometrióza. Na povrchu čipu pak máme možnost sledovat navázání těchto cytokinů jako pokles přirozené luminiscence kvantových teček. Mikrofluidní čip by dále využíval mikrostrukturovaného povrchu za účelem zvýšení sledovaného signálu a zadržení malého množství kapalného vzorku. Aplikace takového čipu na včasnou diagnostiku endometriózy by měla obrovský potenciál, jelikož běžné stanovení diagnózy trvá v průměru 7 až 10 let. Endometrióza je přitom chronické zánětlivé onemocnění, které postihuje až 10 procent žen.

Jak se diagnostikovala doposud?

Dnes se nejčastěji využívají zobrazovací metody ultrazvuku nebo magnetické rezonance, ale hlavní metodou pro potvrzení onemocnění je laparoskopie, což je invazivní chirurgický zákrok. Doposud tedy neexistoval žádný „rychlotest“, který by toto onemocnění potvrdil, i když je pravda, že v červenci tohoto roku schválila NICE (National Institute for Health and Care Excellence) využití dvou nových testů ve Velké Británii, u kterých budou v rámci tříletého programu shromažďovány údaje o přesnosti a využití obou metod pro diagnostiku endometriózy.

Co vlastně jsou ty kvantové tečky a jak se vyrábí struktury o velikosti několika atomů?

Kvantové tečky jsou krystaly tvořené z polovodičových materiálů o velikosti jednotek nanometrů a mají jedinečné optické vlastnosti, které lze ladit jak jejich velikostí, tak povrchovou modifikací. Jejich využití můžeme najít v televizorech a displejích (QLED technologie), u fotovoltaiky (solární panely) nebo právě pro detekci v medicínských a biologických vědách. Náš tým využívá křemíkových kvantových teček ve spolupráci s kolegy z Fyzikálního ústavu Akademie věd ČR, Pavlem Galářem a Kateřinou Kůsovou, kteří se jejich syntézou, modifikací a využitím zabývají dlouhodobě. Jejich patentovaná technologie na přípravu křemíkových kvantových teček využívá nízkoteplotního plazmatu a umožňuje jejich kontrolovanou přípravu v různých velikostech. Mimochodem Kateřina Kůsová vyhrála stipendium L’Oréal Pro ženy ve vědě v roce 2013. 

V jakém stádiu vývoje se váš biočip nachází a jaký je jeho potenciál z hlediska transferu do soukromého sektoru?

Ve fázi vývojové. V rámci laboratoře se dlouhodobě věnujeme vývoji mikrofluidních čipů pro různé aplikace, například kontrolovanou syntézu nanočástic i mikročástic, pro studium interakce částic, živočišných a bakteriálních buněk a biofilmů k různým povrchům, adhezi částic pomocí specifické vazby antigen-protilátka, ale taky pro studium buněčného chování v mikro kanálkových prostorách čipu. Jinou aplikací je využití mikrofluidního čipu pro přípravu aktuátorů, mikroskopických robotů schopných vykonávat mechanický pohyb, u jejichž vývoje stála právě i myšlenka na čip schopný detekovat cytokiny. 

Naše mikroaktuátory jsme vyvinuli za účelem studia mechanostimulace buněk předního zkříženého vazu, které při nadměrném natažení uvolňují cytokiny, jejichž koncentraci bychom poté mohli měřit a studovat přímou odezvu na buněčné chování. Po prvotních pozitivních výsledcích věřím, že jsme na dobré cestě k vytvoření takového cytokinového senzoru a jeho aplikace na cytokiny spojené s endometriózou by pak už nebyla natolik vzdálená. Potenciál přenést tyto výsledky do praxe je velký, zejména s ohledem na prevalenci endometriózy a celosvětovou potřebu snížit dobu diagnózy onemocnění, ale taky množství invazivních laparoskopií, které se musí provádět. 

Při vývoji vašeho biočipu se uplatňují postupy a principy povrchového inženýrství, nanotechnologií i mikrofluidiky, nehledě na medicínskou podstatu věci. To máte tak široký záběr, ať už sama nebo v rámci vašeho týmu?

Naše výzkumná skupina, Laboratoř biomimetického inženýrství, využívá pro tvorbu strukturovaných povrchů metod laserové litografie, ale také plazmového leptání, které máme k dispozici. Každopádně je nutné dodat, že téměř žádný projekt neřešíme sami, ale ve spolupráci s kolegy z VŠCHT a dalších českých institucí, jako jsou Univerzita Karlova, CEITEC, Masarykova univerzita, Akademie věd České republiky a další, či se zahraničními partnery, například s McGill University, Medizinische Universität Wien, McMaster University nebo Simon Fraser University. Spolupracujeme zejména s odborníky z vědních oborů, kterým jako chemičtí inženýři tolik nevládneme, jako jsou biochemie, mikrobiologie, organická syntéza, analytická chemie nebo fyzika. U projektů, které mají aplikační potenciál v medicíně, diskutujeme nápady a výsledky i s mediky a doktory.

Na čem dalším pracujete nebo jste v poslední době pracovala?

Jedním z projektů, kterému se věnujeme už několik let, je vývoj umělé česnekové buňky. To si můžete představit jako mikročástici, která má v sobě zapouzdřené dvě složky, enzym alliinázu a substrát alliin, jehož proměnou vznikne produkt allicin, který má silné antimikrobiální účinky a tvoří přírodní antibiotikum s typickou česnekovou vůní. Na rozdíl od syntetických antibiotik má výhodu v tom, že kvůli jeho nízké stabilitě si na něj bakterie nevytvoří rezistenci a zároveň je aktivní i v parní fázi. Tyto částice vyvíjíme pro inhalační doručování léčiv s aplikačním potenciálem léčit infekční onemocnění dýchacích cest. 

V jiném projektu se v rámci spolupráce s McGill University věnujeme vývoji čipů pro využití při biokomputaci. Přirozený pohyb a chování mikroorganismů využíváme k řešení matematických úloh, kdy bakterie zavedené do čipu se exponenciálně množí, postupně prozkoumávají všechny možné cesty, až naleznou řešení daného matematického problému. Jiný čip nám představuje bludiště o různých úrovních komplexity či mapu reálného města nebo budovy a pohyb bakterií simuluje pohyb lidí, aut, lodí a podobně. Takto můžeme modelovat různé dopravní situace, nehody, uzávěrky nebo třeba požár či jinou katastrofickou situaci. Těmto aplikacím říkáme biosimulace.

Jste řešitelka řady projektů v akademickém a veřejném sektoru na národní i mezinárodní úrovni. Liší se přístupy a procesy k hodnocení u různých poskytovatelů? 

Zásadní rozdíl vidím zejména v rozdílnosti projektových žádostí. Žadatel se musí seznámit s často ne úplně jednoduchými systémy pro grantové přihlášky. Zjednodušení, respektive sjednocení některých projektových aplikací napříč agenturami by ulevilo žadatelům od někdy přehnaných administrativních požadavků. Při řešení projektů a vykazování výsledků vidím také citelné rozdíly. Jsou agentury, které nezajímá podrobný popis finančních položek, ale spíš mají zájem o výsledky výzkumu, což pokládám za správné. Jiné instituce naopak řeší až příliš finanční tabulky, což je do určité míry v pořádku. Při hodnocení by se ale měl klást důraz zejména na vědecké poznatky, které byly získány. 

Zároveň se podílíte na projektech se soukromým sektorem. Jak podle vás funguje transfer v Česku? Co by šlo zlepšit?

Byly to spíš menší projekty, kdy nás firma oslovila s konkrétním zadáním. Otázka transferu technologie do praxe je každopádně velice aktuální a situace v Česku se zlepšuje. Na VŠCHT Praha máme Oddělení pro výzkum a transfer technologií, které pořádá různé workshopy a přednášky a snaží se vzdělávat v oblasti duševního vlastnictví a zakládání spin-offů. Když ale současný stav srovnám se západními univerzitami, je co dohánět. V Kanadě, kde máme několik spolupracujících pracovišť, přímo vychovávají studenty k tomu, aby přemýšleli jako podnikatelé a budoucí zakladatelé vlastních startupů. Každý výsledek, který se jim povede získat během studia, je pečlivě zhodnocen, jestli stojí za ochranu duševního vlastnictví v podobě patentu. Existují tam inkubátory, které pomáhají studentům přetavit jejich myšlenky a výsledky v reálný produkt a firmu. 

Nemalou část vaší práce tvoří výuka a vedení tří desítek studentů. Jak to lze skloubit s výzkumem? A jak se žije vědeckému dorostu v Česku?

Můj čas je takto rozdělen a není možné se věnovat jen výzkumné činnosti. Na druhou stranu je komunikace se studenty, příprava na výuku, vymýšlení a zadávání studentských projektů velice obohacující a častokrát u toho vznikají i nápady pro vědecké projekty. Je to taky způsob, jak oslovit studenty k práci na výzkumných tématech, která řešíme v naší skupině. Obecně však pozoruji menší zájem studentů o doktorské studium než v době, kdy jsem byla v jejich pozici. Mám pocit, že čím dál méně mladých lidí má zájem o vědeckou nebo akademickou kariéru a raději preferuje stabilní pozici v průmyslu. I když se s novelou vysokoškolského zákona z minulého roku, která zavedla stabilnější financování a status doktorandů, situace zlepšila, drahé bydlení a obecně rostoucí ceny odrazují mladého člověka od dalšího dlouhodobého studia. 

Ocenění, které jste nyní získala, se jmenuje Pro ženy ve vědě. Jak hodnotíte jejich zastoupení v české vědě?

Zejména ve vedoucích pozicích je dlouhodobě nedostatečné. Důvodem bývají kariérní přestávky z důvodu rodičovských a mateřských dovolených nebo také starostí o starší rodiče, což jsou role, které ve většině případů stále zastupuje ženské pohlaví. A pak bývá náročné se vrátit zpátky. Ženy mají nezřídka nízké sebevědomí a často pocit, že jim „ujel vlak“. Jsem ale ráda, že vznikají nové grantové příležitosti – tzv. návratové granty, které proces návratu do vědeckého a akademického prostředí výrazně zjednodušují. Jsem proto ráda, že existuje soutěž, jako je L’Oréal-UNESCO Pro ženy ve vědě, která zviditelňuje a vypráví příběhy žen ve vědeckém prostředí a otevírá i diskutuje otázku jejich zastoupení. 

Zdroj: L’Oréal-UNESCO Pro ženy ve vědě

Viola Tokárová působí na Vysoké škole chemicko-technologické v Praze. V roce 2017 stála u zrodu Laboratoře biomimetického inženýrství zaměřené na vývoj materiálů inspirovaných biologickými strukturami a inteligentních povrchů, které dokáží omezovat růst bakterií nebo naopak představují vhodné prostředí pro kultivaci buněk. Spolu se svým týmem se také věnuje biokomputaci, tedy využívání mikroorganismů k simulaci komplexních systémů, jako je městská doprava nebo řešení přírodních katastrof.