prof. RNDr. Michal Otyepka, PhD.

Když neživé atomy rozhýbou molekuly života

Oběd několika vědců mívá občas překvapivé následky. Například při rozpravě nad talíři vznikne nápad zkoumat chování živých molekul na super tenkých neživých podložkách. Profesor Michal Otyepka z Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci právě na takový projekt obdržel Neuron Impuls v hodnotě jeden milion korun od Nadačního fondu Neuron.

Živou molekulu umístíte na podložku z grafenu. Čím je tento materiál zajímavý pro váš výzkum?
Grafen je laicky řečeno destička z jedné nebo dvou vrstev atomů uhlíku. Je více než 300 krát pevnější než ocel a list grafenu o velikosti fotbalového hřiště by vážil pouze jeden gram. Je to tedy lehká, pevná, mechanicky odolná hmota, navíc mimořádně dobře vede elektřinu, má nízkou úroveň šumu a velkou citlivost na okolí.

Ve svém projektu chcete objasnit chování vlásenkové molekuly ribonukleové kyseliny (RNA) na grafenu. Jaké vlastnosti má zmíněná molekula?
Je docela zajímavá, vytváří totiž krátké tvarově roztodivné útvary, které reagují na elektrické a chemické změny prostředí. Molekula, kterou jsme si vybrali k prvním pokusům, tvarem skutečně připomíná sponku do vlasů. Na ohybu této „vlásenky“ je specifická oblast schopná rozpoznávat bílkoviny ve svém okolí. Mohla by proto sloužit jako senzor v živém organismu. Molekulu vlásenkové RNA jsme zvolili rovněž kvůli tomu, že má ve své struktuře úsek, který je hydrofobní, jinými slovy nemá rád vodu, a může se tedy připojit k povrchu grafenu, který má rovněž podobné vlastnosti. Nicméně se nechceme omezit jen na grafen, ale chceme studovat i jeho deriváty, které lze dispergovat ve vodě (např. grafen oxid), s cílem popsat jejich interakce s dalšími důležitými biomolekulami včetně molekuly života – DNA.

Jak budou experimenty probíhat?
Molekuly naneseme na jedno- nebo vícevrstvý grafen či jeho deriváty. Potom, pomocí mikroskopie atomárních sil, budeme analyzovat jevy na hranici mezi grafenem a RNA. Souběžně proběhnou počítačové experimenty, které pomohou mikroskopické pozorování dále vysvětlit.

Podobné pokusy ale dělají i na jiných pracovištích, v čem je váš přístup unikátní?
Sledujeme chování molekul přímo ve vodném prostředí, takže molekula má díky tomu podmínky velmi podobné jako v živém organismu. Navíc pokusy kombinujeme s počítačovými simulacemi. Dovolím si tvrdit, že na světě je to zcela ojedinělý přístup. Snažíme se ovlivnit chování biomolekul pomocí vlastností atomárně tenkých substrátů. Jednoduše řečeno jsme přišli na to, že molekuly života jako jsou DNA a RNA lze donutit k jakési „tvarové gymnastice“, neboť jsou citlivé k chemické úpravě nebo počtu vrstev ve struktuře grafenu a jeho odvozenin. Nedělají na grafenu zrovna salta či kotrmelce, ale dokáží měnit svůj tvar nebo se organizovat do složitějších struktur. Toto chování může mít zásadní důsledky v budoucích aplikacích v oblasti vývoje tzv. chytrých materiálů.

Jak vás napadlo kombinovat grafen s molekulou RNA?
Šlo tak trochu o náhodu. Během návštěvy v Dánsku jsme se při obědě bavili s kolegou z Aarhuské univerzity. Vyprávěl o pokusech sledujících interakci grafenu s kovy a pak se zmínil, že nyní analyzují biomolekulární systémy ve vodném prostředí. My deset let provádíme simulace biomakromolekul a díky tomu víme hodně i o RNA. Napadlo mě, že by mohla ribonukleová kyselina s povrchem grafenu zajímavě interagovat. Upřímně jsem tehdy netušil, jak obrovské možnosti se tímto výzkumem otvírají.

Jaký přínos bude mít váš výzkum?
Hybridní materiály, například vhodně upravený grafen svázaný s biomolekulou, vypadají velmi slibně pro vývoj citlivých a selektivních senzorů. Nicméně, lze jít ještě dál, hybridní materiály by se mohly použit nejen pro pasivní čtení informací, ale rovněž jako oboustranný komunikátor mezi buňkou a externím okolím. A také je možné uvažovat o jejich využití například v nervových implantátech. Náš výzkum přispěje k objasnění zásadních procesů mezi biomolekulami a grafenem či jeho deriváty ve vodném prostředí na molekulární úrovni. Tyto poznatky najdou jistě uplatnění při vývoji senzorů a jednou snad i neuronálních protéz.

Text a foto: Josef Matyáš