Metoda hyperpolarizace nám otevírá cestu k rozluštění tajemství proteinů

Stipendistka Nadace Experientia pro rok 2024 Zuzana Osifová z ÚOCHB AV ČR se chce tuto metodu jako jedna z prvních českých vědkyň naučit. Díky stipendiu bude mít možnost vycestovat na roční zahraniční stáž na prestižní izraelský Weizmannův institut, který jako jedno z mála pracovišť na světě disponuje unikátním vybavením a metodikou využití hyperpolarizované vody. “Hyperpolarizace v NMR spektroskopii je rozjíždějící se vlak a je nejlepší do něj naskočit hned na začátku, protože vás potom odveze hodně daleko,” vysvětluje Zuzana Osifová. Tématem jejího výzkumného projektu bude popsat, jakým způsobem molekuly hydratační vody ovlivňují trojrozměrnou strukturu proteinů, což může posunout další odvětví, jakým je například vývoj léčiv. “Mým cílem je ale také přenést know-how metodiky zpět do Česka a vyučovat ji,” dodává stipendistka.

Za pár měsíců odlétáte na zahraniční stáž na prestižní Weizmannův institut, jaký je to pocit? 

Je to neskutečný pocit. Moc jsem si přála se na Weizmannův institut dostat, ale stále tomu ani nemůžu uvěřit, že se to opravdu stane. Představovala jsem si, jaké by to bylo, kdybych stipendium získala, jak bych se cítila, jaké písničky bych si pustila…

A jakou písničku jste si nakonec pustila? 

Pustila jsem si And the Money Kept Rolling In z muzikálu Evita. Mé představy ale vůbec nedostačovaly těm skutečným pocitům, které nakonec přišly.  

Snad se na mě nebudete zlobit, když prozradím, že když vám manželé Dvořákovi zavolali, že jste stipendium získala, byla jste vážně dojatá.

Pro mě to znamená neskutečně moc a jsem z toho pořád úplně perplex. Když mi manželé Dvořákovi zavolali, ani jsem nebyla doma, byla jsem v MHD, měla jsem spoustu těžkých věcí a říkala jsem si, že si aspoň sednu. A dobře, že jsem tak udělala. Nečekala jsem to a moje reakce byla hodně bezprostřední, rozplakala jsem se. Myslím, že jsem paní Dvořákové řekla, že to není pravda, že to je určitě nějaký vtip. Kariérně to pro mě bude velký krok. Moc si toho vážím. 

Na co se těšíte úplně nejvíc?

Nejvíc se těším na laboratorní kulturu, která je úplně jiná než u nás. Na Weizmannově institutu se celá laboratoř věnuje pouze jednomu konkrétnímu projektu, každý pracuje na určité jeho části a skládá se z toho mozaika. V Česku je to naopak, na ÚOCHB jsme mozaiková laboratoř a každý dělá ucelený projekt víceméně sám. Těším se tedy na to, že na Weizmann institutu všichni půjdeme za stejným cílem. 

Proč jste si vybrala právě Weizmannův institut?

Byla to náhoda, dříve jsem se věnovala volnočasově studiu hebrejštiny. Jednou v létě jsem kvůli tomu potřebovala odejít dřív z práce, a tak jsem šla za svým kolegou, který právě zastupoval mého šéfa, jestli by mi to povolil. Když slyšel, proč se chci uvolnit, řekl mi: “A nechtěla bys jet na postdoc do Izraele na Weizmannův institut?” Odpověděla jsem, že jsem o něm nikdy neslyšela. A on mi řekl: “Tam jsem tě vždycky viděl, je to nejlepší pracoviště na světě.” A tak jsem si Weizmannův institut vygooglila. Když jsem viděla ten úžasný kampus, hned se mi to místo zalíbilo. 

A jak padla volba právě na skupinu prof. Frydmana, do které se zapojíte? 

To je jednoduché, protože historka pokračuje: když přijel můj šéf Martin Dračínský z dovolené, řekla jsem mu napůl z legrace, že jsem si našla postdoc, že půjdu na Weizmannův institut. A on řekl: “Výborně, tam je Lucio Frydman, největší odborník na NMR na světě.” (NMR – nukleární magnetická rezonance, pozn. aut.)

Čím se skupina prof. Frydmana zabývá? 

Skupina se zabývá základním výzkumem biofyzikálních dějů a disponuje unikátním vybavením pro využití tzv. hyperpolarizované vody. Tato metoda nám dovoluje zvýšit citlivost NMR spektroskopie a zkoumat tak proteiny v roztocích. Dnes je sice na mnoha místech na světě nedostupná, ale myslím si, že v řádu desítek let bude běžnější, protože umožňuje jedinečným způsobem studovat strukturu a dynamiku proteinů v jejich nejpřirozenějším stavu.  Pokud se jí však chci věnovat dnes, je dobré jít přímo ke zdroji a učit se od expertů.

Zmínila jste, že skupina prof. Frydmana pracuje na jednom velkém projektu a každý má jen určitou část mozaiky, jaká bude ta vaše? 

Moje část mozaiky je popsat, jakým způsobem molekuly hydratační vody ovlivňují skládání proteinů. Představte si, že každý protein má ve své struktuře , jak ji známe v buňkách, přítomné nějaké molekuly vody (tzv. hydratační  voda). Ve chvíli, kdy chceme zkoumat, jak je protein schopný složit se do struktury, ve které se může účastnit biologických procesů v buňce, vliv vody je zásadní. Právě ta jedna tzv. bioaktivní struktura je stabilizovaná vodíkovými vazbami, což jsou vazby mezi atomy vodíku a nějakými elektronegativními atomy, jako je třeba kyslík. V proteinech se často jedná o vazby mezi atomy proteinové páteře, ale tyto vazby nemusí vznikat napřímo mezi dvěma  atomy v páteři, ale můžou být mediovány právě molekulami vody. Voda potom slouží jako takové pojítko v trojrozměrných strukturách proteinů a je tak schopna propojit i ty části proteinu, které jsou od sebe dál. Díky hyperpolarizaci se můžeme podívat, jak protein s vodou interaguje a jak je její přítomností ovlivněna jeho struktura. 

Představuji si ovšem, že první částí vašeho projektu bude seznámit se s metodikou hyperpolarizace? Přeci jen se jedná o komplikovanější experimentální metodu.

Ano, nejdříve se musím naučit pracovat s přístrojem, což není experimentálně vůbec snadné. Kromě klasického NMR spektroskopu musím ovládnout ještě druhý, menší magnet, ve kterém hyperpolarizace probíhá, a magnetický tunel, který tyto systémy spojuje. Tím, že je metoda hyperpolarizace v roztocích v Česku zcela nedostupná, jedu úplně do neznáma. Techniku musím zvládnout perfektně právě z toho důvodu, aby se na výstupní data dalo spolehnout. 

Jak dlouho může trvat, než se s metodikou hyperpolarizace seznámíte?

Když jsem vyplňovala vstupní dokumenty, napsala jsem si na zaučení rok a půl, prof. Frydman mi tu dobu následně zkrátil na tři čtvrtě roku. Obecně bych ale řekla, že v NMR spektroskopii je stále co se učit. Nevím, zda by byl někdo schopen říct, že techniku zvládá od A do Zet. Funguje to spíše tak, že se každý zaměří na jednu oblast, kterou pak ovládá velice dobře, ale když dělá něco jiného, musí nahlédnout do manuálů. Podle webových stránek má také skupina prof. Frydmana velké množství lidí, kteří jsou vedeni jako techničtí pracovníci, což u nás není běžné.

Na čem budete následně pracovat v experimentální části výzkumu? 

Nejprve budeme zkoumat proteiny, které již mají známou, potvrzenou trojrozměrnou strukturu. Na nich budeme provádět experimenty proto, abychom viděli, jak metoda funguje na systémech, které už známe. A poté budeme zkušenosti, která nasbíráme, používat pro systémy, u kterých nemáme představu, jakou trojrozměrnou strukturu budou tvořit. Velice často nás zajímá protein, který má část známou, ale pak má část flexibilní, o níž nemáme žádné informace. 

Na jakou fázi výzkumu se těšíte nejvíc?

Zřejmě nejzajímavější část projektu pro mě spočívá ve studiu proteinů, které se do bioaktivní struktury skládají až v přítomnosti tzv. chaperonů (proteinů, které skládají jiné proteiny, pozn. aut.) My jsme schopni díky vysoké citlivosti hyperpolarizačních experimentů zachytit proces, jakým k tomu bude docházet. To téma se mi líbí proto, že je hmatatelné. Obecně si ale myslím, že pro mou budoucí kariéru bude nejdůležitější samotné ovládnutí metodiky hyperpolarizace. Jedná se o skutečně důležité téma, protože nám může poskytnout chybějící informace v celé proteinové chemii. Dnes nemáme nejmenší ponětí o tom, jak přesně voda ovlivňuje trojrozměrnou strukturu proteinů a bez toho se nemůžeme posouvat v dalších odvětvích, jako je například vývoj léčiv. Metoda jako taková se dá použít na jakýkoliv typ molekul, ať už se jedná o nukleové kyseliny nebo o interakce malých molekul. Hyperpolarizace v NMR spektroskopii v roztoku je rozjíždějící se vlak a je nejlepší do něj naskočit hned na začátku, protože vás potom odveze hodně daleko. 

Váš projekt spadá do základního výzkumu, přesto je jeho aplikační potenciál asi nedozírný… 

Aplikační potenciál této metody je tak velký, že si ho vlastně neuvědomuji. Můj projekt je čistě základní výzkum, který je často podceňován. Bez odpovědí základního výzkumu se ovšem nemůžeme posunout v aplikovaném výzkumu ani v technologickém pokroku. Investujeme peníze do vývoje léčiv, ale málo jich jde do základního výzkumu buněčného dělení, a to je ten problém. Snažíme se stavět dům od druhého patra. Já chci stavět dům od základů, a proto mě v NMR spektroskopii zajímá ze všeho nejvíc právě posouvání metody k ještě lepším výsledkům. 

Jak jste se vůbec dostala k chemii, chtěla jste být vědkyní už odmalička?

Vůbec ne. Já jsem chtěla a pořád chci být spisovatelka. 

Spisovatelka? Co byste chtěla napsat? 

Ráda píšu psychologické drama. Píšu především povídky, které se často v reálném světě odehrávají třeba jen v řádu minut, ale snažím se zachytit to, co se odehrává v myslích lidí, tu bouři emocí. Napsala jsem povídky například do Adventních kalendářů povídek nového českého nakladatelství BRK. Moje povídka je také součástí krásné publikace Bájná knihovna vydané knihovnou Ústeckého kraje. Jednou bych ale chtěla napsat román.

A jak jste se tedy dostala k chemii? 

Chodila jsem na pražské gymnázium Jana Nerudy, což byla skvělá škola, ale hodně těžká. Ani na vysoké škole jsem se neučila tak intenzivně jako tam. Ačkoliv jsem v posledních ročnících gymnázia studovala humanitní sekci, měli jsme dobrého chemikáře. A tak jsem si na humanitní sekci všimla, že mi z nějakého důvodu začala velice dobře jít chemie. Jak mi začala jít, tak jsem zjistila, že mě i hrozně baví. Bylo to v době, kdy se lámal chleba, přihlašovalo se k maturitě, takže jsem na poslední chvíli změnila kurz. Nikdy předtím jsem se nepovažovala za typ studentky na přírodní vědy.

A tehdy jste se rozhodla, že budete vědkyní?

Původně jsem chtěla být paní učitelka chemie. Po gymnáziu jsem proto šla studovat na Přírodovědeckou fakultu Univerzity Karlovy obor Chemie se zaměřením na vzdělávání. Tam mě ale velice začala bavit organická chemie a zjistila jsem, že by to mohla být moje cesta. Naše profesorka mi řekla, že pokud zvažuju magisterské studium, měla bych odejít studovat přímo organickou chemii, protože na katedře didaktiky už mě nemohou ve vědě dál posunout a že by to pro mě byla škoda. Na magistra jsem tedy šla na organickou chemii a došlo k další velké náhodě. Já na jedno oko vůbec nevidím, a tak jsem se bála jít do velké syntetické laboratoře a báli se i vedoucí, nechtěli přijmout odpovědnost za to, kdyby došlo k nějaké nehodě. Už to i vypadalo, že nebudu moct organiku studovat. Doc. Jindřich Jindřich mi ale doporučil, že bych mohla dělat výpočetní chemii nebo právě NMR spektroskopii. Oslovila jsem proto Martina Dračínského z ÚOCHB, který byl velice otevřený a byl ochotný mě přijmout, nebál se. Byla to jedna z životních náhod, ale dnes jsem neskutečně spokojená, že to tak dopadlo. Když jsem u Martina Dračínského studovala dál, byla jsem ráda, že vlastně na jedno oko nevidím, protože jinak bych se nikdy nedostala k NMR spektroskopii. Někdy vnímáte, že se vám něco děje zlého, ale pak zjistíte, že to pro vás bylo ve výsledku dobře.

Umím si ale představit, že práce v NMR spektroskopii musí být s oční vadou také dost náročná. 

Kupodivu, a všichni mí kolegové se tomu smějí, zvládám plnit titěrné NMR kyvety úplně bez problémů. Pomáhá mi haptická paměť a často kolegům z legrace ukazuji, že je dokážu naplnit i za zády. Nebo potmě!

Práce v NMR spektroskopii vás evidentně hodně naplňuje. Čím vás chytla za srdce? 

Na NMR spektroskopii se mi hrozně líbí to, že každý den získáváte nějaký výsledek. Nemusíte jako v případě syntézy čekat, jestli se doopravdy po měsíci práce podaří. Současně je NMR větší nápor na kritické myšlení, zahrnuje luštění spekter, hledání souvislostí. Také mě baví to, že můžu pracovat na více projektech najednou, navíc v rozličných okruzích chemie, což mě nutí udržovat si velice široký teoretický záběr. Velkou zásluhu na mé lásce k NMR má ale i přístup mého školitele Martina Dračínského, práce s ním byla neskutečně inspirující a to mě motivovalo se pořád posouvat a zlepšovat.

Čemu vděčíte za to, že jste se v kariéře dostala že sem a získáváte prestižní stipendium Nadace Experientia?

Má to, řekla bych, dvě roviny. V té první, kterou mohu ovlivnit sama, je to, že jsem poměrně pracovitá a nevzdávám se. Marodění s očima od dětství mě naučilo, že se nikdy nesmím vzdávat, i když je to náročné nebo otravné. Už na gymnáziu Jana Nerudy jsem od útlého věku musela nést zodpovědnost a pomohlo mi to vyvinout se v člověka, jakým jsem dnes. Naučilo mě to, že nic není zadarmo, člověk nesmí být líný, musí tomu dát asi i o tu trochu více než ostatní, ale do toho je třeba mít i štěstí. A to je ta druhá rovina: mít štěstí na lidi. Mám štěstí na rodinu, která mě miluje a podporuje. To, bohužel, také není samozřejmost. Práce s Martinem Dračínským mě zase kariérně neskutečně posunula dál. Jemu vděčím za to, kam jsem se dostala, protože jsem za ním vždy mohla přijít, když jsem potřebovala pomoct, byl pro mě tou jistotou, která vám dovoluje se opřít a povyrůst výš. 

Když jsem se dozvěděla, že jsem stipendium získala, měla jsem obrovskou radost za svoje rodiče a za Martina Dračínského, protože jsem viděla, že jsou na mě opravdu hrdí.

Jaké jsou vaše vědecké plány do budoucna?

Chtěla bych dokončit úspěšně postdoc na Weizmanově institutu a doufám, že se mi tím otevře spousta dalších možností na dalších pracovištích. Pak bych se ale chtěla vrátit zpátky do Česka a přivézt to, co jsem se v zahraničí naučila. Také bych si přála vyučovat NMR spektroskopii. Hodně by mě bavilo mít vlastní studenty a kdyby se mi podařilo být dobrou a inspirující školitelkou, tak, jak jsem to sama zažila, tak bych mohla být se svým životem úplně spokojená.

Už nyní jste ovšem součástí výukového projektu NMR Challenge…

Projekt NMR Challenge, který vymyslel můj školitel Martin Dračínský a rozběhl kolega a kamarád Ondřej Socha, mě neskutečné nabíjí. Jeho podstatou je webová stránka, kde si studenti mohou zlepšovat dovednosti v řešení NMR spekter. Studenti tu namalují chemickou strukturu a dostanou okamžitou odpověď, zda je správná nebo ne. Stal se z toho zcela mezinárodní projekt, protože struktury a NMR spektra jsou všude na světě stejné, luštit je může úplně kdokoliv. Moje práce na projektu spočívá v tom, že sbírám sloučeniny, které mají zajímavá spektra. Pak je všechny měřím a procesuji, abych mohla úlohy nahrávat na webovou stránku. Je to velice úspěšný projekt, v tuto chvíli zde máme přes půl milionu řešení. Rozhodli jsme se ho proto posunout ještě dál, založili jsme sociální sítě, kde natáčím animovaná videa, kde ukazuji časté chyby a vysvětluji, jak to má být správně. Také jsme publikovali článek o nejčastějších chybách, které se vyskytují napříč tisícovkami řešení a na jeho základě sestavujeme doporučení pro učitele NMR spektroskopie, jak změnit výuku v oblastech, kde se často chybuje. Máme výhodu v tom, že máme neskutečně velký data set. Pro jednu úlohu máme až 30 000 řešení, což je o hodně větší vzorek, než má kterýkoli učitel. Na tomto projektu mě baví to, že mi studenti dávají okamžitou zpětnou vazbu. Píšou mi, že jsem je zachránila před nějakou těžkou zkouškou a mám pak skvělý pocit, že to, co dělám k něčemu je. Dává mi to energii pokračovat dál i v ostatních projektech. 

Co děláte, když si chcete od vědy odpočinout? 

Hodně čtu, to mě baví. Navíc, když chci psát, musím hodně číst. Ráda ale také chodím ven s kamarády, na snídaně nebo na pivo či víno. Nechodím často, ale když už jdu, tak jsem tam myšlenkami na sto procent.

Máte nějaký vzkaz nebo tip pro další žadatele o stipendium od Nadace Experientia? 

Je to taková správná soutěž. Líbí se mi, že se stipendium uděluje maximálně dvěma lidem ročně, a odvíjí se to od kvality projektu. V minulosti už se stalo, že jedno stipendium uděleno nebylo. Nikomu to nezaručuje úspěch, díky čemuž si stipendia úplně neskutečně vážím a pořád tomu nemůžu uvěřit. A co bych vzkázala dalším žadatelům? Že se nesmí bát. A jedna praktická rada: je skvělé, když máte někoho, kdo si po vás projekt přečte, ať už školitel na hostitelské instituci nebo zde. Ideální je, když vám projekt přečte jeden odborník na danou oblast, aby vám vychytal chyby a druhý, který ten obor nedělá, aby vám řekl, jestli je to srozumitelně napsané. Stejně tak v případě druhého kola doporučuji, abyste našli někoho, kdo bude ochotný se vám podívat na prezentaci. V mém případě vznikla nad prezentací velice zajímavá diskuse a jsem moc vděčná kolegům z ÚOCHB, že to pro mě byli ochotni udělat.