Našli vodík. Čeští vědci otevírají novou kapitolu ve zkoumání hmoty

  17:17aktualizováno  18:24
Týmu z Fyzikálního ústavu v Praze se ve spolupráci s francouzskými kolegy podařilo s pomocí proudu elektronů vytvořit unikátně ostrý obrázek molekul. Jejich vylepšená metoda i podle jiných odborníků otevírá možnost zkoumání látek a materiálů, do kterých jsme zatím „neviděli“.

Titulní stránka časopisu Science ze 13. ledna 2017 je ilustrací ke studii česko-francouzského týmu, který s pomocí elektronové difrakce určil polohu jednotlivých atomů vodíku ve zkoumané molekule | foto: AAAS/Science

Pod tímto odstavcem najdete jeden z nejdůležitějších snímků v historii vědy 20. století a zřejmě i vědy vůbec. Byl pořízen v roce 1952 a zachycuje strukturu molekuly DNA. Záznam pořízený Rosalindou Franklinovou vedl pány Cricka a Watsona k navržení modelu struktury DNA, jež stojí v zárodku velké revoluce ve vědách o životě v druhé polovině 20. století.

Snímek DNA, který rentgenovou krystalografií pořídila Rosalind Franklinová....

Snímek DNA, který rentgenovou krystalografií pořídila Rosalinda Franklinová. Vznikl se tak, že se vzorek nechal zkrystalizovat, a pak se pořídil jeho snímek pod rentgenem. I když se to nezdá, je tato metoda nesmírně náročná a vyžaduje ohromně detailní přípravu vzorku. Watson a Crick v ní byli spíše slabí, ale bez této metody by se platnost jejich modelu nedala ověřit. Proto se dnes tak zdůrazňují zásluhy Franklinové o objev struktury DNA.

Proč je snímek tak důležitý

Právě tento snímek stál na začátku přesunu od Mendelem (a samozřejmě i jinými) inspirovaných debat o dědičnosti některých znaků a její možné hmotné podobě až ke genetickým testům ještě nenarozených i těch už dáno žijících. Testům na vzácné či méně vzácné nemoci, testům, které umožňují genetickou diagnostiku nádorů, k tvorbě geneticky modifikovaných organismů a v posledních několika letech snad stále přesvědčivějším pokusům o genetickou léčbu, byť zatím stále experimentální.

Snímek DNA samozřejmě nevznikl s pomocí běžného fotoaparátu, byl pořízen s pomocí rentgenového záření. To znamená, že Franklinová al její doktorand vzorek ozařovali a sestavili snímek roztpýleného záření. Vznikne tak obraz podobný jako u klasického fotofilmu: na citlivé ploše za vzorkem se vytvoří obraz, kde jsou světlejší a tmavší místa podle toho, kolik přilétajících částic krystaly odrazí. Vznikne tak obrázek, ze kterého zkušené oko (a dnes samozřejmě i specializovaný software) může více či méně přesně podle okolností určit strukturu zkoumaného vzorku. Zkoumání pomocí rentgenu - především tzv. rentgenová krystalografie, kdy je ozařovaný vzorek krystalický - je jeden z nejdůležitějších motorů vědeckého vývoje posledního století

Tato metoda samozřejmě použitelná vždy. Rentgenová krystalografie je použitelná pouze pro krystaly, protože jen z těch získáte dost ostrý obraz (z amorfních materiálů získáte jen „rozplizlý“ obraz, který vám nic neřekne). Rentgenové záření také „přehlíží“ příliš malé vzorky, takže zkoumání krystalů menších než zhruba jeden mikrometr je nemožné. To je samozřejmě škoda, protože existují celé třídy zajímavých materiálů (třeba mnohé slibné nanomateriály), které ani přes nejlepší snahu vědců dost velké krystaly netvoří. Samozřejmě jsou k dispozici i jiné metody zkoumání těchto materiálů, třeba klasické snímání elektronovým mikroskopem, ale pro poznání struktury nic lepšího než krystalografii nemáme.

Příliš velký „kulečník“

Vědci samozřejmě poměrně rychle identifikovali vhodné náhradní řešení: použít místo rentgenového záření elektrony. Ty se ve vzorku odrážejí mnohem častěji, a v principu tedy o něm poskytují podstatně více informací. Takzvaná elektronová krystalografie je stará už několik desítek let, ale i přes svůj nesporný potenciál zatím neposkytovala dostatečně přesné výsledky.

Hlavní problém byl podle odborníků hlavně v tom, že elektrony se od vzorku odrážely až příliš ochotně. Řada z nich se odráží vícenásobně a zpětně, a v mnoha případech tak byl neřešitelný problém z jejich drah zjistit, jak se vlastně pohybovaly, a kde tedy co ve vzorku leží. Situaci komplikuje i to, že měření se nedá provádět příliš dlouho. Proud vysokoenergetických elektronů vzorek rychle zničí, a tak musí být měření rychlé a přesné.

Dopady krystalografie

poprvé byla úspěšně vyzkoušena v roce 1912

I když to není metoda úplně pro každého vědce (Watson a Crick sami přiznávali, že jim zoufale nešla), umožnila zkoumání nejrůznějších látek od DNA k nejrůznějším kovovým slitinám. Dosah této metody je ohromný: hrála prominentní roli ve výzkumu zhruba 50 vědců, kteří se během posledních desetiletí podělili o tři desítky Nobelových cen (viz seznam).

Metodu se dařilo postupně vylepšovat a hlavně v posledním desetiletí se začala rozvíjet skutečně slibně. Začátek letošního roku by pak mohl vstoupit do historie jako symbolické datum, kdy dosáhla „dospělosti“. Na stránkách vědeckého časopisu Science se totiž objevila práce, která všechny dosavadní pokroky skládá do působivé demonstrace její nově nabyté přesnosti. Podepsáni jsou pod ní vědci z CNRS v Caen a především lidé z týmu Lukáše Palatinuse z Fyzikálního ústavu Akademie věd.

Ten sám říká, že jejich publikace je pro Science poněkud netypická: „My jsme jen složili dohromady dílčí pokroky a výsledky, které už se všechny objevily jinde,“ říká český vědec. Výsledek je ovšem více než jen součet jednotlivých částí. Jak ukazuje článek, česko-francouzskému týmu se podařilo vůbec poprvé pomocí elektronové krystalografie přesně určit, kde ve zkoumaných molekulách leží atomy vodíku. Pokrok není daný žádným zásadním převratem v použité technice, byl dosažen celou řadou dílčích vylepšení a především díky vývoji nového software, který dokáže data lépe a přesněji zpracovat.

Přesně určení polohy vodíku je především ilustrace přesnosti metody. Vodíky jako nejmenší atomy nebyly zatím ve výsledcích elektronové krystalografie viditelné a jejich poloha se určovala pouze nepřímo. To často není úplně dobré řešení, protože poloha atomů vodíku (např. tzv. vodíkové můstky v organických sloučeninách) v některých případech určuje klíčové chemické vlastnosti dané molekuly. Může se tak stát, že místo látky, která určitou chemickou reakci usnadňuje, budete pracovat s látkou, která na ni buď nebude mít vliv, nebo ji možná bude i utlumovat.

Úspěch nevhod?

Zkoumání elektronové krystalografie se Lukáš Palatinus ve Fyzikálním ústavu věnuje od roku 2009, kdy se vrátil ze zahraničí a dostal možnost založit si vlastní malou skupinu. Ústav mu věřil, i když mladý vědec neměl s metodou žádné zkušenosti a „jen“ věřil jejímu potenciálu: „Tři roky jsme se učili, první opravdu zajímavé a nové publikace přišly pak ještě o pár let později“, říká Palatinus. Dodejme, že FZÚ má ovšem velkou krystalografickou tradici v rentgenovém oboru.

Dnes už má skupina ovšem v oboru slušné jméno, a Lukáš Palatinus tedy nečeká, že by se s první publikací v časopise Science něco zásadního změnilo: „Zájemci o práci se nám ozývají sami už nyní, svou pověst už máme. Ale určitě jsem zvědavý, jestli se to nějak projeví.“

Jen trochu lituje, že zveřejnění vyšlo právě na začátek ledna a to z ryze prozaického důvodu: blíží se totiž uzávěrky vyúčtování grantů. „Měl bych se věnovat spíš vyúčtovávání mezd pro zaměstnance než novinářům,“ říká Palatinus. Už proto, že grantové účtování není nic triviálního: „Když konečně na začátku každého roku znovu podle nových pravidel přijdu na to, jak zaplatit svým lidem výplatu, mám pocit, že to je vrchol mých intelektuálních výkonů, se kterým nesnese srovnání ani publikace v Science,“ dodává s trochou nadsázky.

Na podobných „detailech“ přitom závisí i celá řada jiných vlastností slibných materiálů všeho druhu. „Z mého hlediska jsou data z Lukášovy metody mnohem lepší než rentgenová krystalografie,“ říká jeden z jeho uživatelů jeho postupu a jeho kolega z Fyzikálního ústavu Stanislav Kamba. Jeho skupina právě chystá k publikaci článek o multiferoickém materiálu, ve kterém sledovali změny elektrických a strukturních vlastností při změně teploty - mohl by mít vlastnosti vhodné třeba pro použití v pamětech počítačů - a data z běžné rentgenové krystalografie přinesla v daném případě spíše jen zklamání: „Zjistili jsme z nich jen, že materiál má takové složení, jaké jsme chtěli, ale ne, jak se mění jeho krystalová struktura s teplotou. Z výsledků elektronové difrakce to ale bylo vidět krásně,“ shrnuje Stanislav Kamba.

Jedním dechem pak hned doplňuje, že metoda měla ještě jednu velkou výhodu. Jeho skupina připravila z materiálu větší keramický vzorek, který byl zjednodušeně řečeno vytvořený ze spečených malých krystalků. Ale Palatinus jejich připravený vzorek rozdrtil a jako vzorek mu stačily malé monokrystaly o rozměrech řádově stovek nanometrů. „To je ohromná výhoda, protože připravit velký monokrystal je náročné a také velmi drahé,“ chválí si Stanislav Kamba.

Jeho zkušenosti souzní s tím, co v komentáři k článku Palatinuse a jeho kolegů v časopise Science napsala významná postava oboru Lynne McCuskerová (která se na práci nijak nepodílela). Podle ní je práce česko-francouzského týmu příslibem, že elektronová krystalografie nám během příštích desetiletí přinese stejně mnoho zajímavých informací o materiálech jako rentgenová krystalografie v posledním zhruba půlstoletí. A snad jsme vás přesvědčili, že to bylo několik hodně bohatých desetiletí.

Informace: V článku jsme opravili nepřesný popis práce Rosalindy Franklinové na poznání struktury DNA. Šlo o difrakci přímo na vláknech DNA, nikoliv na krystalu, jak článek původně uváděl. Za nepřesnost se omlouváme.

Autor:

Mohlo by vás zajímat: Černobyl

Černobylská havárie se stala 26. dubna 1986 v černobylské jaderné elektrárně na Ukrajině (tehdy část Sovětského svazu). Vzpomínka na tragédii v těchto dnech oživila televizní minisérie Černobyl.

Téma Černobyl v článcích Technet.cz:
Brzda místo plynu a plyn místo brzdy. To byl Černobyl
Havárie neskončí před rokem 2065. Černobyl polyká tuny vody a miliardy eur
Výbuch roztavil beton a tisícitunový poklop létal vzduchem. Černobyl 1986

Nejčtenější

Scéna jako z hororu. Na střeše mrakodrapu vrtule rozsekala cestující

Havárie vrtulníku N619PA na střeše budovy PAN AM 16.5. 1977

Části zdeformované vrtule se do ulic New Yorku řítily jako smrtící neřízené projektily. Vrtulník společnosti New York...

Třímachový zabiják letadlových lodí Suchoj T-4 byl velkým žroutem rublů

Suchoj T-4

Historie letectví se pozoruhodnými stroji jenom hemží. Jedním takovým byl i sovětský bombardér Suchoj T-4. Vznikl pouze...

Osudový omyl. První a poslední přistání proudového letadla v Olomouci

MiG-21F trupového čísla 0618 s nímž v Olomouci tragicky havaroval kadet Omran...

Bylo mu 23 let, když se u Přerova učil létat na vysoce výkonném letounu Mig-21F. Podcenil však zadání úkolu a při...

Kilogram má novou definici. Jeho fyzická podoba ztratila 50 mikrogramů

Kopie originálu kilogram z Paříže v americké laboratoři Sandia. Podobné vzory

Od 20. května začala platit nová definice kilogramu. Ta již nebude mít fyzickou podobu, ale bude odvozená od pevné...

Do Evropy míří nová značka mobilů. Po krku půjde především Xiaomi

Realme 3 Pro

Na toto jméno si dávejme pozor. Realme není žádný třetiligový čínský výrobce mobilů. Patří pod křídla gigantu, který...

Další z rubriky

Ryby vidí tmu jinak. Český objev z hloubi moří se dostane do učebnic

Beztrnovka stříbřitá má na poměry hlubokomořských tvorů poměrně nenápadný...

Bioložka Zuzana Musilová z Přírodovědecké fakulty se s kolegy „potopila“ do oblasti, která je Čechům obvykle vzdálená:...

Seismický úspěch. Sonda InSight zachytila první marsotřesení

Sonda InSight v konfiguraci, jak bude pracovat na povrchu Marsu. Všimněte si...

Seizmograf na sondě InSight zaznamenal první otřesy, které podle vědců pocházejí z nitra Marsu. O takzvaném...

Co jste si nemohli vykoledovat. Které dinosauří vejce bylo největší?

Obří zkamenělá vejce oviraptorosaurních teropodů spadající pod oorod...

Velikonoce už jsou za námi, pojďme se ještě vrátit k jejich hlavnímu symbolu a představit si největší dinosauří vejce...

Najdete na iDNES.cz