1. Astronomie Stín černé díry
V jakémkoliv výčtu nelze vynechat výsledek teleskopu Event Horizon Telescope (EHT), který byl veřejnosti představen ve středu 10. dubna (příslušné práce byly vydány současně). Je to první snímek černé díry – či přesněji řečeno jejího bezprostředního okolí, protože černá díra je samozřejmě sama o sobě absolutně černá. „Hvězdou“ snímku, o kterém jsme psali podrobně ve dvou různých článcích, je masivní černá díra v jádru galaxie M87, která leží zhruba 54 milionů světelných let od nás. Hmotnost černé díry se dá určit na přibližně 6,5 miliardy Sluncí, její průměr odpovídá průměru Sluneční soustavy.
Snímek mohl vzniknout díky rychlému technologickému pokroku v oblasti mikrovlnných antén a pozorování. Jiné části spektra se nehodí. Viditelné světlo k nám ze středu galaxií nedoputuje skrz, mezi námi a ním je příliš mnoho hmoty. Rentgenové záření pohltí atmosféra a pozorování v rádiovém spektru nemá dostatečnou přesnost a plete se do něj spousta jiných zdrojů.
Snímek samotný má zatím výrazně nižší rozlišení, než by si vědci přáli, ale jde o první přímé ověření toho, co zatím mohli pouze simulovat (spektakulárně a poměrně přesně například ve filmu Interstellar). Zatím tedy pozorování nepřineslo přelomové výsledky, které by výrazně změnily naše povědomí o vesmíru, ale je to první příklad nového způsobu, jak můžeme pozorovat vesmír kolem nás.
Kde ji najdete: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ab0ec7 (výsledky ovšem shrnuje šest prací jednoduše dostupných z této stránky).
2. Genetika Prime-editing
Tento objev nám nakonec doporučilo do seznamu nejvíce odborníků, odcitujme dvě doporučení:
Jaroslav Petr (Výzkumný ústav živočišné výroby):
K nejvýznamnějším objevům právě uplynulého roku řadím novou techniku genového inženýrství označovanou jako „prime-editing“. Studie s jejím popisem vyšla 21. října 2019 v časopise Nature. Proč zrovna prime-editing?
Žijeme v revoluční době. S objevem nástroje genového inženýrství označovaného jako CRISPR se lidstvu před sedmi lety otevřely netušené možnosti přesně cílených zásahů do dědičné informace nejrůznějších organismů. Mikroby počínaje a člověkem konče. CRISPR nachází uplatnění v mnoha oblastech, od zemědělství až po medicínu.
Enzym CRISPR (zeleně a červeně) se připojuje k dvojité šroubovici DNA (fialová a červená), aby vystřihl její kus.
Celkem dobře se dá pomocí CRISPRu cíleně poškozovat dědičná informace. Kupodivu to může přinášet prospěch a dokonce i uzdravení. Nedávno se podařilo „proděravěním“ genu BCL11A zlepšit zdravotní stav pacientů s vážnými dědičnými chorobami krvetvorby, konkrétně s beta-talasémií a srpkovou anémií.
Hůře už se pomocí CRISPRu vnášejí na vybrané místo dědičné informace nové geny. Postupuje se tak, že se na daném místě DNA nejprve udělá „díra“ a následně se tato díra vyspraví „záplatou“ z nového genu. „Záplata“ se zhusta neuchytí nebo je „našita“ poněkud kostrbatě. To je vážná komplikace pro případy, kdy bychom chtěli u pacienta nahradit poškozený gen jiným, který normálně funguje. Takové postupy neslouží jen k léčbě dědičných chorob, ale daly by se využít třeba k náhradě rizikových variant genů zvyšujících riziko takových onemocnění, jako je rakovina prsu nebo Alzheimerova choroba.
Nový postup označovaný jako prime-editing dokáže vyměnit vybraný úsek DNA za nový s vysokou účinností a spolehlivostí. Pokud se vrátíme k příměru se záplatou, pak je při „prime-editingu“ vnesena do DNA „záplata“ zcela „beze švů“. Je jasné, že taková léčebná úprava DNA je pro pacienta neskonale bezpečnější. Cíleným léčebným zásahům do lidské DNA jsme se tím přiblížili na dosah. Samozřejmě se tím otevřely nové možnosti i pro ty, kteří by chtěli zasahovat do dědičné informace lidských embryí s cílem vylepšit člověka. Ale to už je jiný příběh…
Tomáš Moravec (Ústav experimentální botaniky):
Prime-editing je bomba, o které ještě uslyšíme. S předchozími verzemi CRISPR/Cas9 se dalo dělat mnoho užitečných věcí, ale technicky jednoduché a účinné bylo vlastně jen zničení nějakého genu mutací. Existovaly způsoby, jak nefunkční gen napravit, ale byly komplikované, fungovaly jen v některých buňkách a navíc málo účinně.
Autory napadla na první pohled dost šílená idea, že by mohli spojit vyhledávací schopnost Cas9 se schopností virové reverzní transkriptázy přepsat RNA zpátky do DNA do jednoho velkého enzymu. A kupodivu se ukázalo, že to skutečně funguje. Nový enzym tak dokáže na libovolném místě genomu najít krátkou genovou sekvenci a podle jednoduchého RNA vzoru genom přesně a čistě přepsat. Na medicínské aplikace to možná ještě není dost přesné a účinné, ale pro šlechtění zvířat nebo rostlin je to úplná sci-fi. Prostě nejlepší dárek k Vánocům.
Kde práci najdete https://www.nature.com/articles/s41586-019-1711-4
3. IT Kvantová nadřazenost
Tým společnosti Google 23. října letošního roku v časopise Nature vydal práci, podle které přišla chvíle, kdy dnešní klasické počítače přestaly v některých úlohách stačit počítačům kvantovým. Její 53bitový kvantový počítač si poradil se zvoleným algoritmem mnohonásobně rychleji, než by to dokázal i nejrychlejší současný superpočítač klasického typu.
Fotografie čipu Sycamore
O události jsme psali a zájemce, kteří nechtějí číst samotnou práci, odkazujeme na náš text. Nyní jen krátce dodejme, že daný výpočet nemá žádné reálné využití, kvantový počítač rozhodně není připravený k nějakému nasazení ve větším měřítku a vůbec není jasné, kdy by se to mohlo změnit. V cestě je stále celá řada technických překážek a zatím není jasné, jak je překonat. Kvantové „bity“ jsou velmi křehké a nespolehlivé.
A protože článek vychází na Silvestra, neodpustíme si ani jednu lehčí zmínku. Se zveřejněním práce je navíc spojený i příběh, který dobře charakterizuje některé aspekty dnešní doby. Plánované grandiózní zveřejnění neproběhlo zcela podle plánu – a mohou za to i algoritmy samotného Googlu. Někdo ze spolupracovníků týmu nedopatřením nahrál kopii textu na server NASA určený pro zveřejňování technických zpráv. Byť text zase rychle smazal, vyhledávací „crawler“ Googlu text zachytil. Systém okamžitě poslal kopii každému, kdo měl ve službě sledování vědeckých publikací zaškrtnuto, že chce dostávat novinky z oblasti kvantových počítačů, a zpráva se nezadržitelně rozšířila. Jakže je to s tím soukromím na internetu, Google?
Kde práci najdete: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1666-5
4. Výživa Bakterie proti podvýživě
O bakteriální mikroflóře slyšel v reklamách a asi i u lékaře každý. Všichni se shodují, že bychom svou mikroflóru měli chránit, ale medicínských využití našich rostoucích znalostí o bohatém bakteriálním ekosystému v nás je stále poměrně málo (a o některých je lepší ve slušné společnosti nemluvit). S jedním zajímavým a do budoucna možná extrémně důležitým přišel letos velký mezinárodní výzkumný tým pracující v Bangladéši.
Na základě rozborů bakteriální mikroflóry u lidí s nadváhou a pokusů na zvířatech autoři práce, která vyšla v časopise Science, sestavili speciální jídelníček pro děti trpící následky podvýživy. Byl navržený tak, aby urychlil „dospívání“ bakteriální mikroflóry u malých pacientů, potažmo pak i tempo jejich tělesného vývoje. Autoři ukázali, že jídelníček zahrnující například cizrnu, banány, sóju či burské oříšky mikroflóře těchto dětí pomáhá. V malé klinické studii se ukázalo, že alespoň podle některých zdravotních ukazatelů mají tyto děti větší šanci na zdravý vývoj. Pokud se objev prokáže v dalších zkouškách i mimo nemocnici, vliv tohoto prostého a jednoduchého výsledku by mohl být ohromný. Pro nás jeden z nejsmysluplnějších vědeckých výsledků celého roku, navíc chytrý, elegantní a jednoduchý.
Kde práci najdete: https://science.sciencemag.org/content/365/6449/eaau4732
5. Robotika Jak se naučit utíkat v počítači
Robotická chůze je pověstná svou neohrabaností. Přestože se v posledních desetiletích roboti stále zlepšují, plynulosti nás živočichů zatím nedosahují. My si ani neuvědomujeme, jak obtížná chůze je, kolik vjemů mozek vyhodnocuje a jak přesné musejí být pohyby.
Jak jsme psali v našem článku, naprogramovat podobně složitý systém od „nuly“ v počítači je pro nás nepředstavitelně složité. Bylo tedy jasné, že řešením musí být nějaké „učenlivé“ systémy, které se mohou samy zlepšovat. Extrémně zajímavý a snad i do budoucna užitečný objev demonstrovala letos skupina z ETH Zurich (Spolková vysoká technická škola v Curychu). Švýcarští inženýři zajímavě zkombinovali simulaci, strojové učení a reálná měření. Nejprve naučili chodit matematický model čtyřnohého robota ve virtuálním prostoru. Tohoto „ducha“ pak zkombinovali s „tělem“, tedy s komplexními daty o běhu motorků skutečného robota. Na kombinaci těchto údajů pak natrénovali – stále v počítači – učenlivý algoritmus (neuronovou síť, autoři práce mluví o „aktuátorové síti“), a ten nahráli do robota, který pak skutečně chodil.
Schéma systému pro trénování, simulaci a ovládání pohybů robota ANYmal
Zní to nám laikům možná triviálně, ale je to zatím skutečně zcela výjimečný příklad, kdy se ve „virtuálu“ naučené pohybové vlastnosti podařilo přenést do reality. Jinak řečeno, jde o zajímavý případ toho, jak překlenout propast mezi simulací a realitou. Navíc se zdá, že postup by bylo možné nadále vylepšovat a nakonec vytvořit software, se kterým by se roboti ještě před svým fyzickým „zrozením“ mohli naučit pohybovat ve svém těle do značné míry sami, bez velkých lidských zásahů.
Kde práci najdete: https://robotics.sciencemag.org/content/4/26/eaau5872
6. Astronomie Na gravitační vlně
Michal Bursa (Astronomický ústav):
Kromě článků popisujících první snímek stínu černé díry (viz první bod seznamu) bych na seznam velkých vědeckých prací roku přidal gravitační vlny, které poněkud zapadly do stínu EHT. Zachycení prvního signálu gravitační vlny bylo ohlášeno již v roce 2017 a jakkoli významné bylo z hlediska dosažení tohoto milníku, z pohledu astronomie se mnohem významnější výsledky dostavily až letos.
Od dubna běží třetí pozorovací kampaň gravitačních detektorů LIGO a VIRGO po dalším zvýšení jejich citlivosti. A hned během prvních pár měsíců kampaně zaznamenaly detektory několik úspěchů: zachytily na dvacet gravitačních vln, včetně srážky dvou neutronových hvězd a vůbec prvních několika srážek černé díry a neutronové hvězdy. Právě srážky neutronových hvězd (například v práci zmíněné na začátku) jsou pro astronomy nadmíru cenné, neboť s jejich pomocí chceme získat informace o chování hmoty a hustotách, jaké panují v jádrech atomů a jádrech hvězd, tedy kolem 1015 g/cm3 (miliard tun na centimetr krychlový – pozn. red.). To jsou znalosti, které fyzice chybí a které nelze v pozemských podmínkách experimentálně získat. Přitom jsou klíčové jak pro astronomii, tak pro jadernou fyziku.
Kde práci najdete: https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.9.011001
Optická soustava detektoru LIGO s částí posledního (čtvrtého) tlumiče, na kterém je zavěšena, aby se minimalizovaly okolní vlivy na měření.
7. Medicína: Mezi očkovanými je méně autistů
Letos v květnu spatřila v časopise Annals of Internal Medicine oficiálně světlo světa největší studie zkoumající rozdíl ve výskytu autismu mezi očkovanými a neočkovanými dětmi. Mapovala ohromnou skupinu dánských dětí o celkovém počtu 657 tisíc.
O výsledku jsme psali podrobně, jen ji tedy krátce shrňme: znovu potvrdila to, co od roku 1998 zjistily už desítky studií, a to, že mezi vakcínou MMR a autismem není žádné pojítko (mezi očkovanými nebyl vyšší výskyt dětí s poruchou autistického spektra, ba v tomto konkrétním případě to bylo zřejmě shodou okolností naopak: více autistů bylo mezi neočkovanými). Její rozsah je ovšem bezprecedentní a váha tohoto jediného výsledku by podle nás v každé racionálně vedené diskuzi měla být větší než váha všech argumentů o škodlivosti očkování, které nám jsou známy.
Samozřejmě člověk není tvor zcela racionální, a tak nás ani nepřekvapuje, že diskuze o očkování pokračují i po zveřejnění výsledku vlastně stále beze změny. My v redakci – a předpokládáme, že i autorský tým studie – si myslíme, že takto to přece nemůže pokračovat věčně...
Kde práci najdete: https://annals.org/aim/fullarticle/2727726/measles-mumps-rubella-vaccination-autism-nationwide-cohort-study
8. Paleontologie: Poslední den dinosaurů
V časopise americké akademie věd PNAS letos mezinárodní tým vědců vydal dlouho očekávané výsledky rozboru materiálu z vrtu k dopadovému kráteru, který ukončil druhohory a vyhubil většinu dinosaurů (myslíme na vás, ptáci). Abychom byli přesní, některé analýzy materiálu již uveřejněny byly, letošní práce se týkala jen materiálu přímo z více než stometrové vrstvy, která se uložila během několika desítek hodin od onoho osudného okamžiku před 66 miliony let.
Gravitační mapa oblasti kráteru Chicxulub u mexických břehů. Kráter tvoří několik soustředných kruhovitých hřebenů. Největší má průměr kolem 300 kilometrů, a představuje tak jeden z největších známých kráterů na planetách poblíž Slunce za posledních několik set milionů let.
Průřez materiálem ukazuje, že události byly skutečně dramatické. V záznamu je nejprve patrná během první hodiny usazená zhruba deset metrů silná vrstva suevitu, tedy nataveniny vzniklé díky teplu uvolněném při dopadu. Během několika dalších hodin se pak ve vodou zaplaveném kráteru uložilo dalších osmdesát metrů této horniny, na které pak vracející se tsunami přinesla vrstvu písku a štěrku s výrazným podílem popela z lesů hořících na velké části planety. Usazeniny jsou také poměrně chudé na síru, která se při zahřátí hornin v místě dopadu uvolnila do atmosféry, kde pak ve formě aerosolů nejspíše musela výrazně ovlivnit klima celé planety. Odrážela významnou část slunečního záření a planetu tedy ochladila. Řada poznatků jen potvrzuje, co víme či co jsme tušili z jiných zdrojů, ale řada detailů je také zcela nových.
Kde práci najdete: https://www.pnas.org/content/116/39/19342
9. Genetika Hračka pro rostlináře
Tomáš Moravec (Ústav experimentální botaniky)
Druhá velká bomba dopadla v polovině prosince. Potěší hlavně všechny ty, kteří jako já dělají s rostlinami. Genová editace a syntetická biologie jsou fajn, ale všechno to zatím jede na pár modelových organismech, které se dobře chovají v laboratorních podmínkách a dají se transformovat (dá se do nich přenést gen odjinud). Problém však nastane, jakmile chcete editovat (vylepšovat) něco jiného, takzvaně užitečného. Jde většinou o postupy založené na empiricky vypiplaných přesných dávkách rostlinných hormonů, které fungují často jen na jedné nebo několika málo odrůdách. Navíc je pak zapotřebí ještě dlouhého křížení do nějaké elitní odrůdy.
Tým Daniela Voytase nyní v časopise Nature Biotechnology přichází s dost radikálním novým přístupem, kdy místo hormonů do rostlinné buňky pomocí Agrobacteria rovnou vnese geny, které jsme se původně snažili těmi hormony zapnout. A tyto geny přeprogramují rostlinou buňku tak, že se z ní stane něco jako kmenová buňka – u rostlin se tomu říká meristém nebo česky dělivé pletivo. Asi každý známe schopnost některých rostlin zregenerovat z nějakého malého řízku s pupenem. Tak s touto metodou se takový pupen vytvoří třeba uprostřed listu. A zdá se, že metodu lze používat i bez sterilní laboratoře, jen tak narychlo někde ve skleníku.
Až mám pocit, že objev je příliš úžasný, než aby to byla pravda. Nicméně nějaké náznaky, že by to takto mohlo fungovat, již byly předtím u kukuřice, jen to bylo poměrně komplikované a vymyšlené firmou, takže ne okamžitě dostupné nám smrtelníkům. Navíc je tato laboratoř docela známá svojí solidností.
Všechny nutné informace o postupu jsou volně k dispozici, a protože totéž platí o prime-editingu (viz druhý bod seznamu), už vím, s čím si budeme hrát v lednu a únoru.
Kde článek najdete: https://www.nature.com/articles/s41587-019-0337-2
10. Mikroskopie Pohled opravdu zblízka
Otakar Frank (Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského):
Co nejpřesnější pozorování a popis látek a jevů, které na nich či s jejich účastí probíhají, je jedním ze základních kamenů poznání i technologického pokroku. Ideální je poznat je na úrovni atomů či alespoň molekul. Proto byla tak zásadním objevem elektronová (a později tunelovací) mikroskopie. Ta má ovšem svá omezení: poskytuje jen neúplné informace o interakcích (vibracích) mezi těmito atomy.
Tuto mezeru v našem poznávání hmoty umí částečně zaplnit metoda zvaná Ramanova spektroskopie, ovšem její rozlišení není na zobrazení molekul či atomů dostatečné. Je totiž dané vlnovou délkou světla, tedy řádově několik set nanometrů. Třeba molekula DNA má průměr zhruba dvou nanometrů, atomy jsou samozřejmě ještě o nějaký řád menší.
Hranice Ramanovy spektroskopie v posledních letech částečně posunul rozvoj takzvané hrotem zesílené spektroskopie. Díky ní se podařilo získat informace o objektech o velikosti řádově nanometrů. (Pro „fanoušky“ dodejme, že při této metodě se budící laserové záření svádí na vzorek pomocí stříbrného či zlatého hrotu mikroskopu atomárních sil. Interakce se vzorkem je tak zesílena díky plazmonům v materiálu hrotu. Plazmon je přitom jev, někdy se říká „kvazičástice“, který vzniká ve vrstvách na povrchu kovů, ale podrobněji ho tu vysvětlovat nebudeme).
Vývoj této metody přitom letos dosáhl dalšího milníku – tým pod vedením profesora Ary Apkariana z University of California v práci v časopise Nature posunul rozlišení o další řád, na desetiny nanometru (či chcete-li na ångströmy). Přesněji řečeno, autoři dokázali „místně“ rozlišit jednotlivé vibrace v molekule Co-tetrafenylpofyrinu zmražené na měděné podložce při 6 K. Dosáhli toho pomocí extrémně vylepšené kontroly vzdálenosti hrotu od vzorku (na úrovni několika desetin nanometru), při které již dochází ke kvantovému tunelování plasmonu.
Kde práci najdete: https://www.nature.com/articles/s41586-019-1059-9
