ScienceRoom: S využitím záření dobyla Oxford

Pavlína Novotná pochází z jižní Moravy. Po příchodu na vysokou školu do Prahy chtěla studovat biologicky aktivní systémy. Nakonec si vybrala záhadně znějící Laboratoř cirkulárního dichroismu na Ústavu analytické chemie VŠCHT v Praze a v roce 2011 byla oceněna na konferenci v Oxfordu za nejlepší příspěvek od mladého vědce. V tom samém roce převzala i cenu Josefa Hlávky pro nejlepší studenty a absolventy. 

U většiny technik studujících vlastnosti látek je důležité rozumět tomu, čím se daná látka zkoumá a jaké musí mít vlastnosti. Co je tím studujícím prvkem u cirkulárního dichroismu? 

Studujícím prvkem je cirkulárně polarizované záření (tj. proud fotonů), které se šíří definovaným směrem. Fotony mají na rozdíl od nepolarizovaného záření další vlastnost, kterou nazýváme cirkulární polarizace. Využíváme toho, že jsme schopni záření polarizovat tak, že se stáčí doprava, nebo doleva, a studujeme, jaký je rozdíl v působení na látku pravotočivou a levotočivou formou. 

Záleží u těchto fotonů na jejich energii?

Ano, protože dochází k různému působení na danou látku. Podle velikosti energie rozlišujeme cirkulární dichroismus na takzvaný elektronový, využívající ultrafialovou a viditelnou oblast záření, a vibrační, využívající infračervené záření, kde lze v závislosti na velikosti energie studovat různé funkční skupiny v molekulách.

Kolik laboratoří se věnuje tomuto tématu v Česku a v Evropě?

Česká republika je v tomto směru specifická, protože se zde nachází celkem čtyři skupiny zabývající se touto problematikou, kdy my jsme jediní, kdo se může věnovat právě vibračnímu cirkulárnímu dichroismu. Praha je díky tomu špičkově vybavené centrum a jednotlivé skupiny pojí úzká spolupráce a to i se skupinou teoretických výpočtů v Praze. Avšak srovnáme-li cirkulární dichroismus s jinými spektroskopickými obory využívajícími nějakou formu záření ke studiu látek, je naše komunita menší nejen v Evropě, ale i ve světě.

Když se vrátíme ke studovaným materiálům, můžete s těmito metodami zkoumat všechny druhy látek?

Obecně to možné není, ale lze s tím studovat širokou skupinu látek, které mají určitou specifickou vlastnost, a to, že jsou chirální. Chirální je taková látka, která není ztotožnitelná se svým zrcadlovým obrazem. Příkladem může být například naše ruka. Když položíme naši pravou a levou ruku na zrcadlo, tak se nám je nikdy nepodaří překrýt. K tomu bychom potřebovali jejich zrcadlové obrazy.

Většina látek v lidském těle, kromě těch nejjednodušších, jako například voda nebo oxid uhličitý, jsou chirální. Aminokyseliny nebo cukry se vyskytují v lidském těle jen v jedné své chirální formě. Také většina léčiv musí mít definovanou čistotu vzhledem ke svému zrcadlovému obrazu. I zde slouží metody cirkulárního dichroismu jako účinný nástroj. 

Který materiál jste ve své oceněné práci zkoumala?

V práci jsem studovala systémy pro modely bílkovin, v našem případě to byly kratší řetězce peptidů. Jako první jsem metodou vibračního cirkulárního dichroismu studovala vzájemné působení těchto krátkých peptidů se strukturami, které tvoří membrány v lidských buňkách.

Co bylo na práci nejtěžší?

Studování pomocí vibračního cirkulárního dichroismu je na rozdíl od elektronového cirkulárního dichroismu náročnější, protože vyžaduje vyšší koncentraci látky obsažené ve vzorku, což některé látky příliš neumožňují. Bylo tedy nutné najít takové podmínky, kdy bylo částice ještě možné rozpustit a zároveň bylo reálné sledovat změny ve struktuře jednotlivých membrán.

Čím se zabýváte nyní?

Zkoumáme molekulu bilirubinu. Většina z nás se s ním běžně setkává jako s odpadním produktem v lidské moči. Jeho vysoké hladiny jsou přítomné v našem těle například při žloutence. U novorozenecké žloutenky může jeho hladina v krvi vystoupat až do takové míry, že se začnou poškozovat nervové buňky.

Z jakých součástí se skládá studovaný vzorek?

Součástí systému jsou částice zvané liposomy, které slouží jako model pro membránu buněk. Mají kulovitý tvar s definovanou velikostí a skládají se z dvojvrstvy lipidů. Složení lipidů ve vrstvách se volí takové, aby nejlépe odpovídalo složení v buňkách. Ačkoliv se složení membrán nervových a ostatních buněk příliš neliší, bilirubin je schopen je od sebe rozpoznat a ukazuje se, že významně ovlivňuje strukturu membrán právě u nervových buněk.

A celé se to odehrává ve vodě?

Ideálním prostředím napodobujícím lidské tělo by byla lidská plasma. Ta ale obsahuje příliš mnoho látek. Základem je v našem experimentu voda obohacená o látky udržující stabilní pH a dále je také zachován stejný podíl rozpuštěných solí. Postupně se snažíme přidávat do systému i sérový albumin. Bílkovinu, která má v lidské krvi na starosti přenos většiny látek včetně bilirubinu.

Jaké jsou výhody použití cirkulárního dichroismu pro tento systém?

Naše metoda přináší právě tu výhodu, že bilirubin ovlivňuje membránu buňky pouze jednou svou formou. A my ji můžeme pozorovat a formu interagující a neinteragující vzájemně odlišit. Zároveň, pokud systém zkoumáme pomocí infračerveného záření, tedy pomocí vibračního cirkulárního dichroismu, jsme schopni identifikovat i změny na samotných membránách. Nyní bychom chtěli porovnat naměřená spektra s vypočítanými na základě kvantové teorie.

Máte v plánu v nejbližší době někam vycestovat?

Já jsem se nedávno vrátila. Byla jsem na měsíční stáži v Karlsruhe. Studovala jsem tam tyto systémy nikoliv v roztocích, ale ve vrstvách. Mým hlavním cílem bylo zjistit, jestli se bilirubin orientuje určitým způsobem v membránách, nebo jestli zůstává pouze na jejich povrchu. Celkově jsem se seznámila s chodem jiné laboratoře a mé dojmy byly v tomto ohledu velmi pozitivní. Rozhodně bych v budoucnu ještě někam ráda vycestovala.