Jiří Šturala: Tvar měnící molekuly se dají využít na lab-on-chip aplikace

Fungují jako Rubikova kostka, stejně jako ona mají mnoho různých kombinací. Proměnlivé molekuly, jejichž výrobě zasvětil Jiří Šturala svoji roční zahraniční stáž na britské Durham University, mají mnoho různých potenciálních aplikací. „Tou zřejmě nejsnáze představitelnou je v poslední době často skloňovaná aplikace lab-on-chip – např. jednoduchá destička, na níž kápnete kapičku krve, a ona vám sérií specifických interakcí vytvoří odezvu, která ve výsledku vyhodnotí váš zdravotní stav,“ vysvětluje Jiří Šturala.

Ve svém výzkumu se věnujete proměnlivým molekulám, které jste připodobnil k Rubikově kostce. Můžete to přirovnání vysvětlit?

Proměnlivé molekuly fungují jako Rubikova kostka, protože tu dokážete také měnit, na každé straně dokážete z barev poskládat mnoho kombinací jenom tím, že kostkou otáčíte. Stejně tak když změníte jednu část molekuly, změníte její celý tvar a ona se následně přizpůsobí prostředí. Proměnlivé molekuly tedy můžeme přirovnat k Rubikově kostce, stejně tak je ale můžeme přirovnat k mikroorganismu, který se adaptuje na prostředí.

Proměnlivé molekuly, které jste zkoumal, se nazývají barbaralany, jaké mají vlastnosti?

Barbaralan je v tomto případě základní, neutrální skelet, který nemá žádný náboj. Molekula, která by měla kýžené vlastnosti vykazovat, je nabitá, jedná se tedy o příslušný barbaralylový kationt. Ten se mění sérií nízkoenergetických přesmyků.

Ve svém projektu jste se snažil o jejich tvorbu a kontrolu. O jak náročný proces se jedná?

Tvorba je zatím samozřejmě obtížnější, protože se jedná o velmi komplexní úkol. Molekula je ve své podstatě jednoduchá, systém přípravy ovšem není úplně tradiční, protože není mnoho molekul, které takové vlastnosti vykazují. Látku si musíte skutečně připravit, to bylo ostatně i cílem projektu. Připravili jsme ji sérií reakcí, většinou jsme se snažili připravit jí katalyzovanou reakcí, která uzavře kruh a vytvoří relativně exotický cyklický uhlíkatý systém. Všechny vazby jsou blízko u sebe a relativně napjaté, takže přesmyknutí molekuly na jinou podobnou je poměrně snadné. Samozřejmě že prvotním designem molekuly dokážeme ovlivnit hodně. Tím, jak molekulu navrhneme, dokážeme určit, jaké vlastnosti bude tato molekula mít.

Kam až jste v rámci svého výzkumu dospěli?

Připravili jsme tvar měnící molekulu, ne plně substituovanou, ale s několika substituenty. Nyní zkoumáme jejich vlastnosti a studie zahrnující dva až tři tyto substituenty už se nachází ve stadiu, kdy výzkum můžeme publikovat.

Jaké jsou možnosti, které tvorba a kontrola proměnlivých molekul otevírá?

Jednou z mnoha aplikací je dnes často skloňovaná aplikace lab-on-chip – např. jednoduchá destička, na níž kápnete např. kapičku krve, a ona vám sérií specifických interakcí vytvoří odezvu, která ve výsledku vyhodnotí váš zdravotní stav, např. řekne, že máte málo cukru v krvi. Jedná se o velmi moderní trend, který se snaží mnoho vědců rozvinout. Přístroje, které dnes zdravotní stav určují, jsou sofistikované, velmi drahé a příliš velké. Lab-on-chip by člověk teoreticky mohl nosit stále s sebou.

Daly by se vaše objevy využít i v jiné oblasti?

Obecně pro jakoukoliv detekci, například i pro jednoduchý senzor na jednu látku, jakou představuje například detekce výbušnin. Diskutuje se také cílený transport léčiv, tzn. že molekula na sebe naváže léčivou látku a jakmile přijde do jiného prostředí, které se liší např. teplotou nebo pH, změní se a vypustí do prostředí látku, která zde zahájí svoji terapeutickou aktivitu. To je ovšem zatím jen teoretická možnost, sem dosavadní poznání ještě zdaleka nedospělo.

Jaký byl důvod, proč jste se vy osobně specializoval právě na tuto oblast chemie?

Byla to netradiční oblast. Také se mi líbila kombinace několika přístupů: nejedná se o čistě syntetickou nebo pouze analytickou práci. V tomto výzkumu potřebujete mít znalost analytických metod, zároveň potřebujete vědět, jak molekulu připravit, namodelovat. Je to sice náročné, ale na druhou stranu je to výzva.

Díky grantu Nadace Experientia jste vycestoval na roční pobyt ve skupině skupina Dr. McGonigala na britskou Durham University. Čím vás vlastně dr. McGonigal původně oslovil?

Jak se rozhodovat při výběru toho, ke komu půjdete? Existují dva různé názory. Buď jdete k někomu, kdo je hodně slavný, anebo můžete jít do nějaké menší skupiny, k někomu méně známému, ideálně mladšímu, což byl můj případ. Dotyčný se vám hodně věnuje a má to výhodu, že vidíte, jak funguje začínající skupina, s čím se musí potýkat, naučíte se psát další grantové žádosti, vybírat alternativní možnosti soutěží atd. Naučit se můžete více, ale má to tu nevýhodu – stáž u slavnějších jmen může usnadnit další kariérní postup.

Na čem pracuje výzkumný tým dr. McGonigala a jakou část výzkumu jste u něj měl na starosti vy?

Výzkum tvar měnících molekul byl hlavním programem jeho skupiny, ale za dobu, co jsem tam byl, se oblast výzkumu trochu posunula i díky článku, který nám vyšel. Výzkumný tým začal více spolupracovat s tamním oddělením fyziky, více se to posunulo do oblasti materiálového výzkumu. Já jsem u dr. McGonigala začal výzkumem tvar měnících molekul, jejich syntézou. Když jsme objevili, že některé z molekul vykazují zajímavé vlastnosti, oddělilo se to do materiálové části a začal jsem pracovat částečně na kapalných krystalech, které by měly také vlastnosti tvar měnících molekul. Přihlásili jsme se do soutěže požádané firmou Merck o využití kapalných krystalů. Zúčastnily se skupiny z celého světa, nás vybrali mezi deset nejlepších. Díky tomu jsem si pobyt v Británii prodloužil o další tři měsíce, kdy jsem se kapalným krystalům věnoval. Dalším benefitem této soutěže bylo poznání, jak pracuje výzkum v průmyslu a na co se také zaměřit při žádostech o granty nebo při prezentacích.

Jak vypadala spolupráce s doktorem McGonigalem? Co jste se od něj zásadního přiučil?

Pochopil jsem, že výzkum skupiny musí být alespoň trochu různorodý – nesoustředit se jenom na jednu možnost, neupnout se na jeden projekt. Také je důležité vybudovat si síť lidí, se kterými spolupracujete. Co se týče vlastní experimentální práce, tam už člověk získává nové znalosti pomaleji, pokud tedy nezmění úplně oblast svého zaměření. Já jsem se chtěl přiučit zejména to, jak se vede začínající skupina, jak se hledají možnosti financování, takže začínající skupina Dr. McGonigala byla dobrá volba. Mimo jiné i proto že on měl za sebou stáž u nobelisty prof. F. Stoddarda, takže i tyto zkušenosti se promítaly do toho, co mě mohl naučit.

A jaké byly vaše dojmy z britské Durham University? V čem se tamní vědecké prostředí liší od českého?

Zatímco my studujeme na inženýra pět let, Britové studují čtyři roky. Skončí dřív, mladší, na druhou stranu bych ale neřekl, že je jejich studentský život snazší, protože oni za studium musí platit. Řekl bych, že my máme výhodu v tom, že studijní obory obsahují velké množství praktických předmětů, a hlavně že se již brzy podílíme na výzkumu nějaké skupiny. Britové se často s reálnou vědou dostanou do styku až v posledním roce svého studia, a to asi jenom na půl roku. Díky tomu my vystoupíme jako inženýři nebo magistři v půli cesty jejich doktorátu, co se praktických dovedností týče, takže zatímco nám stačí jedna postdoktorandská stáž, oni potřebují spíše dvě, aby se doučili praktické dovednosti. Na druhou stranu to, co se u nás zanedbává a u nich je na to kladen větší důraz, je propagace a soft-skills. U nás je studium orientováno na získání výsledků, u nich více na to, jak je prezentovat, to bychom se mohli od nich přiučit. Přesto bych díky této zkušenosti nikdy netvrdil, že je naše školství špatné.

Jaký cíl stáže jste si vytkl, když jste na ni jel?

Jeden z hlavních cílů bylo získání zkušenosti, a to se mi určitě splnilo. A určitě i zdokonalení angličtiny.

Podařilo se vám publikovat část vašeho výzkumu v Journal of American Chemical Society. Čemu se váš článek věnuje?

Při přípravě molekul, které měly mít tvar měnící vlastnosti, jsme používali persubstituované cyklické látky, u kterých jsme si všimli zvláštního jevu. Když byly úplně rozpuštěné, nevykazovaly žádné abnormální vlastnosti. Když ale byly v pevném stavu (např. v krystalické formě, či ve formě agregátů), staly se fluorescenčními. Jedná se o teoretický článek, který vysvětluje, proč tyto látky vykazují tyto zvláštní vlastnosti.

Mnoho stipendistů si svůj zahraniční pobyt prodloužilo, vy jste byl jedním z nich. Dnes už jste ale zpět v ČR. Na čem pracujete a jaké jsou vaše plány do budoucna?

Prozatím plánuji zůstat v akademické sféře, pravděpodobně na VŠCHT Praha. Zde jsem se připojil k projektu nanorobotů. Stal jsem se součástí multidisciplinárního týmu. Cíle projektu jsou vlastně podobné tomu, čemu jsem se věnoval v Británii, jenom se na to jde trochu z jiné strany. A samozřejmě uvažuji, že se v blízké budoucnosti vyčlením a založím si vlastní výzkumnou skupinu.

Můžete na závěr říci, co pro vás osobně znamenal grant od Nadace Experientia a jak vás stáž, na kterou jste mohl díky nadaci vycestovat, kariérně, ale třeba i lidsky posunula?

Je to velmi pěkná a v českém prostředí relativně neobvyklá možnost pro čerstvé absolventy Ph.D. vycestovat do zahraničí a získat zkušenosti. Ocenil jsem, že podání grantu nebylo administrativně náročné. Možností, jak někam vycestovat, není mnoho, obzvláště pokud má mít člověk šanci, že ho někdo přijme. Když ovšem máte peníze na sebe, tak vás přijme téměř každý.

Co byste vzkázal potenciálním žadatelům o grant Nadace Experientia?

Jediný grant, který nezískají je ten, o který nepožádají, ale to platí v životě obecně. Nebát se a zkoušet, to bych vzkázal.

Jiří Šturala

se narodil v roce 1988 ve Vsetíně. V roce 2017 absolvoval Ph.D. studium organické chemie na VŠCHT v Praze u profesora Radka Cibulky. Postdoktorandskou stáž, na kterého Nadace Experientia podpořila ročním stipendiem ve výši 764 000 Kč, absolvoval na britské Durham University. Od ledna 2019 je díky juniorskému grantu od GAČR vedoucí výzkumné skupiny na Ústavu anorganické chemie na VŠCHT Praha. Věnuje se chemii a studiu vlastností 2D materiálů založených na germaniu a křemíku, což jsou těžší analogy grafenu.