Čeští vědci chtějí chemií světla vytvořit lepší baterie i přesnější léky

Chemie patří tradičně k nejsilnějším českým vědeckým disciplínám. Jedním z těch, kteří linii kvalitního chemického výzkumu v Česku udržují, je i Tomáš Slanina, vedoucí „mladé“ (juniorské) výzkumné skupiny na známém Ústavu organické chemie a biochemie.

Jeho specialitou je kombinace světla a chemie. S pomocí látek, které dokážou reagovat na světlo, chce jeho skupina přijít s novými možnostmi, jak dostat léky v těle pacienta tam, kde nejvíce pomohou, či pomoci skladovat energii z obnovitelných zdrojů.

Vaše skupina má na pohled poměrně široce rozkročené zájmy: od výzkumu léčiv až po nové typy baterií. Co tohle všechno spojuje?

Snažíme se najít nové způsoby, jak používat světlo k ovládání procesu kolem nás – a vlastně i v nás, když jste zmínil léčiva. Navrhujeme různé molekuly, které by v reakci na viditelné nebo infračervené světlo udělaly to, co po nich chceme.

Možností, co mohou takové molekuly udělat, je celá řada. Můžou jen zasvítit, nebo třeba začít uskladňovat energii, případně uvolnit nějakou látku. Proto máme na pohled tak široké zájmy.

Takže vy tedy připravujete molekuly na přání s danými vlastnostmi. Jak to probíhá?

Pracujeme s látkami, které reagují na viditelné světlo, a tak asi nikoho nepřekvapí, že vlastně jde o látky hodně příbuzné barvivům. Nejsou stejné, ale chemicky mohou být často dosti podobné.

Když tedy dostaneme nový nápad na využití, nebo s ním za námi přijde někdo jiný, snažíme se navrhnout na základě předchozích zkušeností látku, která by mohla daný účel splnit. Základním požadavkem přitom je, abychom ji dokázali co nejsnáze vyrobit. Obecně totiž platí, že nejnáročnější část celého procesu je výroba, tedy syntéza, těch látek.

Ovšem protože „repertoár“ vhodných látek není nekonečný a látky odvozené od barviv můžou být velmi málo stabilní. Ona totiž samotná výroba, syntéza těch látek je obecně nejtěžší část celého procesu.

I v laboratoři, nejen v nějakém průmyslovém provozu?

Ano, i v laboratoři. Průmyslová výroba je ještě vlastní disciplína, které se nevěnujeme. My tedy také vlastně některé látky vyrábíme, ale ne ve velkém, jen v laboratoři. Ovšem naše produkty jsou tak specifické, že v některých případech jsme vlastně jediní výrobci na světě, pokrýváme celou světovou spotřebu. Ale to je dáno tím, že jde o látky tak účinné, že jich jsou zapotřebí miniaturní množství, třeba desetiny až jednotky gramů ročně.

O jaké látky jde?

Jsou to například sloučeniny, které kolegové používají pro vysoce rozlišenou mikroskopii k fluorescenčnímu označování konkrétních částí buněk (tj. k tomu, aby dané části buněk pod mikroskopem světélkovaly, pozn.red.)

Já přejdu k jednomu konkrétnímu příkladu, který jste zmínil: využití světla ke skladování energie, na to jste dostal významný grant. Jak má ta solární baterie fungovat?

Nápad uskladňování energie je založený na mém starším výzkumu, ve které jsem zkoumal, jak některé látky - fotokatalyzátory - po ozáření získávají, nebo ztrácejí elektrony. My jsme se to rozhodli proces zdokonalit do té míry, aby vznikla jakási molekulární baterie, která by po vstřebání světla uložila elektrony přímo do své struktury.

V kombinaci s klasickými solárními články by tak měl vzniknout systém, který vyrábí elektrický proud a zároveň funguje jako baterie. To pomáhá stabilizovat dodávku elektrické energie, pokud se mění intenzita slunečního záření, když je proměnlivé počasí.

Pokud by kapacita baterií byla dostatečná, což je v tuto chvíli zatím sen spíš než realita, dalo by se uvažovat i o tom, že takové panely by mohly produkovat elektrický proud i nějakou dobu poté, co už na ně nesvítí slunce. Měly by totiž v sobě nakumulovanou nějakou energii, kterou by postupně uvolňovaly do sítě.

Co brání změně snu v realitu?

To, jak dlouho by panely dodávaly energii, závisí na několika faktorech. Jedním je, jak rychle by se dokázaly vybíjet. Dokážeme je nastavit tak, aby se dokázaly vybíjet poměrně dlouho. Druhá, větší otázka je kapacita. Což u běžného dnešního solárního článku, který tvoří tenké vrstvy, je hodně omezené. Ale až budeme mít funkční směs, můžeme přemýšlet o nějaké změně tvaru či struktury, aby to dávalo větší smysl.

Takže by šlo o nějaký běžný fotovoltaický článek s novou vrstvou, která by fungovala jako baterie?

Ano, mohlo by to tak být. Ještě není jasné, jaké bude nejlepší technické řešení, jestli se přidá další vrstva nebo budou molekulární baterie rozptýlené přímo v aktivním materiálu článku. To je zatím předmětem výzkumu.

Jak daleko jste?

Máme funkční molekuly, které se na světle nabíjejí a vybíjejí. Nejdříve to bylo v roztoku, nyní připravujeme první malé články, které v příštím roce začneme prakticky zkoušet. Jde jen o malé pokusné články, pár centimetrů veliké, nebudeme to dávat nikam na střechu.

Ale je to důležitý krok, protože přechod z kapalného roztoku k pevné směsi není jednoduchý. V kapalině se mohou molekuly volně hýbat, vzájemně do sebe narážet, v pevném stavu už to tolik možné není. Proto je důležité celý systém studovat v experimentálních článcích. Nemusíme v nich pro začátek naměřit žádné velké účinnosti, hlavní je ukázat, že ta myšlenka je životaschopná a v praxi funguje. Pak se může „ladit“ dál.

S jakými solárními články tu baterii kombinujete? Protože to bude mít vliv na případné praktické využití.

To ano. Kombinujeme to s organickými články. Což je vlastně jiný princip fotovoltaiky, než jaký známe. Jde o levné, a ne tak účinné články, které nemají ani velkou trvanlivost.

Nejde o zařízení, která bychom dali na 10 let na střechu a vůbec na ně nemuseli myslet. Organické články mají trvanlivost v řádu měsíců a fungují na jiném principu než klasická fotovoltaika. Nemusí se vůbec jednat o běžné panely, ale jde třeba o barvy či nátěry, které mohou vyrábět elektřinu. Takto by energii mohly produkovat třeba reklamní panely nebo plakáty. Ona by totiž produkce takové barvy vyrábějící elektřinu neměla být o tolik dražší než výroba běžného inkoustu požívaného v tisku. Můžou se použít i na různých dočasných stavbách nebo autonomních systémech, ke kterým by se nemusela zajišťovat dodávka elektřiny.

Tak to bychom měli využití světla ke skladování energie. A jak je to s možnou léčbou, kterou jste zmínil?

Léba pomocí světla může být potenciálně velmi zajímavá. Jedním velkým problémem celé řady léčiv je, že jsou sice účinná, ale ne dost přesná. Tím pádem mají celou řadu vedlejších účinků a lékaři je pak pochopitelně neradi předepisují. Na zlepšení jejich přesnosti a  specifičnosti se hodně pracuje, ale pořád je tam spousta prostoru ke zlepšení.

A jak může pomoci světlo?

K tomu se hned dostanu. Častým důvodem vedlejších účinků je to, že léčivo, které je prospěšné na konkrétním místě v organismu, na jiných místech škodí. Řešením je podat toto léčivo pacientovi v neaktivní formě, a pouze na konkrétním místě jej nějakým způsobem aktivovat, tedy spustit jeho funkci.

Dobrý způsob je lék ‚zabalit‘ do nějaké větší molekuly a uvolnit jej později. My vytváříme takové ‚zabalené molekuly‘, které po osvícení tím správným světlem lék uvolní. Díky tomu můžeme například laserem posvítit na určitou část těla, kde se léčivo selektivně uvolní. V jiných částech těla jsou potom eliminovány vedlejší účinky. To je jeden směr naší práce.

A jaké jsou další?

Je jich víc. Další část výzkumu se například zaměřuje na léky, které nechceme uvolňovat do životního prostředí. To se týká například antibiotik, protože jejich únik do přírody vede ke vzniku odolnosti u bakterií. Zkoumáme, zda by nešel vytvořit takový „vypínač“, který po osvícení slunečním zářením přepne lék do nějaké neúčinné formy, takže v životním prostředí nemůže působit.

Pracujeme i na dalších projektech, třeba systému „chyť a pusť“, tedy vývoji molekul, které by na různé světelné povely dokázaly uvolnit a pak zase vychytávat určité látky v prostředí kolem sebe, a řadě dalších. Zatím je to všechno v začátcích, ale je tam veliký potenciál.

Dnes se světlo používá jen v několika málo terapiích, například na léčbu novorozenecké žloutenky, ale my se všemožně snažíme, aby se to postupně změnilo.