Oprava DNA „za chodu“ i nitro Marsu. Necovidové vědecké zprávy roku 2021

Rok 2021 se nesl především ve znamení pokračující pandemie nového koronaviru. Týkalo se to i vědy. Vědeckým zprávám tak dominovaly objevy nových variant koronaviru, otázky kolem účinnosti vakcín i vývoj léků proti této nemoci (bohužel ne vždy úspěšný podle našich představ).

Věda ovšem přinesla i celou řadu „necovidových” zajímavostí a novinek. V následujícím přehledu vám chceme představit několik tipů z roku 2021, které stojí za to si připomenout.

V posledních několika letech se inženýrům výrazně zlepšila možnost zasahovat do dědičné informace. Před necelými deseti lety totiž došlo k objevu technologie, která umožnila bezprecedentně přesné a jednoduché zásahy do DNA. Postup dnes známý jako CRISPR je tak zajímavý a důležitý, že loni byly dvě hlavní autorky odměněny Nobelovou cenou.

CRISPR umí něco, co se vědcům dlouho nedařilo: Jednoduše a (poměrně) přesně najít určité místo v DNA a s pomocí vhodného „doplňku“ ho „přestřihnout“ (s dalším vylepšením i snad všelijak upravit). Právě přesnost totiž byla veliký problém. DNA vyspělých organismů je extrémně rozsáhlá; ve většině lidských buněk by jí při rozvinutí do tenkého vlákna bylo na jednotky metrů.

Díky objevu CRISPRu se náhle otevřela technicky velmi jednoduchá možnost připravit nástroj, který může přímo „opravit“ buňky lidí postižených nějakou dědičnou poruchou. Prostě by uměl najít úsek odpovědný za nějakou dědičnou nemoc, „vystřihnout“ ho (výhledově případně i nějak jinak upravit) a dotyčnému se uleví. Celé je to samozřejmě složitější, ale v principu by to tak u některých nemocí mělo fungovat.

Až do roku 2021 šlo ovšem o možnost opravdu jen hypotetickou. Pro CRISPR se našla celá řada extrémně zajímavých a důležitých využití (třeba produkce „protistresových“ rajčat pro japonský trh), ovšem k úpravě DNA přímo v těle živého člověka nikdo tuto metodou nezkoušel. V roce 2021 byly zveřejněny výsledky prvních dvou zkoušek, které se o nápravu přímo v těle pacienta pokoušely. Obě byly rozsahem skromné, byly v nich jednotky pacientů.

V jednom případě byla metoda využita k léčbě jednoho typu amyloidózy, což je typ nemoci způsobené velmi jednoduše řečeno hromaděním „odpadu“ v buňkách. V tomto konkrétním případě buňky kvůli dědičné vadě v DNA vyrábějí jednu konkrétní bílkovinu trochu „pozměněnou“ do takové podoby, které se tělo nedokáže účinně zbavit. Zbytky se v buňkách hromadí a postupně působí čím dál vážnější zdravotní potíže.

Odborníci z dvou amerických firem vyzkoušeli u šesti dobrovolníků na míru „ušitý“ CRISPR systém, který „rozstřihl“ vadné geny. Po čtyřech týdnech od terapie množství této vadné bílkoviny v krvi pacientů kleslo zhruba o 50 až 90 procent v závislosti na tom, jak velkou dávku přípravku dostali. Neznamená to, že by byli zcela vyléčeni (cílem je srazit množství o cca 95 procent), ale pokud výsledek vydrží delší dobu, byla by to pro postižené velká úleva.

V jiné zkoušce se pokusili výzkumníci vylepšit zdravotní stav lidí s postiženým zrakem. Znovu jde o malou skupinu pacientů s velmi specifickou diagnózou (Leberova kongenitální amauróza), kteří mají vadný gen v buňkách sítnice. Od narození tak mají vážnou poruchu zraku. V této zkoušce se po několika měsících u dvou pacientů projevila alespoň nějaká citlivost vůči světlu. Jeden z nich se dokonce mohl poprvé v životě alespoň trochu orientovat zrakem na připravené dráze.

Je to opravdu jen začátek. Výsledky jsou zatím spíše skromné. Výzkumníci se také zatím věnují jen těm technicky nejjednodušším nemocem. Třeba v případě zmíněné amyloidózy vzniká vadná bílkovina pouze v játrech, do kterých lze přípravek poměrně jednoduše dopravit. Obecně řečeno, není klíčová otázka, jak CRISPR dostat ve správném množství na správné místo, vyřešena. I tyto dva výsledky snad dávají naději, že řešení se postupně podaří najít.

Na své poměry rušný rok za sebou má povrch Marsu, který přivítal celou řadu průzkumníků. A nejen to, nově se také podařilo nahlédnout do nitra této planety

Začněme u (doslova) největší novinky: dne 18. února přistálo na povrchu rudé planety vozítko Perseverance agentury NASA. Po přistání Perseverance vypustil malý vrtulník, který později uskutečnil první řízený let lidmi vyrobeného dopravního prostředku na jiném světě.

Po prvním, neúspěšném pokusu, pak v září 2021 rover navrtal a uložil si první z mnoha plánovaných vzorků marsovských hornin, které by v rámci dalších plánovaných letů měly zamířit na Zemi, kde v nich vědci budou hledat stopy přítomnosti života.

Perseverance byl jednou ze tří misí, které měly v roce 2021 dorazit k rudé planetě: Čínské vozítko Ču-žung Zhurong přistálo na Marsu 15. května v rámci mise Tianwen-1. Shromáždilo zde celou řadu geologických údajů z dříve neprozkoumané oblasti severní polokoule planety.

Na samém začátku roku Spojené arabské emiráty v rámci své první meziplanetární mise vyslaly na oběžnou dráhu kolem planety sondu Hope. Ta mimo jiné pořídila zajímavé snímky marsovských "polárních září" - ultrafialových emisí vznikajících při interakci slunečního větru s magnetickým polem planety.

V uplynulých 12 měsících se také objevila celá řada údajů z mise InSight (Vhled) NASA, která na Marsu přistála již v roce 2018. Nemobilní sonda na povrchu Marsu je v první řadě vybavena na zkoumání nitra planety, aby nám tak pomohla odpovědět na otázku, jak vlastně kamenné planety vznikají, co mají společného, a čím se od sebe objekty jako Země a Mars liší.

Mise InSight neměla nejlepší začátek. Jejímu citlivému seismografu se několika měsíců nepodařilo zachytit žádný dostatečně silný otřes půdy, aby mohla nahlédnout hlouběji do nitra planety. NASA také dělalo starosti rychlé usazování prachu na solárních panelech, které snižovalo množství elektřiny, jež měl stroj k dispozici.

Nakonec ovšem vhodné otřesy přišly a InSight tak mohl poskytnout unikátní údaje o podobě marsovské kůry, pláště i jádra. Ukazuje se například, že tekuté jádro Marsu má průměr cca 1 800 kilometrů, a na rozdíl od zemského obsahuje vice lehčích prvků, které v něm pomáhají zadržovat teplo.

InSight stále funguje, během pozemského srpna a září zachytil zatím nejsilnější otřesy, které mohou poskytnout další zajímavé údaje, ale jeho čas se krátí. Podle odhadů NASA na konci roku 2022 nebude již vyrábět dost energie na to, aby jeho přístroje mohly nadále pracovat.

Svůj žebříček velkých vědeckých objevů vydává i jeden ze dvou nejprestižnějších časopisů světa, Science. Ten na první místo dosadil objev, o kterém jsem v minulém roce také několika psali: úspěch umělé inteligence v biologii. Konkrétně práci dvou různých týmů z různých pracovišť, které vědcům celého světa dali k dispozici nové nástroje na zkoumání látek, ze kterých jsou „postaveny“ všechny živé organismy – bílkovin.

Za úspěchem stojí dva týmy, které výsledky zveřejnily v polovině července 2021. Autory objevu jsou skupiny z firmy DeepMind (popis vyšel v časopise Nature), která patří do holdingu Alphabet, tedy do skupiny firem kolem Googlu. Druhý pak tvoří vědci z amerického Washingtonu (v časopise Science).

Podstata objevu je poměrně jednoduchá: softwarové nástroje obou týmů umějí pouze z chemického složení nějaké bílkoviny spočítat, jaký má tvar. Tvar je přitom extrémně důležitý, protože de facto určuje, k čemu daná bílkovina v buňce může sloužit.

Nám laikům to zní asi poněkud banálně, ovšem pro vědce zabývající se tím, jak vlastně fungují živé organismy to může být zásadní posun. Živé organismy jsou to nejsložitější, čím se věda dnes zabývá. Jsou to extrémně dobře „vyladěné“ a složité stroje, ke kterým výrobce zapomněl přibalit konstrukční plány a manuál. Nová technologie sice chybějící dokumentaci rozhodně nedokáže plně nahradit, ale v podstatě nám umožní alespoň sestavit důkladný katalog všech použitých dílů a jejich možných funkcí. A to je velký krok vpřed.

Tento úspěch se dostavil po desetiletích snah a pomalého vylepšování stávajících modelů. Rychlý spád nabraly věci v posledních několika letech. Když o sobě v roce 2018 software společnosti DeepMind nazvaný AlphaFold, dal poprvé vědět, zdálo se, že praktické využití takové technologie je daleko. V roce 2020 už se přesnost AlphaFold v případě jednodušších bílkovin přiblížila výsledkům, které přináší pracné a zdlouhavé zkoumání bílkovin „pod mikroskopem“.

V letošním roce pak jak AlphaFold, tak konkurenční RoseTTAFold ukázali, v čem je síla „umělé inteligence“: když funguje, dá se snadno rozjet ve velkém měřítku. Snad již během několika příštích měsíců bychom měli mít ve vědeckých databázích popsaný pravděpodobný tvar zhruba poloviny všech bílkovin, které pozemský život zatím vytvořil – tedy zhruba 100 milionů bílkovin. Na konci roku 2020 jich bylo popsáno nějakých 180 tisíc.

Je také potěšující, že software je zdarma a volně dostupný pro všechny zájemce. I když proces není zatím rozhodně bezchybný a je na něm co vylepšovat, je velmi pravděpodobné, že v příštích letech se pro něj najde řada fascinujících nových využití.

Pokud vás zajímají podrobnosti, o technologie jsme psali podrobněji v tomto textu. Více se také můžete dozvědět v rozhovoru s českým spoluautorem softwaru společnosti DeepMind. To je i dobrý úvod do problematicky „umělé inteligence“, která v příštích letech bude nepochybně náš život výrazně ovlivňovat.

Zajímavé úspěchy za sebou má využití některých zákonem regulovaných návykových látek v medicíně. Poměrně přesvědčivým úspěchem totiž skončila experimentální léčba posttraumatické stresové poruchy (PTSD) s pomocí látky MDMA (zkratka jinak nepoužitelného výrazu 3,4-methylendioxy-N-methamfetamin) – čili účinné látky drogy známé jako extáze. V listopadu byl pak zveřejněn výsledek jiné studie, která naznačila možný přínos léčby deprese s pomocí psylobicinu, tedy psychedelické látky známé z několika druhů hub.

Především první zmíněný výsledek, podrobně popsaný v časopise Nature Medicine, vypadá v tuto chvíli zajímavě. PTSD vzniká jako následek nějakého silně traumatického zážitku (do dané studie byli například zařazeni voják, který v Iráku ztratil kamaráda, či žena, kterou v dětství zneužíval otec). Medicína dnes nemá mnoho možností, jak lidem v takové situaci pomoci.

Někteří odborníci si ovšem myslí, že pomoci by mohly látky, které mění naše vědomí. V tuto chvíli neexistuje vědecká shoda v tom, jak a proč přesně by to mělo fungovat, a tak nebudeme planě spekulovat. Ostatně to ani pro autory zkoušky není důležité, jak před časem přiznal duchovní otec projektu Rick Doblin v rozhovoru s autorem těchto řádků. Ti chtějí především ověřit, že postup je opravdu účinný – a to se jim zatím daří.

Sezení s asistencí nízkých látek drogy se ovšem zdají být alespoň zatím výrazně účinnější než léčba pouze s pomocí terapie. Po dvou měsících od sezení dvě třetiny lidí, kteří měli sezení doprovázené podáním malého množství MDMA pod dohledem lékaře, nesplňovaly diagnostická kritéria PTSD. Ve skupině, která dostávala placebo, to byla jedna třetina.

Vzhledem k tomu, že možnosti léčby PTSD jsou dnes omezené, mohlo by jít potenciálně o velmi důležitý výsledek. Zatím ovšem extázi v ordinacích nečekejte, schvalování tohoto druhu terapie (tedy kombinace psychoterapie a MDMA) ještě nějakou dobu potrvá. Pokud vše půjde dobře, v USA se dá očekávat v roce 2023, v Evropě ještě o něco později.

Fyziku částic, vědu zabývající se „základními stavebními“ kameny našeho vesmíru, částic, v letošním přehledu tak trochu odbudeme. Příští rok uplyne 10 let od objevu Higgsova bosonu na urychlovači LHC – a obor od té doby tak trochu přešlapuje na rozcestí.

Objevem slavné částice, o které většina z nás nic neví, se uzavřela teorie známá jako tzv. Standardní model. Ta zjednodušeně řečeno vysvětluje vznik, podobu a chování všech známých částic. Výsledky výpočtů na základě Standardního modelu s velkou přesností odpovídají všem měřením. To ostatně ukázal i objev Higgsova bosonu: teoretici experimentátorům dopředu spočítali, jak má částice zhruba vypadat, a ti mohli postavit takový urychlovač, který měl šanci ho najít (tedy měli jen naději, protože teorie nedokázala předpovědět to nejdůležitější: jakou má mít Higgsův boson hmotnost).

Ovšem Standardní model nestačí. Nevysvětluje například povahu tzv. temné hmoty a ani gravitaci. Je to nepochybně velmi úspěšná teorie, ale přitom je tak dokonale kompletní a uzavřená, že vůbec nenaznačuje, kterým směrem se vydat dále.

Ve fyzice existuje celá řada více či méně „divokých“ hypotéz, které míří obrazně řečeno za Standardní model, úplně pro ně však chybí experimentální důkazy. LHC – který rok 2021 prostál v rámci upgradu – dokázal celou řadu z těchto „dohadů“ vyloučit tím, že zatím neobjevil částice či jevy, které tyto hypotézy předvídaly.

Jednou z nejlepších stop možného dalšího směru bádání letos popsal tým pracující na experimentu Muon g-2 v USA. Pro Čechy má trochu matoucí název, protože zkoumá částice česky zvané miony a „muon“ je anglická podoba názvu.

Miony jsou velmi podobné elektronům s tím rozdílem, že jsou cca 200krát těžší. Mají své magnetické pole, které se snaží Muon g-2 měřit s jednoduchým cílem zjistit, zda naměřená hodnota odpovídá tomu, co předpovídá Standardní model.

Experiment letos v dubnu potvrdil, že hodnota této veličiny (tzv. magnetického momentu mionu) se od předpovědi měřitelně liší. Rozdíl je to maličký, ale v současné podobě Standardního modelu pro něj ani tak není místo. Tato drobná „nesrovnalost“ tedy může ukazovat, jakým směrem by se měli fyzikové vydat dále.