Klíčové výsledky
První pozorování tzv. sigma-díry
Díky rozsáhlé interdisciplinární spolupráci se vědcům z CATRIN, Fyzikálního ústavu AV ČR, Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR a ostravského centra IT4Innovations podařilo dramaticky zvětšit rozlišovací schopnost rastrovací mikroskopie a z úrovně atomů dohlédnout až na subatomární jevy. Jako první na světě tak přímo v Olomouci pozorovali nesymetrické rozložení elektronové hustoty na jednotlivých atomech halogenových prvků, tzv. sigma-díru. Tím definitivně potvrdili její existenci, která byla teoreticky předpovězena před 30 lety, ale přímé pozorování jevu bylo dlouho nenaplněnou výzvou. Průlomový výsledek srovnatelný s prvním pozorováním černé díry usnadní pochopení chemických reakcí a interakcí mezi jednotlivými atomy a molekulami. Otevírá cestu ke zdokonalení materiálových a strukturních vlastností různých fyzikálních, biologických či chemických systémů. Objev publikoval časopis Science.
Nanokuličky v boji proti covid-19
Nedostatek testovacích sad v první vlně covid-19 přiměl olomoucké vědce k velmi rychlé reakci. Díky dlouholeté zkušenosti ve výzkumu nanomateriálů pro biomedicínské využití vyvinuli v řádu dní magnetické nanokuličky pro testování pomocí metody PCR. Miniaturní částice s magnetickým jádrem a tenkou křemennou slupkou na povrchu, které na sebe dokáží navázat molekuly virové RNA, se staly důležitou součástí nové technologie testování na covid-19, jež vznikla ve spolupráci s Ústavem organické chemie a biochemie Akademie věd ČR a velmi pomohla především v první fázi pandemie. Olomoučtí vědci jsou schopni nanokuličky vyrobit nenáročnou syntézou a ve velkém množství. V jednom cyklu připraví více než 100 gramů částic, které vystačí pro zhruba 100 000 testů na covid-19. Magnetické nanokuličky tak využily v testování například Zdravotní ústav v Ostravě, fakultní nemocnice Královské Vinohrady, v Motole či Bulovka a dodány byly i řadě komerčních subjektů.
Ultratenké materiály s mimořádnými vlastnostmi
Vědci působící v CATRIN stáli v roce 2010 u objevu fluorografenu (Small). Tento nejtenčí známý izolant jim otevřel cestu k vývoji dalších ultratenkých materiálů odvozených od grafenu, jejichž vlastnosti dokáží přizpůsobit na míru konkrétním aplikacím v medicíně, při ochraně životního prostředí, vývoji vysoce účinných katalyzátorů nebo v elektronice. Výzkumníci již potvrdili jejich využití pro ukládání energie (AdvFunctMater), vyvinuté deriváty jsou totiž lehké, vedou elektrický proud a umožňují akumulovat velké množství elektrického náboje. Mohou sloužit rovněž jako jednoatomové katalyzátory (AdvMater), pomáhat při čištění vod a odstraňování těžkých kovů nebo naopak při získávání vzácných kovů, jako jsou paladium, galium nebo indium, z vodního prostředí (ACS Nano). Jedním ze zásadních výsledků v této oblasti byl objev prvního nekovového magnetu na bázi grafenu (NatComm). Takzvaná 2D chemie a vývoj nových uhlíkových materiálů je rovněž předmětem prestižních grantů Evropské výzkumné rady v kategorii Consolidator a Proof of Concept.
Kvantové tečky pro medicínu i zelenou energii
K unikátním materiálům, které vyvinuli vědci CATRIN, patří také uhlíkové kvantové tečky. Pro tyto malé fotoluminiscenční částečky hmoty se strukturou grafitu, jejichž velikost nepřesahuje deset nanometrů, výzkumníci nalezli velmi perspektivní aplikace. Olomoučtí vědci v minulosti demonstrovali využití různých typů kvantových teček coby miniaturních „teploměrů“ pro in vivo měření teploty v živých buňkách (ACS Nano), při biozobrazování (AdvMater) v lékařské diagnostice, ve fototermální protinádorové terapii (LightSciAppl), při vývoji LED diod (AdvOptMater) nebo jako účinných fotokatalyzátorů (ChemRev). Zajímavé aplikace navrhli také v optoelektronice. Mimo jiné využili uhlíkové tečky pro konstrukci fotoluminiscenčních solárních koncentrátorů dovolujících koncentrovat a „sbírat“ sluneční záření, které je solárním článkem převedeno na elektrickou energii (Nanoscale).
Ječmen pro produkci katelicidinu
Úprava genomu ječmene tak, že rostlina dokáže produkovat katelicidin, jeden z nejznámějších antimikrobiálních peptidů lidské kůže – přesně to je výsledek molekulárního farmaření zdejších odborníků. Jimi vyvinutá technologie může být základem pro velkokapacitní produkci peptidu, který je součástí lidského imunitního systému a působí jako přírodní antibiotikum (https://patentscope.wipo.int/search/en/detail.jsf?docId=WO2019052588). Jeho komerční uplatnění zatím komplikuje vysoká výrobní cena, využití geneticky modifikovaného ječmene by ji však podle vědců mohlo výrazně snížit.
Jelikož peptidy mají omezenou stabilitu a navíc mohou být pro hostitelskou rostlinu toxické, museli vědci optimalizovat celou řadu parametrů. Po výběru nejúčinnější produkční strategie vybrané geny vnesli do ječmene. Vypěstované transgenní rostliny produkovaly katelicidin, a to jen v obilce. Vědci otestovali jeho antimikrobiální aktivitu a potvrdili, že takto získaný peptid či jeho varianty nemají na samotnou rostlinu negativní vliv (BiotechnolJ).
Padlo dogma spjaté s rostlinnými hormony
Poznatky o mechanismu působení rostlinných hormonů významně změnil výzkum, na němž se podíleli vědci působící v CATRIN spolu s kolegy z Univerzity Palackého a výzkumných institucí v tuzemsku i zahraničí. Pomocí fluorescenčně značeného cytokininu prokázali, že receptory těchto rostlinných hormonů, které jsou nezbytné pro spuštění molekulárně-biologických pochodů v rostlině, se nacházejí rovněž na povrchu buněk. Zjistili také, za jakých okolností se tak děje a jakými drahami se receptory pohybují z nitra buňky na její povrch a naopak. Padlo tak letité dogma o tom, že tyto receptory je třeba hledat jen v nitru buněk. Cytokininy patří mezi klíčové hormony, které jsou zcela nezbytné pro růst a vývoj rostlin a jejich adaptaci na nepříznivé environmentální podmínky. Bližší pochopení jejich regulační úlohy může pomoci mimo jiné při vývoji růstových regulátorů odvozených od těchto hormonů a technologií využitelných v udržitelném zemědělství (NatComm).