Česky
Součinnost Akademie věd ČR s vědeckými pracovišti v Japonském císařství se realizuje prostřednictvím Japonské společnosti pro podporu vědy (Japan Society for the Promotion of Science – JSPS) od roku 1993. Stěžejní formu představují tři dvouleté výzkumné projekty, na které JSPS, AV ČR a Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy každoročně vyhlašují veřejnou soutěž. Postdoktorandům se dále nabízejí rovněž tři „Fellowshipy JSPS“.
Reprofoto: Archiv Michala Žurovce
Obraz japonského umělce Utagawy Hiroshigeho Háj u svatyně Suijin a Massaki na řece Sumida (1856). V pozadí se nachází hora Cukuba (877 m), která je druhou nejposvátnější horou Japonska. Při jejím úpatí bylo založeno stejnojmenné město, jemuž se přezdívá japonské Silicon Valley.
Žádosti mohou podávat i vědci působící mimo pracoviště Akademie věd. Obě instituce též na základě dohodnuté kvóty každoročně přijímají vědecké pracovníky na krátkodobé, obvykle čtrnáctidenní pobyty, avšak uvedená forma spolupráce v příštím roce končí a nahradí ji jiná. Tentokrát představíme dva česko-japonské projekty – a to nejen v kontextu dosažených výsledků, ale i tradice společného výzkumu a plánů českých a japonských vědců.
Vývoj programovatelných nukleáz
Spolupráce Entomologického ústavu Biologického centra AV ČR s výzkumnými ústavy v Cukubě má dlouholetou tradici. Dvousettisícové město založené v šedesátých letech 20. století asi 50 kilometrů severovýchodně od Tokia v prefektuře Ibaraki na úpatí stejnojmenné osamělé hory sopečného původu je známé jako „Město vědy“ (Tsukuba Science City) s příjemnou kosmopolitní atmosférou. Sídlí zde renomovaná univerzita založená v roce 1973 a okolo tří stovek vědeckých institucí. V roce 1987 byl v Cukubě otevřen nejprve Národní ústav pro výzkum hedvábí a entomologii (National Institute of Sericultural and Entomological Sciences – NISES). V roce 2001 se NISES stal součástí velikého Národního ústavu zemědělských věd (National Institute of Agrobiological Sciences – NIAS).
Spolupráce Entomologického ústavu s NISES a NIAS je však ještě starší a datuje se již od konce 60. let minulého století v podobě společného výzkumu působení hmyzích hormonů, který realizovali prof. František Sehnal a dr. Hiromu Akai. Kooperace se postupně rozšířila na mnohá další témata základního výzkumu hmyzu a vedla k několika společným publikacím a zejména k výměnným stážím mladších vědeckých pracovníků mezi oběma institucemi.
Foto: Archiv ENTÚ BC AV ČR
Národní ústav zemědělských věd v Cukubě
Současný projekt se zaměřuje na rozvíjení metod molekulární biologie, především na možnosti přesné manipulace s genomovou DNA. Podnětem k němu se staly četné diskuse s japonskými kolegy na konferencích a snaha používat pro pokusy i jiné organismy než miniaturní octomilku.
V roce 2000 se v laboratoři prof. Dany Carrolla na Univerzitě v Salt Lake City (USA) poprvé podařilo připravit tzv. „programovatelnou nukleázu“ – umělý enzym schopný štěpit molekulu DNA v požadovaném místě. Pokračující pokusy navíc ukázaly, že do takto vytvořeného zlomu v genetické informaci lze za určitých okolností dalším zásahem vložit novou genetickou informaci. Objev programovatelných nuk-leáz otevřel možnosti následnému výzkumu a aplikacím i u jiných organismů. Do tak velkého podniku jsme se ale nechtěli pustit samostatně a japonská laboratoř dr. Toshiki Tamury a dr. Yoko Takasu představovala pro podobný projekt ideálního partnera. Po krátké domluvě jsme zahájili předběžné testy s použitím programovatelných nukleáz u bource morušového, jenž je objektem studia obou našich laboratoří. Japonská strana umožnila dr. Yoko Takasu roční pobyt v Českých Budějovicích a rovněž prof. Carroll se osvědčil jako výborný partner pro konzultace. Prostřednictvím podpory Grantové agentury ČR a Japan Society for the Promotion of Science jsme provedli rozsáhlé pokusy a již v říjnu 2010 publikovali první výsledky o použití programovatelných nukleáz pro cílenou mutagenezi u bource jako u prvního hmyzího druhu mimo octomilky (drozofily). Práce inspirovala výzkumné týmy na celém světě a mnohé z nich začaly zavádět metodu také u dalších druhů hmyzu včetně komárů a cvrčků.
Foto: Archiv BC AV ČR
Bourec morušový (Bombyx mori) vznikl zhruba před 4600 roky domestikací divokého bource Bombyx mandarina a je znám především jako producent hedvábí. Přírodovědci jej však dlouhodobě využívají i jako cenný modelový organismus pro biochemické, fyziologické a genetické studie. V roce 1954 se podařilo získat z kukel bource 25 miligramů čisté krystalické formy ekdyzonu – prvního izolovaného hmyzího hormonu. Například biochemické studie proteinů hedvábí (fibroinu) vedly v roce 1955 k objevu sekundární proteinové struktury ß-skládaného listu. V roce 1972 byla ze snovacích žláz bource izolována fibroinová mRNA, první chemicky identifikovaná mRNA u eukaryot.
V článku z roku 2010 jsme popsali použití programovatelné nukleázy na bázi tzv. „zinkových prstů“, neboť obsahovala modifikovanou DNA vazebnou doménu transkripčního faktoru ze skupiny „zincfingerových“ proteinů. Mutagenizovali jsme tehdy gen odpovědný za zbarvení larvální epidermis bource morušového; metoda však byla pro praktické použití málo účinná (0,28 %). Zvýšení účinnosti naší nukleázy vyžadovalo četné strukturní modifikace a pracné optimalizační testy v kvasinkách, neboť rozpoznávací kód pro vazbu zinkových prstů na DNA závisí na poměrně složitých prostorových interakcích.
Specificitu programovatelných enzymů zlepšil objev DNA vazebné specificity bakteriálních transkripčních faktorů proteinové rodiny tzv. „TAL efektorů“ (Transcription Activator-Like Effector family) v laboratořích dr. Jense Bocha (Německo) a dr. Adama Bogdanove (USA). TAL efektory mají totiž jednoduchý modulární kód dvou aminokyselin pro vazbu jednoho nukleotidu. Krátce po objevu „vazebného kódu“ se pracovníkům laboratoře prof. Daniela Voytase (University of Minnesota) – dr. Tomáši Čermákovi a Michelle Christian – podařilo tyto proteiny použít pro konstrukci programovatelných nukleáz. Tento typ nukleáz dostal název TALENy.
Významným podnětem pro naši další práci se stalo pětidenní sympozium v Českých Budějovicích Engineered nucleases and genome edditing v květnu 2012, jehož se zúčastnily kromě našich japonských přátel dr. Tomury a dr. Takasu mnohé osobnosti oboru včetně prof. Dany Carrolla (USA), dr. Ralfa Kühna (Německo), dr. Kelly Beumer (USA), dr. Tomáše Čermáka (USA, ČR), dr. Guillerma Montoyi (Španělsko). V následujícím roce jsme ve spolupráci s japonskou laboratoří a s použitím nukleáz nového typu – TALENů – úspěšně mutagenizovali několik dalších genů a dosáhli účinnosti mutageneze řádově desítek procent, což je více než postačující pro praktické použití.
Schéma programovatelné nukleázy na bázi TAL efektorů – tzv. TALENu
V současnosti se již použití programovatelných nukleáz pro mutagenezi stává standardní biologickou metodou a programovatelné enzymy jsou dostupné i komerčně. Zavedl se další typ programovatelných nukleáz na bázi bakteriálních imunitních proteinů systému CRISPR/Cas. Praktické aplikace metody pro mutagenezi a funkční genové studie umožní řešení biologických záhad, které se z metodických důvodů dosud vůbec řešit nemohly. Problémem nadále zůstává vkládání signálních genů do mutagenizovaného místa a udržování mutantních linií s mutacemi způsobujícími sníženou životaschopnost. Je zřejmé, že se prostor pro další spolupráci s japonskými partnery rozrůstá. Věřme, že oběma zúčastněným stranám přinese další výborné výsledky.
Kanonický rozklad tenzorů
Spolupráce Ústavu teorie informace a automatizace AV ČR s japonským Ústavem pro výzkum mozku (Brain Science Institute – BSI) začala v roce 2010 a postupně se rozvíjí. BSI byl založen v roce 1997 jako součást nezávislého vědeckovýzkumného komplexu RIKEN podporovaného japonskou vládou. RIKEN vznikl v roce 1917 jako soukromá vědecká instituce a v současnosti zde pracuje okolo 3000 vědců včetně dvou japonských nositelů Nobelovy ceny; sídlí ve městě Wakoshi, jež je součástí 30milionové městské aglomerace Tokia. Posláním BSI je základní výzkum mozku a umělé inteligence.
Foto: Archiv ÚTIA AV ČR
Jedna z budov BSI RIKEN
V BSI spolupracuji se skupinou dr. Andrzeje Cichockého, vedoucím Laboratoře pokročilého zpracování mozkových signálů (Advanced Brain Signal Processing), v níž badatelé zkoumají mozkové signály různého druhu, jako jsou elektroencefalogram, magnetoencefalogram i data získaná invazivnějším způsobem na zvířatech. Cílem je porozumět struktuře takto získaných dat a využít je pro medicínské účely nebo interakci mezi člověkem a počítačem. Jedním z úspěchů poslední doby bylo například nalezení metodiky pro časnou detekci příznaků začínající Alzhaimerovy choroby u člověka pomocí EEG dat.
Foto: Archiv ÚTIA AV ČR
Pohled do hlavní části laboratoře; na každém pracovišti je umístěna žlutá přilba pro případ zemětřesení.
Personální obsazení laboratoře dr. Cichockého je mezinárodní. Rodilí Japonci jsou zde v menšině; vedoucí laboratoře je původem Polák, pracují zde Číňané i Evropané, mezi nimi i jeden Slovák – snad jen Američané zde nejsou zastoupeni. Časté jsou krátkodobé i střednědobé zahraniční návštěvy z celého světa.
Biomedicínská data jsou často tří- a vícedimenzionální. Vícedimenzionální datové struktury obecně nazýváme tenzory. Hledání příznaků na základě takových dat se zpravidla provádí pomocí různých rozkladů a modelů těchto tenzorů. Modelování tenzorů je multilineární úloha, efektivně jde o nelineární problém. Je známé, že většina úloh při rozkladech tenzorů je NP kompletní, takže není řešitelná v polynomiálním čase. Existuje tudíž prostor pro vývoj různých aproximativních metod. Funkčnost takových metod lze studovat na reálných datech v konkrétních aplikacích.
Kanonický rozklad tenzoru třetího řádu sestává ze tří faktorových matic A, B, C a diagonálního tenzoru D.
V posledních letech se nám podařilo dosáhnout některých podnětných výsledků – nalézt efektivní implementaci Gauss-Newtonova algoritmu pro kanonický rozklad tenzoru, odvodit Rao-Cramerovu dolní mez pro chybu rozkladu tenzoru, pokud jsou měřená data zatížená náhodným šumem, nebo zlepšit existující metody rozkladu u tenzorů vyšších řádů.
ROBERT ZIKA,
Kancelář Akademie věd ČR,
MICHAL ŽUROVEC,
Entomologický ústav BC AV ČR, v. v. i.,
PETR TICHAVSKÝ,
Ústav teorie informace a automatizace AV ČR, v. v. i.