Před necelými pěti lety se Barbora Špačková s rodinou přestěhovala na postdoktorandskou pozici na Chalmers University of Technology do Švédska. Vyvinula tam unikátní metodu nanofluidní rozptylové mikroskopie, díky níž, jak sama říká, dokáže vidět věci, které ještě nikdo nikdy neviděl. Na jejím základě později s kolegy založila spin-off firmu Envue vyrábějící mikroskopy pro jednomolekulární zobrazování. Nyní se vrátila zpět do Česka – zakotvila v Oddělení optických a biofyzikálních systémů Sekce optiky Fyzikálního ústavu, kde nyní plánuje založit vlastní tým. O nanofluidní rozptylové mikroskopii jí v nedávné době také vyšel článek v prestižním časopise Nature Methods.
V čem přesně nanofluidní rozptylová mikroskopie spočívá?
Všechny objekty rozptylují světlo, díky čemuž můžeme vidět třeba i malé prachové částice, ale biomolekuly jsou o mnoho řádů menší. Ony sice také rozptylují světlo, ale velmi málo, takže je téměř nemožné ho detekovat. Trik, díky němuž já tohle rozptýlené světlo detekovat mohu, je založený na tom, že světlo se chová jako vlna a v momentě, kdy ho necháte interferovat s jiným světlem, dokážete z malé intenzity světla udělat intenzitu velkou. Jinými slovy, když posvítím na nanokanál s biomolekulou, tak ten nanokanál rozptyluje světlo taky. A jeho intenzita je oproti rozptýlenému světlu na biomolekule obrovská. Světlo, které se rozptýlí na biomolekule pak interferuje se světlem, které se rozptýlí na tom nanokanále. A právě díky tomu jsem schopná vidět věci, které ještě nikdo nikdy neviděl.
Jaký je hlavní přínos této metody?
Já jsem fyzik, pro mě jsou biomolekuly kuličky a baví mě překračovat hranice možného. Pro vědce zabývající se studiem biologických procesů to ale znamená, že díky této metodě mohou studovat jednotlivé biomolekuly v jejich přirozeném prostředí a v přirozeném pohybu. Což dříve nebylo možné. Tradiční metodou, jak studovat jednotlivé molekuly je fluorescenční mikroskopie, která se používá desetiletí. Spočívá v tom, že na molekulu nalepíte jakýsi maják – fluorescenční značku, která svítí. Pak tedy nepozorujete molekulu, jako takovou, ale ten maják. V mnoha případech ale značka samotnou molekulu ovlivňuje. A když chcete studovat život v jeho přirozeném prostředí, chcete nastavit co nejrealističtější podmínky. Průlomovou optickou metodou je třeba iSCAT, ta dokáže vidět molekuly bez značek, ale musí být přichycené na nějaké podložce nebo k nějakému objektu. Ne všechny molekulární procesy však probíhají na povrchu. Často se mi stává, že když ukazuji přirozený pohyb molekul ve vodném prostředí biochemikovi nebo biologovi, zažívá wow efekt – konečně vidí, jak se molekula opravdu chová.
U vás je tedy důraz na přirozenost.
Ano, a nejenom to. Kromě toho můžeme díky této metodě studovat biologické procesy v reálném čase, a navíc jednotlivé biomolekuly změřit a zvážit.
A porovnávali jste použití fluorescenční mikroskopie a vaší metody? Je tam opravdu takový rozdíl? Omezuje ta značka molekulu?
Dělali jsme jeden experiment týkající se DNA, kde jsme viděli opravdu zásadní rozdíly, ale tento výzkum ještě stále pokračuje. Obecný závěr aplikovatelný na jiné molekulární procesy to však není.
Jak vás napadlo přijít s konceptem nanofluidní rozptylové mikroskopie a co tomu předcházelo?
Na Chalmers jsem přišla na postdoktorandskou pozici a musím říct, že jsem měla na začátku dost velkou volnost. To byla pro člověka jako jsem já skvělá situace. Kolem sebe jsem měla spousty lidí s obrovským know-how a ohromným množstvím znalostí, které jsem předtím neměla. Takže jsem se prvních pár měsíců pohybovala kolem nanofluidiky, což pro mě bylo úplně nové hřiště, a zjišťovala jsem její hranice a jakým způsobem ji kdo používá…
Podle všeho vás na první pohled zaujala.
Je to tak. Přemýšlela jsem, jakým způsobem tuhle pro mě novou oblast zkombinovat s mojí specializací, což byla aplikace optických metod pro biochemii a obecně pro bio vědy. Všechno to vlastně začalo jednou konverzací s kolegou. Ukazoval mi zvláštní jev, který jim vadil, chtěli se ho zbavit, ale nevěděli, proč k němu dochází. Přišlo mi to zajímavé, tak jsem začala vytvářet teorii, která popisuje interakci světla s nanofluidikou, protože se tím nikdo předtím nezabýval. Tato teorie nejen problém vysvětlila a taky odhalila neuvěřitelný potenciál v mikroskopii. Její závěry ukázaly, že existuje možnost vidět jednotlivé biomolekuly pohybující se v daném nanofluidním kanálu.
To zní skoro neuvěřitelně. Při rozkoukávání se na novém místě zkusíte pomoc kolegovi, a přitom narazíte na něco takto převratného.
Upřímně, počáteční verze teorie byla dost neintuitivní a její výsledek se zdál neuvěřitelný. Když jsem s těmito závěry obcházela univerzitu, často jsem narážela na nedůvěru profesorů a kolegů. Málokdo věřil, že je taková věc možná.
To je asi pro mladou vědkyni trochu demotivující, ne?
Můj tehdejší supervizor, prof. Christoph Langhammer, viděl velký potenciál a velmi mě podporoval. Společně jsme začali stavět aparaturu a netrvalo to dlouho, možná půl roku, než jsme biomolekuly opravdu začali vidět. Můžu říct, že pocit, kdy ten nápad máte napřed na tabuli jako čísla a rovnice a poté to celé nakonec funguje v realitě, je skvělý.
Aktuálně vám a týmu kolegů ze švédské Chalmers University of Technology vyšel článek v časopise Nature Methods, co přesně popisuje?
Mluvíme v něm o tom, jak je možné biomolekuly nejen vidět, ale také je citlivě zvážit a určit jejich velikost. Což jsou parametry důležité třeba pro proteiny. Popisujeme tam také analýzu detekce exozomů, které jsou produkované buňkami v živých organismech. Donedávna se o nich moc nevědělo, ale v poslední době jejich výzkum zažil velký boom. Jsou to v podstatě minikopie buněk a obsahují velké množství informací. V momentě, když jsme schopni získat informaci o nich, můžeme zkoumat, jak se buňky mají a tím detekovat třeba různé nemoci. Charakterizace těchto částic je složitá, protože každá z nich je trochu jiná, obsahuje jiný kus informace, je tam velká heterogenita. Proto se spousta vědců obrací na metody, které dokážou charakterizovat jednu částici po druhé, aby dokázali tuhle informaci správně přečíst.
Tím pádem to pak budou moci využít i pro diagnostiku nemocí?
Ano, to je plán. V současnosti to je ve fázi proof of concept, kdy vědci chtějí zjistit jakou strukturu a složení exozomy mají, jak velká heterogenita mezi nimi je a které jsou ty důležité.
Já teď přejdu k vaší spin-off company Envue Technologies, kterou jste založili s kolegy na základě vašeho objevu. Vy vyvíjíte mikroskopy, které využívají nanofluidní rozptylovou mikroskopii. Už máte nějaký sestavený a prodáváte jej?
V současné době vyvíjíme platformu, které by se dalo říct produkt. Zaznamenáváme o něj zájem z farmakologických společností nebo obecně z výzkumu. Tohle je proces, který vidíme na několik dalších let. Každopádně v současné době máme laboratorní prototyp, aparaturu, kterou jsem vyvinula na Chalmers.
Jak se sestavuje mikroskop? Nakoupíte součástky a smontujete je dohromady?
Vývoj laboratorního prototypu je podobný hře s Legem. Na vývoj optických systémů existují stavebnice. Laboratorní prototyp, co jsem postavila na Chalmers, byl založený na některých zařízeních vyvinutých na míru, ale hodně byl sestavený právě z takových „Lego“ součástek. Koncový produkt jako takový je pak inženýrské řešení, které je mnohem robustnější.
Hrála jste si jako dítě ráda s Legem?
Já si s Legem hraju pořád. Mám naštěstí dítě, které Lego miluje. Takže stavím doma a stavím i v laboratoři, i když ne přímo s Legem. Spousta odvětví vědy mi často připomíná stavebnice z dětství.
Pojďme od výzkumu trochu víc k vám. Co pro vás bylo tím impulsem, kdy jste si po letech ve Švédsku, řekla, že se vrátíte zpět do Česka?
V mé fázi kariéry lidé stojí na rozcestí, kde se musí rozmyslet, jestli sami sebe vidí víc v akademii, nebo průmyslu, a sebe a svou rodinu v Česku nebo v zahraničí. Tenhle rozhodovací proces byl velmi intenzivní, protože sama silně tíhnu k akademii, zároveň jsem ve Švédsku spoluzaložila firmu. Bylo to těžké rozhodování po všech stránkách. Ve Švédsku jsme byli 4,5 roku, což je nezanedbatelný kus života. Kdybyste viděla náš domácí white board, kde jsme sepisovali pro a proti a porovnávali různé varianty… Balancování mezi Švédskem a Českem bylo pořád půl napůl. Nakonec vše rozhodlo získání GAČR grantu a během měsíce jsme se sbalili a odjeli do Čech.
Proč jste si vybrala zrovna Sekci optiky a Oddělení optických a biofyzikálních systémů?
Dříve jsem spolupracovala s Hankou Lísalovou, udržovaly jsme spolu kontakty a byla to ona, kdo mě na tu myšlenku přivedl. Sekce optiky za poslední roky velmi narostla a narostla o lidi, se kterými jsem dříve pracovala. S Jakubem Dostálkem jsem se před pár lety potkala na jednom evropském projektu, se Scottem Lynnem mám několik publikací, takže pro mě nakonec byl návrat do Česka návratem do prostředí, které znám a do spolupráce s lidmi, se kterými pracuji ráda. Mám tu také podporu od vedení sekce a všechno tu probíhá hladce.
S jakou vizí sem přicházíte?
Získala jsem dva granty, které mají mou metodu nanofluidní rozptylové mikroskopie rozvinout různými směry. GAČR grant je na její rozvinutí směrem do aplikací pro studium interakcí mezi biomolekulami. Ten druhý, Marie-Sklodowska Curie Actions, je na vývoj důležité součástky – nanofluidního ventilu, který mi umožní s molekulami lépe manipulovat. Do budoucna chci vytvořit tým, který se bude zabývat vývojem nových jednomolekulárních nástrojů, které umožní vědcům nahlédnout do nano světa a odhalovat tak záhady života na molekulární úrovni.