O čem je váš projekt a co je jeho cílem?
Náš projekt zkoumá, jak v buňkách vznikají a fungují takzvané bezmembránové organely. To jsou dynamické útvary, ve kterých si buňka dočasně soustředí vybrané proteiny a RNA, aby některé procesy mohly probíhat rychleji a účinněji než v okolí. Na rozdíl od klasických organel, jako jsou mitochondrie nebo jádro, nejsou ohraničené membránou, ale vznikají samouspořádáním biomolekul do hustší fáze, tedy do takzvaného kondenzátu.
V projektu se soustředíme hlavně na vnitřně neuspořádané proteiny, které mají schopnost tyto kondenzáty vytvářet, ale zároveň jsou velmi citlivé na složení roztoku, drobné změny ve své sekvenci i na kontakt s biologickými membránami. Cílem je pochopit, co na molekulární úrovni řídí přechod od volně rozptýlených molekul ke kondenzovanému stavu a kdy je takový stav ještě funkční, nebo už může směřovat k patologickému chování.
Pokud bude projekt úspěšný, co nám přinese? Jak pomůže v medicíně nebo farmacii?
Stále se jedná o projekt základního výzkumu, takže jeho hlavní přínos bude v hlubším porozumění chování proteinů v biologickém prostředí. Takové poznání je důležité pro výzkum neurodegenerativních onemocnění, kde některé proteiny ztrácejí správné chování, ale také obecně pro biofyziku proteinů a vývoj biomateriálů či biotechnologických aplikací. Nejde o projekt, který by hned vedl k nové léčbě, ale může přispět k tomu, aby budoucí cílenější zásahy stály na pevnějším vědeckém základě.
Vy máte na starost teoretickou část. Jak probíhají experimenty?
Experimentální část probíhá v laboratoři profesora Paula Cremera na Pennsylvania State University. Jeho tým připravuje studované polypeptidy a sleduje jejich chování v přítomnosti solí o různých koncentracích a/nebo na površích membrán. Pomocí spektroskopických a termodynamických metod zjišťuje, za jakých podmínek kondenzáty vznikají, jaké mají složení a jak jsou stabilní. Výhodou projektu je, že experimenty a simulace jsou od začátku navržené tak, aby popisovaly stejné systémy.
Jak jste se dostal k týmu profesora Paula Cremera na Pennsylvania State University?
V rámci svého doktorského studia u profesora Pavla Jungwirtha jsem studoval, jak přítomnost iontů ovlivňuje chování biomolekul. Profesor Cremer patří v této oblasti k nejvýznamnějším osobnostem a postupně se z odborného kontaktu vyvinula dlouhodobá spolupráce mezi experimentem a teorií. V rámci tématu iontově specifických efektů jsme se od polymerů a peptidů postupně dostali až k otázce, jak lze ovlivňovat proteinové kondenzáty a bezmembránové organely.
Jak se liší experimenty od simulací?
Experiment ukazuje celkové chování systému, ale dílčí molekulární příčiny z něj často přímo nevyčteme. Simulace umožní podívat se dovnitř a sledovat, které konkrétní molekulární interakce k tomuto chování vedou. V experimentu tedy vidíme výsledek, v simulaci jeho detaily. Každý přístup má své limity, ale právě jejich kombinace nám umožňuje získat mnohem přesvědčivější a ucelenější obraz, než kdybychom používali jen jeden z nich.
Jak probíhá spolupráce teoretika s experimentátorem?
Na začátku to bývá hlavně o hledání společného jazyka, zvlášť u komplexních témat. Teoretik i experimentátor se na stejný problém dívají jinak a chvíli trvá, než si oba ujasní, co je pro toho druhého realistické. Jakmile se to podaří, začne vznikat opravdu silná spolupráce: experiment pomáhá ukotvit simulace v realitě a simulace naopak dávají experimentům detailní, fyzikálně podloženou molekulární interpretaci.
Jak jste se dostal k fyzikální chemii a počítačovému modelování?
Vystudoval jsem matematické gymnázium v Českých Budějovicích a chemie, matematika a fyzika mě bavily, takže studium fyzikální chemie pro mě bylo přirozenou volbou. K počítačovým simulacím jsem se pak dostal přes statistickou termodynamiku, když jsem si uvědomil, že analyticky řešitelných problémů je pomálu. Naopak počítačové simulace nám umožňují sestavit i velmi komplikované systémy, studovat je na mikroskopické úrovni a dojít k mechanistickému porozumění klíčových dějů. To mě stále baví.
Co vás zformovalo do současného vědce?
Zásadní pro mě byly tři věci: podporující prostředí ve skupině profesora Pavla Jungwirtha, postdoktorandská zkušenost u prof. Dzubielly a také rozmanité spolupráce, díky nimž jsem pochopil, že nejlepší výsledky často vznikají kombinací více pohledů, které se navzájem doplňují.
Co komisi přesvědčilo podpořit váš projekt?
Cesta k podpoře nebyla úplně přímočará, ale o to víc jsme návrh postupně zpřesňovali a posilovali o předběžné výsledky. Myslím, že rozhodla kombinace aktuálního vědeckého tématu, silného propojení experimentu se simulacemi a dlouhodobé spolupráce, která už přinesla konkrétní špičkové výsledky.
S kým ještě na projektu spolupracujete?
Na české straně je mým klíčovým spolupracovníkem docent Mario Vazdar, který svou expertizou pokrývá interakce biomolekul s membránami. Dále jsou do projektu zapojeni také členové našich skupin a doktorandi.
V jakém formátu budete sdílet vaše výstupy?
Výsledky budeme sdílet standardně formou odborných publikací a konferenčních vystoupení. Simulační data plánujeme zpřístupnit pouze pro vybrané systémy, a to z důvodu jejich značného objemu (10GB/simulace). Pro ostatní systémy poskytneme vstupy, parametry a analytické postupy, které umožní naše výsledky reprodukovat nebo na ně navázat.
Chystáte se popularizovat výsledky pro veřejnost?
Ano, určitě. Přirozenou součástí budou odborné semináře, studentské práce a prezentace, ale budeme rádi i za popularizační přesah směrem k širší veřejnosti.
Sháníte na tento projekt studenty? Případně jaké?
Ano, studenty hledáme. Projekt nabízí témata pro doktorandy zaměřené na počítačové modelování i pro studenty, kteří mají blízko k experimentu, termodynamice, biofyzice nebo biochemii. Atraktivní je právě šíře tématu, možnost pracovat s moderními metodami a také napojení na skutečnou mezinárodní spolupráci.
https://www.vscht.cz/popularizace/rozhovory/jan-heyda-bezmembranove-organely
- Co jsou bezmembránové organely?
- Bezmembránové organely jsou dynamické útvary v buňkách, které soustředí proteiny a RNA pro efektivnější procesy.
- Jaký je cíl výzkumu Jana Heydy?
- Cílem je pochopit, jak vnitřně neuspořádané proteiny tvoří kondenzáty a jak to ovlivňuje jejich funkci v buňkách.
- Jak může tento výzkum pomoci medicíně?
- Výzkum přispívá k hlubšímu porozumění neurodegenerativním onemocněním a může podpořit vývoj nových biomateriálů a biotechnologických aplikací.
- Jaké metody se používají ve výzkumu?
- Skupina používá molekulární dynamické simulace k prozkoumání interakcí proteinů a jejich kondenzátů v biologických prostředích.