Ondřej Novák: ZA VŠÍM HLEDEJ HORMON

Místní legenda středověkého hradu Buchlov praví, že v  dávných časech měl být neprávem za podíl na pytláctví odsouzen k smrti mladý zbrojnoš Vlček. Aby dokázal svou nevinu, vytrhl ze země kmínek lípy a zasadil jej kořeny vzhůru. „Když se tento strom do roka a do dne zazelená, poznáte, že jste odsoudili nevinného,“ prohlásil prý ke shromážděným soudcům. Ti se rozhodli, že počkají, a skutečně! Stromek se zazelenal a chlapec se dočkal svobody.

Buchlovská „lípa neviny“ je součástí prohlídkového okruhu romantického hradu dodnes a  její příběh nám připomíná nejen důvtip jednoho mladíka, ale především poukazuje na nesmírnou životaschopnost rostlin.

„Jejich přizpůsobivost mě opravdu fascinuje. Nemohou opustit své stanoviště, ale dokážou velmi dobře reagovat na měnící se podmínky. Umějí si najít mechanismy, jak přežít, rozšířit se a mít potomstvo,“ říká bioanalytik Ondřej Novák, vedoucí laboratoře růstových regulátorů, společného pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého v Olomouci a Ústavu experimentální botaniky AV ČR.

A / Magazín / Shutterstock, Ota Blahoušek, Jana Plavec: Pro zjištění koncentrace fytohormonů je potřeba list nejprve zvážit, zmrazit a rozdrtit. Vzorek se pak smíchá s extrakčním činidlem a umístí do centrifugy, která oddělí jednotlivé pevné částice od kapalné fáze. Poté následuje několik dalších izolačních kroků.

CHEMICKÝ ROSTLINNÝ KOKTEJL

Na rostlinách ho profesně nejvíce zajímají hormony – přesněji řečeno fytohormony. Dají se přirovnat k poslíčkům, kteří přenášejí zprávy z určité části těla do jiné. Upozorňují organismus na změnu vnějších podmínek a  varují před nebezpečím – podobně jako hormony živočišné, potažmo lidské. Vzpomeňme třeba na adrenalin, který vzniká v nadledvinách a funguje jako spouštěč poplachové reakce.

„Z chemického hlediska jsou fytohormony malé molekuly, které v rostlinách silně působí už ve velmi nízkých koncentracích. Syntetizují se v  určité části těla, navážou se na příslušný receptor a vyvolají kaskádu dějů na úrovni buňky, orgánu a pak i celého těla rostliny,“ vysvětluje Ondřej Novák.

Vědci rozlišují minimálně osm základních a  několik vedlejších skupin fytohormonů. K  hlavním patří především auxiny, cytokininy, gibereliny, brassinosteroidy, strigolaktony, kyselina abscisová, jasmonáty a etylen. Skupiny se od sebe liší chemickou strukturou a souborem účinků, kdy některé vznikají jako odpověď na stres, jiné kontrolují zakořeňování, růst listů a  kvetení, zakládání a  dozrávání semen nebo jejich odlučování od mateřské rostliny. Obecně se dá říct, že dohlížejí na téměř všechny důležité fáze rostlinného růstu a  vývoje. Mají zkrátka široké pole působnosti, přičemž jeden hormon může ovlivňovat i  více procesů; některé fytohormonální skupiny spolu spolupracují a jiné působí proti sobě.

„Přizpůsobivost rostlin mě fascinuje. Nemohou opustit své stanoviště, ale dokážou velmi dobře reagovat na měnící se podmínky. Umějí si najít mechanismy, jak přežít, rozšířit se a mít potomstvo.“

Ondřej Novák

KRÁL HORMONŮ AUXIN

Prvním rostlinným hormonem, který se vědcům podařilo už v  první polovině 20. století identifikovat a  popsat, je auxin. S  trochou nadsázky se dá nazvat „univerzálním vývojovým signálem“ ve světě rostlin, protože šíře jeho působení je opravdu veliká. V  učebnicích fyziologie rostlin najdeme celý seznam dějů, jež ovlivňuje nebo na nichž se podílí. Namátkou: ohýbání orgánů za světlem, tvorbu nadzemních orgánů, zakládání kořenů, obnovu vodicích pletiv, stárnutí listů i zrání plodů. V podstatě by bylo úspornější napsat, v čem auxin „nemá prsty“. Jeho záběr je ohromující a podivují se nad ním i sami odborníci. „Tato univerzální důležitost auxinu byla do jisté míry i  jeho prokletím, neboť celá desetiletí si nikdo nedokázal vysvětlit, či vůbec představit, jak může mít tak jednoduchá sloučenina tolik zdánlivě nesouvisejících a často protichůdných účinků,“ napsal v přírodovědném časopise Živa Jiří Friml, jeden z našich největších odborníků na auxin (působí v Institutu pro vědu a technologie v Rakousku).

A / Magazín / Shutterstock, Ota Blahoušek, Jana Plavec: prof. Mgr. ONDŘEJ NOVÁK, Ph.D.

prof. Mgr. ONDŘEJ NOVÁK, Ph.D.

ÚSTAV EXPERIMENTÁLNÍ BOTANIKY AV ČR

Vystudoval analytickou chemii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Palackého v Olomouci. Doktorské studium (2001–2006) absolvoval v oboru botanika. Od roku 2010 do roku 2012 působil jako postdoktorand v Umeå Plant Science Centre ve Švédsku. Díky programu Návrat, jímž Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR motivovalo české vědce k cestě zpět do vlasti, se vrátil do Olomouce. Od roku 2022 vede tamní laboratoř růstových regulátorů – společné pracoviště Přírodovědecké fakulty Univerzity Palackého a Ústavu experimentální botaniky AV ČR. V posledních letech byl opakovaně zařazen do žebříčku „Highly Cited Researchers“ (Clarivate Analytics, Web of Science) v kategorii „Plant & Animal Science“

Česko si vybudovalo hlubokou tradici výzkumu rostlinných hormonů a auxinu zvláště. Jeho lídrem je dlouhodobě právě Ústav experimentální botaniky AV ČR, domovský ústav Ondřeje Nováka. Celoživotně se auxinu věnuje také současná předsedkyně Akademie věd ČR Eva Zažímalová. „Fytohormonální věda je v České republice skutečně velmi silná. Daleko silnější než v okolních velikostně srovnatelných zemích. Opravdu naplno jsem si to uvědomil na postdoktorátu ve Švédsku. Fytohormonům se věnujeme jak v  sídle našeho ústavu v Praze, tak tady u nás v Olomouci,“ podotýká Ondřej Novák.

ZMĚŘIT NEMĚŘITELNÉ

Na postdoka do zahraničí se přitom Ondřeji Novákovi původně moc nechtělo. Vědecký projekt v Olomouci měl celkem dobře rozjetý, ve svém rodném Přerově hrál na violu v  cimbálové muzice Primáš. Odjel až čtyři roky po ukončení doktorského stupně a jak dnes vzpomíná, vůbec toho nelituje. „Naopak, myslím, že to bylo jedno z mých nejlepších rozhodnutí v životě a výjezd za hranice moc doporučuju všem studentům a začínajícím vědcům,“ říká badatel, který se po stáži ke své oblíbené cimbálovce vrátil.

Mezinárodní charakter týmu se snaží udržovat i  nyní, kdy je vedoucím olomoucké laboratoře růstových regulátorů. Mrzí ho ale, že svým lidem nemůže nabídnout také se světem srovnatelné finanční ohodnocení. „Švédskému platu bohužel konkurovat nemůžeme, ale grantově se nám poslední dobou celkem daří,“ konstatuje Ondřej Novák. „Máme krásný nový přírodovědný kampus pro studenty, uspěli jsme v  několika výzvách Grantové agentury České republiky, jsme zapojeni v  operačním programu Jan Amos Komenský a běží nám dva velké evropské projekty z programu Horizont.“

Jsme vůdčí laboratoří voblasti určování koncentrací fytohormonů. Naše unikátnost spočívá vtom, že sledujeme trendy a kměření hormonů uzpůsobujeme metody, které se běžně vrostlinné fyziologii nepoužívají.“

Ondřej Novák

Olomoucké pracoviště může perspektivní studenty a  výzkumníky nalákat na celkem unikátní směr výzkumu: vývoj velmi citlivých metod a inovativních technik, které umožňují identifikovat a  měřit i  nepatrné koncentrace malých molekul rostlinných hormonů. Bez nadsázky se dá říct, že jsou v tomto ohledu světovou špičkou, o čemž svědčí i fakt, že Ondřej Novák si už několik let za sebou udržuje pozici v  přehledu Highly Cited Researchers, jejž sestavuje společnost Clarivate Analytics (databáze zahrnuje seznam badatelů, kteří ve svém oboru představují jedno procento nejvíce citovaných autorů).

Vědci z laboratoře růstových regulátorů umějí v současné době stanovit koncentraci více než sta fytohormonů ve velmi malém množství vzorku. Standardně se dnes hormony měří v koncentracích kolem 10^-12 nebo 10^-15 molů na gram čerstvé hmoty, olomoucké pracoviště se však pohybuje v atomolárních koncentracích (atomol je jednotka označující koncentraci 10^-18, značí se zkratkou amol).

A / Magazín / Shutterstock, Ota Blahoušek, Jana Plavec: POMOC V ZEMĚDĚLSTVÍ.

POMOC VZEMĚDĚLSTVÍ

Laboratoř růstových regulátorů, kterou od roku 2022 vede Ondřej Novák, má na kontě několik zajímavých patentů. Naposledy badatelé veřejnosti představili biostimulační přípravek MTU, který posiluje růst kořenů rostlin a pomáhá plodinám zmírnit dopady sucha, horka a dalších nepříznivých podmínek. V polních experimentech s pšenicí, které probíhaly v letech 2015 až 2017 v České republice, stimulant zvýšil průměrný výnos zrna o sedm procent. „MTU zabraňuje rozpadu chlorofylu, a tím zvyšuje jeho obsah v listech. Ošetřené plodiny mohou lépe vstřebávat oxid uhličitý v průběhu fotosyntézy, a vytvořit tak více energeticky bohatých látek, cukrů, které jsou využívány k rychlejšímu růstu kořene i stonků. Rostliny jsou pak schopné lépe čerpat vodu a živiny v ní rozpuštěné,“ říká Jaroslav Nisler z Ústavu experimentální botaniky AV ČR, který stimulační látku, jež pracuje na podobném principu jako hormon ze skupiny cytokininů, vyvinul.

Zjišťovat fytohormony přitom zvládnou i na úrovni buněk, a dokonce i v izolovaných vnitrobuněčných strukturách – organelách. „Jsme vůdčí laboratoř v této oblasti. Určujeme směr, jakým způsobem se budou hormony měřit. Naše unikátnost spočívá v tom, že sledujeme trendy a  k  měření hormonů uzpůsobujeme metody, které se běžně v rostlinné fyziologii nepoužívají,“ vysvětluje Ondřej Novák. Na fytohormony tak zkoušejí napasovat třeba techniky z  medicíny, potravinářství nebo proteomiky, která se zabývá hromadným studiem proteinů a jejich vlastností.

Základem měření fytohormonů v olomoucké laboratoři je hmotnostní spektrometrie, která pracuje na základě zjišťování hmoty jednotlivých nabitých částic (iontů). Aby byli rostlinní chemici schopni analyzovat hmotnost těch molekul, které je zajímají, musejí nejprve vzorek očistit od mnoha jiných rušivých látek. „V analýze nás třeba zajímá jen padesátka nízkomolekulárních organických látek, ale v listu rostliny je jich na začátku postupu klidně deset tisíc. K odseparování těch nepotřebných využíváme rozličné izolační přístupy a poté kombinujeme kapalinovou chromatografii s  hmotnostní spektrometrií,“ popisuje Ondřej Novák.

A / Magazín / Shutterstock, Ota Blahoušek, Jana Plavec: CO JSOU FYTOHORMONY.

CO JSOU FYTOHORMONY

Jde o malé molekuly, které v tělech rostlin plní úlohu poslíčků signálu. Jsou zodpovědné za růst rostlin, zakládání semen, tvorbu kořenů, dozrávání plodů, ohýbání za sluncem a mnoho jiných procesů, zásadních v životě každé rostliny. Mezi nejznámější fytohormony se řadí auxiny, cytokininy nebo etyleny. První indicie o pravděpodobné signalizaci v těle rostlin získal už Charles Darwin se svým synem Francisem okolo roku 1880 při sérii experimentů s ovsem. Díky schopnosti ovlivňovat růst rostlin mají fytohormony velký potenciál v zemědělství a rostlinných biotechnologiích. Také proto se jejich základnímu výzkumu věnuje velká pozornost. Česko má v tomto oboru hlubokou tradici.

NAJÍT HORMON

Představme si zelený list. Vědci jej zváží a pomocí kapalného dusíku zmrazí a rozdrtí na prášek. Vzorek smíchají s extrakčním činidlem – třeba s desetiprocentním metanolem s troškou kyseliny mravenčí. Nechají ho extrahovat a  pak umístí do centrifugy neboli odstředivky, která způsobí, že se různé pevné částice oddělí od kapalné fáze. Tímto postupem se odstraní části rostlinného pletiva a výsledkem je roztok, který je však stále plný nepotřených látek – například rostlinných barviv, cukrů či proteinů.

Na jejich vychytání se používají speciální filtry obsahující sorbenty rozličných velikostí a vlastností (přičemž i  tyto izolační metody se dynamicky vyvíjejí – v  olomoucké laboratoři používají čím dál miniaturnější filtry a  selektivnější sorbenty). Na konci postupu je pročištěný roztok obohacen o  látky, jež vědce zajímají, a  proměřen pomocí hmotnostního spektrometru.

Prvním rostlinným hormonem, který se vědcům podařilo už vprvní polovině 20. století identifikovat a popsat, je auxin. Strochou nadsázky se dá nazvat „univerzálním vývojovým signálem“ ve světě rostlin, protože jeho pole působnosti je opravdu široké.

Naše metody jsou velmi rychlé, extrémně citlivé a  spolehlivě fungují i  s  velmi malými rostlinnými vzorky o hmotnosti pouhých jednotek miligramů, někdy i mnohem méně. V každém vzorku dokážeme současně stanovit stovku látek, což je skoro dvojnásobek v  porovnání s  předchozími metodami jiných autorů,“ doplňuje Ondřej Novák, který na vývoji a  zdokonalování metodologie dlouhodobě pracuje se Zemědělskou univerzitou ve švédském Umeå  – právě s tou, kam se mu před lety moc nechtělo. Výjezd do Švédska se ale zjevně vyplatil.

Že se jeho jméno opakovaně vyskytuje v  žebříčku nejcitovanějších vědců světa v  daném oboru, Ondřeje Nováka pochopitelně těší. Ještě větší radost má ale z toho, že se „jeho“ metody ve světě skutečně používají. „Mám informace i od kolegů z Cambridge nebo třeba z Madridu, že s  našimi postupy pracují. Jen si je přizpůsobili vlastním laboratorním podmínkám,“ říká badatel. Dosavadními úspěchy se však ukolébat nenechává.

Metody v bioanalytice se velmi rychle vyvíjejí a teprve uvidíme, jak do toho všeho promluví například nástroje umělé inteligence. Proto je nesmírně důležité neustále sledovat trendy nejen ve vlastním oboru, ale i v medicíně a dalších oblastech. Věda je sice do velké míry o štěstí, je ale dobré jít mu naproti a mít hlavu neustále otevřenou novým možnostem a pohledům,“ uzavírá Ondřej Novák.

AVCR/A/Magazín / Jana Plavec: ZA VŠÍM HLEDEJ HORMON (Ondřej Novák)