Byl jsem trochu arogantní fyzik, říká držitel Nobelovy ceny Stefan Hell | E15.cz

Byl jsem trochu arogantní fyzik, říká držitel Nobelovy ceny Stefan Hell

Jan Stuchlík

V roce 2014 dostal Nobelovu cenu za přelomový objev, který desetinásobně zlepšil rozlišovací schopnost světelných mikroskopů. Díky němu mohou vědci pozorovat jednotlivé molekuly v buňkách. O pokroku v mikroskopii vypráví nadšeně, jako by to byla detektivka: „Představte si to jako někoho, kdo se z Měsíce snaží dalekohledem zjistit, co se děje na Zemi. Dřív by viděl jen celá města. Dnes je schopen pozorovat jednotlivé lidi na ulicích. Může vidět, že se třeba v ulicích bojuje a lidé se zabíjejí. Což v buňce znamená, že je nemocná,“ říká Stefan Hell. 

Dvě z posledních čtyř Nobelových cen za chemii se týkaly objevů v oblasti mikroskopie. Je to náhoda, nebo vědci v posledních letech udělali velký skok ve schopnosti dívat se do nitra hmoty?

Nobelův výbor by nepochybně odpověděl, že to rozhodně náhoda není. Mikroskopie – jak světelná, tak i elektronová – udělala velké pokroky. Oba druhy jsou přitom velmi důležité pro vědy o životě. Světelná mikroskopie se může dívat do živých buněk a tkání.

Díky zlepšením, kterými v posledním desetiletí prošla, můžeme pozorovat molekuly v mnohem lepším rozlišení než dříve. Pokrok v elektronové mikroskopii, který Nobelův výbor ocenil letos, se týká schopnosti vidět strukturu bílkovin. Lépe tak rozumíme, jak protein funguje a jak reaguje například s léky.

Je tento pokrok závislý na zlepšování zobrazovacích technologií, nebo je založen na vědeckých objevech, které celý obor posunuly kupředu?

Zabývám se světelnou mikroskopií. Tam se dlouho naráželo na základní fyzikální problém, že světelný mikroskop nedokáže pozorovat detaily, které jsou od sebe vzdálené méně, než je polovina vlnové délky viditelného světla. To je asi 200 nanometrů neboli pětitisícina milimetru.

Když jsou detaily blíže, vidíme je jako jednu věc. Já jsem přišel na to, a kolegové to v následujících letech rozpracovali, že detaily lze od sebe oddělit a pozorovat, i když jsou od sebe vzdálené jen několik nanometrů. To odpovídá velikosti molekul. Světelným mikroskopem jsme tak mohli udělat snímky, které byly ještě před 25 lety nepředstavitelné. Klíčové je, že naše metoda funguje do velké míry i v živých buňkách, kde nyní můžeme pozorovat rozmístění jednotlivých bílkovin.

Umělá inteligence je klíčem k tomu, jak řešit problémy, říká Daria Hvízdalová

Kdyby se stejnou myšlenkou přišel někdo před 25 lety, mohl takový mikroskop sestavit?

Dokonce i před padesáti lety by to bylo možné. Jenže nikoho nenapadlo, že by se fyzikálně daná takzvaná difrakční bariéra dala prolomit. V někdejším Československu byla laserová rastrovací mikroskopie velmi rozvinutá. Profesor Mojmír Petráň vyvinul v roce 1968 laserový mikroskop, který sice nepřekonal difrakční bariéru, ale byl velmi pokročilý. S ním by klidně mohl rozlišení dál vylepšovat, kdyby ho napadlo to, co nás.

Jak vás napadlo, že se dají světelným mikroskopem pozorovat i detaily v měřítku nanometrů?

Studoval jsem v Heidelbergu a chtěl jsem pokračovat v doktorském programu. Protože jsem z poměrně chudých poměrů, chtěl jsem u toho pracovat. Začal jsem ve firmě, kde mě požádali, abych postavil laserový rastrovací mikroskop pro kontrolu počítačových čipů. Aby Siemens, IBM a další posílali do firmy své čipy a my bychom pod tímto mikroskopem kontrolovali jejich strukturu a spoje. To ale byla v té době už známá technologie a po určité době mě to začalo nudit.

Hledal jste nějakou větší vědeckou výzvu?

Nestudoval jsem fyziku, abych dělal něco, co dokáže vystudovaný technik. Začal jsem tajně hledat nová témata. I když je světelná mikroskopie založená v podstatě na fyzice 19. století, cítil jsem, že tam musí být něco, čeho si dosud nikdo nevšímal a je to dostatečně zajímavé. Řekl jsem si, že prolomení difrakční bariéry by bylo skvělé.

Projektový management je garancí úspěchu stavebního projektu, říká Štefanovič

Aby se daly buňky a jednotlivé proteiny v nich lépe studovat?

Nechtěl jsem pomáhat vědám o životě, nechtěl jsem pozorovat molekuly v živých buňkách. V podstatě jsem se na biologii díval tak trochu spatra. Byl jsem trochu arogantní fyzik. Chtěl jsem prostě udělat něco, co opravdu změní světelnou mikroskopii. Tak jsem o problému difrakční bariéry začal přemýšlet. Párkrát jsem si myslel, že jsem našel řešení, ale nakonec se ukázalo, že i když jsem byl blízko, pořád něco chybělo. Trvalo několik let, než jsem ten problém rozlouskl.

Dnešní věda je založena na spolupráci a výměně vědeckých poznatků. Zkoumal v té době difrakční bariéru i někdo jiný?

V té době jsem byl sám. Samotný nápad byl natolik šílený, že nebyl nikdo, kdo by o takovém výzkumu vážně přemýšlel. Během 20. století se našlo čtyři pět fyziků, kteří tvrdili, že difrakční bariéru překonali. Jejich koncepty ale nefungovaly. I proto se moje snaha vytvořit mikroskop s desetkrát lepším rozlišením setkávala s velkou skepsí.

Čtyři roky poté, co jsem získal první práci v Institutu Maxe Plancka v Göttingenu, za mnou přišel můj školitel a říkal: „Kolegové za mnou chodí, že pořád prohlašujete, jak prolomíte difrakční bariéru. Nemyslíte, že byste to měl přestat pořád opakovat?“ Tak jsem mu odpověděl, že ne, protože to myslím opravdu vážně.

Když jste pak viděl první snímky z nového mikroskopu, muselo to pro vás být velké zadostiučinění.

Bylo to ráno a já jsem v tu chvíli cítil, že tento objev změní vědu. Nebylo to hned zjevné všem, protože snímky v prvních vědeckých článcích nebyly tak přesvědčivé. Ale věděl jsem, že koncept funguje a dá se zlepšovat. Později jsem zjistil, že se lepšího rozlišení dá dosáhnout ještě jednodušším způsobem. Odpoledne jsem pak odešel z kanceláře, sedl do auta a jel k řece Vezeře. Seděl jsem na břehu a přemýšlel, jak velkého objevu jsem dosáhl. Ale na Nobelovu cenu jsem tenkrát opravdu nemyslel.

Chytrá elektronika Lali Puna. Za novou deskou je spousta drobných příběhů, říká zpěvačka

Jak váš objev od té doby změnil způsob, jak rozumíme biologickým pochodům na molekulární úrovni?

Hodně aplikací je v neurobiologii. Možná i proto, že v Göttingenu působí hodně neurobiologů. Další aplikace byly ve virologii, při studiu Huntingtonovy choroby a dalších oborech. Nejde o to, že by náš mikroskop ukazoval bakterii nebo buňku do větších detailů. Snímky nejsou esteticky příliš zajímavé, ale poskytují spoustu informací.

Takže můžeme lépe rozumět jednotlivých chemickým procesům v buňkách?

Ano. V podstatě je život jen interakcí molekul. Chemici by řekli, že je to chemický proces, který se ubírá určitým směrem. Náš mikroskop pomáhá tomuto procesu lépe porozumět. Třeba co se v buňce pokazilo, když tělo onemocnělo. Patologické procesy v buňkách jsou pak jasnější.

Byl váš objev stejným přelomem, jako když lidé poprvé dokázali díky mikroskopu pozorovat mikroorganismy, které způsobují nemoci?

Dalo by se to k tomu přirovnat. Získali jsme možnost pozorovat jednotlivé molekuly. S přesností na několik nanometrů vidíme, kde jsou jednotlivé bílkoviny, kam se pohybují a s jakými dalšími molekulami reagují nebo se navzájem ovlivňují.

Představte si to jako někoho, kdo se z Měsíce snaží dalekohledem zjistit, co se děje na Zemi. Dřív by viděl jen celá města. Dnes je schopen pozorovat jednotlivé lidi v těchto městech, kudy chodí, co dělají a kdy to dělají. Vidí, že jedna osoba s určitou osobou mluví častěji než s jinou. Rozumíme tak, jak město ve skutečnosti funguje. Jak si lidé opatřují potravu, kdy jedí. Můžeme vidět, že se děje něco zlého, třeba se v ulicích bojuje a lidé se zabíjejí. Což v buňce znamená, že je nemocná.

K čemu byste přirovnal kryoelektronový mikroskop, za který byla udělena Nobelova cena letos?

Kryoelektronová mikroskopie ve stejné analogii dokáže rozpoznat detaily jednotlivých osob. Jaký mají nos, kolik mají končetin, že někdo je větší, někdo menší.

Nebo že někdo zabije někoho tím, že vezme do ruky nůž a bodne ho?

Přesně tak, ale neuvidíte celý děj. Jsou to statické obrázky, protože molekuly se musejí zmrazit na velmi nízké teploty.

Jaká je další bariéra pro ještě větší rozlišení mikroskopů, se kterou se dnes vědci perou?

Musíme udělat mikroskopy, jejichž zobrazení bude rychlejší. Pak je také velkou výzvou, aby tyto mikroskopy byly cenově dostupné. Velký přínos mají, až když se rozšíří do desítek a stovek tisíc laboratoří po celém světě.

 
Newsletter
Využijte služby
zasílání zpráv do vaší
e-mailové schránky!