Lidé

2. října 2015

Radim Chmelík: Uvidíme ještě zajímavé věci

Profesor Radim Chmelík u dokončovaného mikroskopu | Autor: Igor Šefr

Na gymnáziu měl s kamarádem na starosti sbírky ve fyzikálním kabinetu, který byl plný nejrůznějších přístrojů. Hodně prý experimentovali a především ničili vzorky, s odstupem času však právě tohle (plus skvělé pedagogy) považuje profesor Radim Chmelík za hlavní impuls, jenž ho přivedl k fyzice a vědě. Jeho úspěšnou vědeckou kariéru, kterou spojil především s mikroskopií, lemuje řada patentů unikátních a průkopnických řešení. Ty nejzásadnější patří zřejmě technologii holografického mikroskopu, zatím poslední přibyl teprve nedávno.

O vašem posledním patentu se zatím příliš neví. Čeho se týká?
Využili jsme starších rozpracovaných principů. Náš nový mikroskop dokáže, podobně jako dosavadní velmi rozšířené konfokální mikroskopy, zobrazit z objemového vzorku pouze jednu rovinu, tedy vytvořit optický řez. Na rozdíl od nich ale snímá celý obraz najednou, není nutné rastrovat. Abyste získali optický řez pomocí konfokálního mikroskopu, musíte skenovat, tedy jedním bodem projíždět celou zobrazovanou rovinu, a to trvá nějakou dobu. Nejrychlejší přístroje, které rastrují jedním bodem, dokáží zobrazit asi třicet snímků za vteřinu, některé mohou být rychlejší, ale rastrovat je nutné vždy. Při použití našeho mikroskopu vzniká opticky celý obraz řezu najednou a rychlost zobrazování tak závisí jen na vlastnostech kamery. Tím je také podstatně zrychleno trojdimenzionální zobrazení, k němuž je navíc třeba vzorkem postupně pohybovat v podélném směru.

Zatím testujete na polystyrénových kuličkách, ale až bude vše ověřeno, kde najde takový přístroj největší využití?
Předpokládáme, že se velmi dobře uplatní například v biologii při sledování rychlých dějů, které probíhají uvnitř živých buněk, nebo při pozorování přenosu signálů a studiu interakcí mezi buňkami.

Vaše nejmladší „dítě“ kryje tedy podaný český patent s možností rozšíření do dalších zemí. Víte, kolik vůbec už získal patentů jeho starší a zatím nejslavnější předchůdce, multimodální holografický mikroskop?
No,… přiznávám, přesné číslo musíme vypočítat. Tak určitě máme patent český, americký, japonský, euroasijský, evropský, a na udělení čínského čekáme. Validace evropského patentu probíhá ve Francii, Německu, Itálii, Velké Británii a ve Švýcarsku.

Nejkratší dobu trval americký patent, nejdéle se táhne čínský, který je zatím ve stadiu řízení.

Je to obtížné, získávat jednotlivé patenty? Dá se to nějak porovnat, třeba že nejpomaleji to šlo v USA nebo že ten nejcennější je ten euroasijský?
Jak říká kolega Tomáš Slabý, který „stál v první linii“, je to náročné hlavně časově. Je třeba komunikovat s příslušným patentovým úřadem a reagovat na připomínky a námitky. U všech řízení to bylo zhruba podobné, prošli jsme dvěma až třemi komunikačními koly. Nejkratší dobu trval americký patent, nejdéle se táhne čínský, který je zatím ve stadiu řízení. Liší se to hlavně tím, jak dlouho úřadu trvá přezkoumat přihlášku. Zatímco americký patent máme udělený již od září 2013, čínský patentový úřad s námi teprve nedávno začal komunikovat.

A může se stát, že některý z úřadů váš patent neuzná?
Klidně může. Zatímco první fáze procesu patentování je vždycky stejná, materiál se přeloží do příslušného jazyka a pošle, pak přijdou připomínky jednotlivých patentových úřadů. A ty se někdy dost podstatně liší. Například hodně jsme jich museli zodpovídat v případě euroasijského patentu. Pokud úředníci namítají nějakými podobnými technickými řešeními, což mohou být jiné patenty, články a podobně, je zapotřebí si dané dokumenty pečlivě prostudovat, najit rozdíly vůči našemu řešení a ty potom přesvědčivě vysvětlit v odpovědi patentovému úřadu. Nutno ovšem dodat, že námitky plynou obvykle řekněme z míry angažovanosti a snaživosti úředníků, než aby byly potvrzením vyspělosti vědy nebo úrovně trhu v dané oblasti.

Kdy jste začali s vývojem multimodálního holografického mikroskopu?
Celý proces vzniku mikroskopu byl vlastně docela pomalý. První kroky lze datovat někdy do poloviny 90. let, kdy jsme začínali s digitální holografií a dělali první pokusy, jak by šla využít v mikroskopii. Významnější skok nastal okolo roku 2003, kdy jsme sestrojili první prototyp holografického mikroskopu: Ten se už dal postavit na stůl, bylo možné do něj vložit vzorek, vše fungovalo, jak jsme předpokládali. Jen pro potřeby biologie, jak se vzápětí ukázalo, bylo nutné přístroj otočit vzhůru nohama. To tenkrát ještě naštěstí šlo bez problémů, především díky jeho hlavnímu konstruktéru Pavlu Kolmanovi. Do týmu pak přibyl kolega Pavel Veselý z Ústavu molekulární genetiky v Praze. Společně jsme v tomto složení začali řešit, co je pro aplikace v biologii důležité, jak musí zařízení vypadat, aby si ho mohli nastavit biologové sami a nepotřebovali k jeho obsluze asistenta.

V čem spočívá unikátnost tohoto mikroskopu?
Holografické mikroskopy obecně umožňují pozorovat živé buňky bez použití fluorescenčních barviv, která podstatně ovlivňují chování buněk. V dosavadních typech holografických mikroskopů se pro osvětlení používá laser nebo laserová dioda. To má nežádoucí účinky – obraz má horší rozlišení, objevují se v něm proužky, vlnky a jiné nechtěné artefakty. My jsme dosáhli toho, že jako v klasickém mikroskopu můžete vzorek nasvítit obyčejnou žárovkou, LED diodami nebo výbojkou. Také obraz je pak stejně kvalitní jako v klasických světelných mikroskopech.

Vzorek na sklíčku zůstává ve svém prostředí…
… a proto je patrné, co ovlivňuje aktivitu buněk, co je usmrcuje nebo proč jsou „čilejší“. Z holografického obrazu je možné číselně určit, jaká je kde koncentrace buněčné hmoty a jak se hmota buňky přesouvá. Tím, že vidíme živé buňky, aniž bychom do jejich životního cyklu příliš zasahovali, lze účinně sledovat působení některých látek. Experiment probíhá v průtokové komůrce, kterou tyto látky procházejí. Navíc s naším mikroskopem lze pracovat i v opticky nepříznivém prostředí, ne jen v průzračném médiu. To je další výhoda proti klasickému holografickému mikroskopu, jenž využívá laserové osvětlení. Kalnější prostředí zobrazení tímto mikroskopem prakticky zlikviduje, zatímco my vidíme pořád velmi zřetelně.

Profesor Radim Chmelík u mikroskopu Tescan | Autor: Igor Šefr

Od udělení českého patentu už uplynuly tři roky, máte nějakou zpětnou vazbu, kde se multimodální holografický mikroskop používá?
Jeden přístroj je nyní v Praze v Ústavu molekulární genetiky Akademie věd, druhý používají v Georg Speyer Haus – Ústavu pro biologii nádorů a experimentální terapii ve Frankfurtu nad Mohanem. Na VUT pokračujeme v experimentech na třetím mikroskopu, a pokud možno, volíme takové, které by mohly mít přínos při výzkumu onkologických onemocnění, případně při testování látek, které by mohly být nadějné jako léčiva v boji s rakovinou. V této oblasti spolupracujeme s kolegy z Fakultní nemocnice u svaté Anny.

Mikroskop asi známe všichni z hodin přírodopisu. Liší se ten váš nějak i vzhledem?
Připomíná dva klasické mikroskopy vedle sebe. Je to proto, že se porovnává světlo, které prochází vzorkem, s tím, které prochází mimo něj. Jsou to vlastně dva optické systémy, které se spojují v jeden, a výsledný obraz se získává interferencí dvou světelných svazků.

Jaký bude v mikroskopii další vývoj? Lze ještě vidět „menší“ věci?
Pomocí světla? V poslední době se objevuje mnoho možností, jak dosáhnout tak zvaného superrozlišení. Limit rozlišení běžných světelných mikroskopů je asi dvě desetiny mikrometru. Staví se však různá zařízení, která využívají zajímavých fyzikálních principů k tomu, abychom se dostali pod tento limit. Takže nově už mluvíme o rozlišení s pomocí světla v desítkách nanometrů… To mne třeba velmi zajímá.

Takže tudy bude pokračovat vaše další cesta?
Určitě budeme pokračovat v holografii, tam máme přece jen trošku náskok v teorii ( :-) ), a ani to nestíháme experimentálně ověřovat.  Máme spoustu nápadů, které se týkají například možnosti třírozměrného zobrazení pomocí holografického záznamu. Mechanické přeostření lze totiž alespoň zčásti nahradit výpočtem, který však není triviální, právě pokud nepoužíváme laserového osvětlení. Rádi bychom také uvažovali o některých principech  superrozlišení a důležitým směrem do budoucna se stane určitě i vícefotonová mikroskopie, v níž se využívá velmi krátkých záblesků laseru s velmi vysokým výkonem.

Vědu vždy pohánělo nadšení a zaujatost pro věc, jakkoliv byly podmínky nepříznivé. Když něco opravdu chcete, vždycky najdete cestu, jak experiment udělat. V tom je velká naděje.

Existují tedy vůbec nějaké limity?
Určitě, i když se zatím zdá, že se každý limit podařilo nějakým způsobem obejít. Mnohé posouvá vpřed základní fyzikální výzkum a navazující technologický vývoj. Myslím, že uvidíme ještě zajímavé věci.

Máte nějaký vědecký sen?
Mám rád, když se podaří nějakou fyzikálně pěknou myšlenku zajímavým způsobem aplikovat. To je třeba případ holografické mikroskopie. Takže můj sen je pořád stejný: objevit nebo oprášit nějaký takový princip a využít ho v mikroskopii. Za zásadní považuji dobré praktické uplatnění nového zařízení. Moje práce je sice převážně teoretická, ale chci vidět, že nové přístroje se budou smysluplně využívat, nejlépe v lékařské praxi.

Často se traduje historka, že akademik Otto Wichterle své první kontaktní čočky vytvořil o Vánocích doma s použitím stavebnice Merkur svých synů… Dnes vyrůstají vědecká centra jakou houby po dešti, vědci mají, zdá se, skvělé podmínky. Domácí čočkostroje jsou tedy již minulostí?
Vědu vždy pohánělo nadšení a zaujatost pro věc, jakkoliv byly podmínky nepříznivé. Když něco opravdu chcete, vždycky najdete cestu, jak experiment udělat. V tom je velká naděje. Dnes ani tak reálně nehrozí, že by někdo musel brát dětem stavebnici. Vybavením nových center jsme se dostali na světově srovnatelnou úroveň. Za světovou špičkou ale pokulháváme v podmínkách pro vědeckou práci. Srovnatelné instituce v zahraničí mají zpravidla určitou část rozpočtu zajištěnou institucionálním financováním. Nová česká vědecká centra takovou jistotu nemají. To bere aspoň minimální stabilitu týmům v okamžicích, kdy právě nejsou úspěšné v grantové „loterii“. Třeba proto, že svůj výkon investovaly do přípravy svého vědeckého centra. Druhým handicapem českých vědců je rozsáhlá administrativní zátěž. Podmínky řešení projektů někdy nastavují lidé, kteří o vědě mnoho nevědí. Pokud se nic nezmění, mohlo by se stát, že lidé, kteří chtějí svoje myšlenky realizovat, budou hledat místo, kde to budou mít jednodušší. Ale věřím, že nakonec zdravý rozum zvítězí. (jih)

TémataFakulta strojního inženýrství CEITEC VUT zaměstnanci věda a výzkum spolupráce

Související články:
Firmy by měly platit za nápady z akademické půdy, říká zakladatel NenoVision
Grafen - mladý a nedočkavý favorit
V CEITECu zkoumají mozek. Zaměřují se především na nervy a cévy
Model plic pomůže přejít od píchání inzulinu k jeho inhalaci
Na VUT vyvinuli motor na stlačený plyn. Zájem o něj mají v Indii