Brno představilo nové směry mikroskopie v průmyslu i medicíně

V oblasti mikroskopie patří české firmy i výzkumné týmy mezi nejlepší na světě. Především elektronová mikroskopie dnes dosahuje úspěchů v jiných odvětvích české společnosti nevídaných.

Asi čtvrtina celosvětových výdajů za elektronové mikroskopy jde za přístroji vyráběnými brněnskými firmami. V Ústavu přístrojové techniky AV ČR v Brně zase působí vědkyně Šárka Mikmeková, která svým výzkumem v oblasti ztenčování plechů ohromila i japonské odborníky a jako první vědec z České republiky získala prestižní ocenění od Japan Institute of Metals and Materials.

Není tedy překvapením, že právě Brno hostilo 6. a 7. října 2021 dvě významné konference zaměřené na moderní mikroskopii. Vědecké a odborné špičky z oblasti mikroskopie dva dny diskutovaly o vývoji a směrování tohoto rychle se rozvíjejícího oboru a možností jeho využití v průmyslové sféře a medicíně. „Naší ambicí bylo propojit odborníky, firmy a vědecké instituce zabývající se různými typy mikroskopie a společně hledat způsoby, jak spojit výhody jednotlivých technik. Chtěli jsme posunout možnosti analýzy a zkoumání živých i neživých materiálů o krok kupředu,“ říká Jiří Očadlík, garant prvního dne konference.

Uplatnění v průmyslu

Moderní laboratoře ať už v jednotlivých odvětvích průmyslu či vědy se dnes bez špičkového mikroskopu neobejdou. Používají je oceláři při vývoji nových pevnějších materiálů pro výrobu aut i chemici při zkoumání vlastností nových polymerů a kompozitních materiálů. Také výrobci mobilních telefonů by bez něj při vývoji nového čipu nemohli sledovat chování jednotlivých tranzistorů. Podle Jana Neumana, garanta druhého dne akce, je dnešním trendem vysoká automatizace zkoumání a zpracování obrovského množství dat. S vývojem nových výrobků rostou i požadavky na zkracování doby zkoumání, tedy zrychlování mikroskopů. Neustálou výzvou je i zlepšování schopnosti rozlišovat detaily a vidět hlouběji do nitra hmoty.

„Každá analytická metoda přináší obvykle jen částečnou informaci o studovaném materiálu, avšak korelací výsledků z jednotlivých technik získáme informaci ucelenou. Proto je současnou tendencí mít víceúčelové zařízení s možností co nejvíce technik vzájemně kombinovat,“ doplňuje Tomáš Šamořil, který na konferenci vystoupil v bloku Korelativní charakterizace materiálů. Ve společnosti Tescan se zabývá speciálními technikami v oblasti nanoprototypování a hmotnostní spektrometrie. „Tato technika nachází své využití ve studiu lithium-iontových akumulátorů, které jsou nedílnou součástí především mobilních telefonů a elektricky napájených automobilů, dále pak v chemické analýze těžených hornin, kovových slitin, radioaktivních materiálů apod.,“ doplňuje Šamořil.

Nová generace oceli

Ukazuje se, že korelativní mikroskopie má zásadní význam také při vývoji moderních ocelí. „Umožňuje nám optimalizovat přípravu metalografických vzorků a tím významně zpřesnit možnosti identifikace jednotlivých fází. To vede k lepšímu pochopení vztahu mezi strukturou a výslednými mechanickými vlastnostmi ocelí, což je zásadní pro vývoj nové generace, jako jsou například vysokopevnostní ocele pro automobilový průmysl,“ doplňuje Šárka Mikmeková z Ústavu přístrojové techniky Akademie věd ČR. Ta se spolu se svým japonským kolegou podílela na vytvoření nové generace vysokopevnostní oceli, která si i přes nižší profil zachová veškeré bezpečnostní prvky.

Takzvaná TRIP ocel je klíčovým materiálem v automobilovém průmyslu, kde slouží k výrobě odlehčených karosérií, používá se i pro výrobu komponent v leteckém průmyslu či při stavbě mrakodrapů. Pro její další vývoj je klíčové pochopení vztahu mezi mikrostrukturou a výslednými mechanickými vlastnostmi. O tématu vědkyně hovořila i ve své přednášce. Podle ní je ocel materiálem budoucnosti i z důvodu, že oproti různým kompozitním materiálům lze kompletně recyklovat a znovu použít. „To je velký bonus, ocel je opravdu eco friendly, což si lidé neuvědomují,“ doplňuje Mikmeková.

Vývoj nových léčiv a vakcín

Využití moderní mikroskopie v biologii se prolínalo řadou přednášek. V současné době asi každý zahlédl vizualizaci struktury viru SARS-CoV-2, avšak málokdo již tuší, že tato data byla získána díky elektronovému mikroskopu. „Právě znalost struktury viru nám pomáhá lépe identifikovat potenciální léčiva či očkovací látky, které zabraňují interakci viru s lidskou buňkou a zamezují tak nákaze. Podobných příkladů, kdy na základě znalosti procesů probíhajících v nanosvětě můžeme ovlivnit náš makrosvět je více, a právě elektronová mikroskopie nám nabízí klíč od tohoto poznání,“ uvedla na konferenci Zuzana Patáková ze společnosti Thermo Fisher Scientific.

Ve své přednášce představila základní metody zobrazení struktury buněk pomocí elektronových mikroskopů a ukázala, jak tyto metody zapadají do vývojového procesu nových léčiv či vakcín. V odborné části se zaměřila na nejsložitější kroky celého postupu s cílem otevřít diskuzi o tom, jak by mohl základní akademický výzkum přispět k zjednodušení celého procesu.

Vývoj a aplikace mikroskopických metod představili také vědci Tomáš Šikola a Radim Chmelík z VUT v Brně. Nastínili, že výsledky jejich práce mohou přinést pokrok například v oblasti diagnostiky a léčby rakoviny či vážných infekčních chorob či v oblasti výzkumu pokročilých materiálů a nanotechnologií. Ty se uplatňují například v lékařství nebo při produkci výrobků s vyšší užitnou hodnotou šetrných k životnímu prostředí.

Pokrok v medicíně a korelativní mikroskopii

Miloš Hovorka ze společnosti Thermo Fisher Scientific se zaměřil na metodu kryo elektronové tomografie. Tato moderní metoda umožňuje pozorovat chování a vzájemnou interakci makromolekul v jejich přirozeném buněčném prostředí. Získané výsledky jsou aplikovány i při výzkumu rozličných nemocí, například Alzheimerovy choroby, a to k pochopení mechanismů, které se podílejí na rozvoji nemoci. „Nepostradatelným pomocníkem pro opracování kryo vzorků do formy vhodné pro elektronovou tomografii jsou specializované kryo mikroskopy s elektronovým a iontovým svazkem, na jejichž vývoji se podílíme,“ podotkl Miloš Hovorka.

Ve své prezentaci se zaměřil na představení kombinace integrovaného fluorescenčního (světelného) a kryo FIB-SEM mikroskopu. „Zjednodušeně řečeno si lze přínos fluorescenčního signálu představit tak, jako bychom rozsvítili světelné zdroje, což jsou v našem případě fluorescenčně značené makromolekuly, v tmavé místnosti, tedy v buňce, a ty nám posloužily k navigaci a rozpoznání hledaného místa zájmu,” doplnil Hovorka.

Kombinace mikroskopických metod

Spojení více metod představila na konferenci také vědkyně Jana Moravcová z centra CEITEC MU. Podle ní je v buňce velmi složité identifikovat specifickou makromolekulu pouze pomocí kryo elektronové mikroskopie. Pro identifikaci specifického objektu uvnitř buňky může být naopak s výhodou použita fluorescenční mikroskopie. „Kombinací elektronové a fluorescenční mikroskopie tak získáme možnost studovat specifické makromolekuly nebo virovou infekci přímo uvnitř buněk, a to s velmi vysokým rozlišením a v podmínkách podobných jejich přirozenému stavu,“ upozornila vědkyně.

Na konferenci představila aktuální přístrojové vybavení Centrální laboratoře Kryo-elektronové mikroskopie a tomografie CEITEC MU umožňující analýzu biologických vzorků za kryo podmínek právě díky kombinaci elektronové a fluorescenční mikroskopie. Tato unikátní metoda umožňuje sledovat komplexní prostředí buňky velmi blízko jejím přirozeným podmínkám.

Češi vyvíjejí unikátní mikroskop. Pomůže s analýzou 2D materiálů

Spolupráce vědy a výzkumu s průmyslem

Dnešní výzvy vyžadují spolupráci. Neglobalizuje se jen oběh zboží, ale také spolupráce. V Evropě i po celém světě lze najít programy, v nichž se přední firmy a instituce zapojují do mezinárodních konsorcií, aby dosáhly pokroku a znalostí pro další rozvoj. Typickým příkladem byly řady projektů programu EU Horizon 2020 či projekt ImageHeadstart, který na konferenci představil Dalibor Štys z Jihočeské univerzity. „ImageHeadstart je má srdeční záležitost. Účastní se jej čtyři pracoviště z česko-rakouského příhraničí a inovativní společnosti, které nám vědcům svými špičkovými přístroji umožní být v čele technologického vývoje,“ říká Štys.

V přednášce pro Český optický klastr se dále věnoval problémům, které vznikají při využití digitálních kamer jako detektorů záření ve světelné mikroskopii. Ukázal, že při důsledné fyzikální analýze signálu lze získat informaci o vzorku v rozlišení desítek nanometrů při současné velikosti zkoumaného vzorku v řádu nižších desítek milimetrů. To umožňuje, například v medicíně, zpřesnit histologické analýzy pro diagnostiku rakoviny, sledovat statisticky významné počty krevních buněk za současného pozorování jejich struktury pro diagnostiku buněčné imunity nebo pozorovat celou lidskou rohovku a vytvořit její 3D model pro správné provedení transplantace.

„Další aplikace jsou možné například v materiálovém inženýrství, kde jako extrémní příklad uvádím sledování borcení a degradace struktur kompozitních materiálů na rychlých časových škálách. Jiný pohled na totéž matematické a fyzikální řešení umožňuje i vývoj příručních spektrometrů založených na levných digitálních kamerových čipech nebo lepší kalibraci digitálních kamer,“ doplňuje Dalibor Štys.

Financování inovativních projektů

Na konferenci také vystoupila Monika Vrbková z inovační agentury JIC, která se zabývá podporou rozvoje inovativního podnikání, a to jak začínajících, tak i zkušených podnikatelů s ambicí prosadit se na mezinárodním trhu. „Podmínka inovativnosti podpořených produktů nás vede ke specializaci na vysoce konkurenční programy spravované přímo Evropskou komisí. Jde především o Horizon Europe a jeho EIC Accelerator, který financuje dokončení vývoje a škálování průlomových inovací s potenciálem vytvořit nový nebo výrazně ovlivnit stávající trh,“ říká Monika Vrbková.

Odborníci z JIC dokážou firmy nasměřovat k vhodnému zdroji financování, provést je celým procesem podání žádosti, podpořit je při přípravě kvalitního projektu a poskytnout jim cenná data o trhu a technologických trendech v dané oblasti. Díky zapojení do největší evropské sítě na podporu podnikání Enterprise Europe Network umí firmu propojit i se zahraničními partnery. Dokážou také zprostředkovat financování i velmi raným záměrům, které potřebují prostředky na výrobu prototypu a jeho ověření. Firmám k tomu nabízí program Prototypuj a ověřuj. Podobným způsobem podporuje JIC rozvoj inovací v oblasti pozemského využití vesmírných technologií prostřednictvím inkubátoru Evropské kosmické agentury.

Přes dva miliony korun na prototypy. Brno podpoří další vznik startupů

Budoucnost patří mikroskopii

Dvoudenní konference zaměřená na moderní mikroskopii a korelativní charakterizaci materiálů otevřela řadu témat a nasměřovala firmy i výzkumné instituce k další vzájemné spolupráci. Ukázala, že kromě tradičního uplatnění v biologických vědách nachází moderní mikroskopie stále častěji aplikace v materiálových vědách i v automobilovém, ocelářském a polovodičovém průmyslu či ve vývoji baterií a mikročipů. V oblasti medicíny přispívá k rychlejšímu vývoji nových léků pro účinnou léčbu závažných onemocnění.

Díky moderní mikroskopii mohou vznikat inovace v medicíně, v oblasti ochrany životního prostředí, leteckém nebo automobilovém průmyslu. Kromě již tradičních firem v oboru tu vznikají i další nové firmy, jako například první spin-off z CEITEC VUT NenoVision, který vyvinul doplněk elektronového mikroskopu umožňující trojrozměrné zobrazení, což je důležité například pro výzkum solárních článků nebo mikročipů.

Redakčně upravená tisková zpráva Českého optického klastru