Vědci UJEP bojují proti Covid-19 výzkumem nanozymů - UJEP | Univerzita J. E. Purkyně

Vědci UJEP bojují proti Covid-19 výzkumem nanozymů

Jak se bránit nákaze novým koronavirem?

Vědci z FŽP UJEP a PřF UJEP pracují na řešení pomocí výzkumu a aplikace nanozymů. A vědci z FSE UJEP zase pracují na tom, aby tomu porozuměl i laik. Přečtěte si článek prof. Pavla Janoše, zpracovaný do laikům srozumitelného jazyka naší odbornicí na průmyslový marketing, Ing. Lucií Povolnou. Článek přebíráme z platformy SMART-MATEQ.CZ.

Boj proti nemoci COVID-19 je velkým úkolem pro vědce po celém světě. Málokdo váhá, zapojení do boje proti novému koronaviru se odehrává v různých formách, a to i na naší univerzitě v Ústí nad Labem. Není to však jen o výrobě ochranných prostředků, ale také o hlubším studiu chemických procesů, které při boji s virem mohou být těmi vítěznými. Kolegové z fakulty životního prostředí a přírodovědecké fakulty se věnují výzkumu tzv. nanozymů – materiálů, u kterých byla nedávno prokázána schopnost inaktivovat chřipkové viry.

Ilustrační obrázek

Velikost částic nanomateriálů je srovnatelná s velikostí virů, což dává nanomateriálům velkou šanci uspět v boji proti šíření koronaviru. Toto přesvědčení publikoval na začátku března profesor Thomas Webster z Northeastern University v Bostonu v tomto článku. Ve skutečnosti koronaviry svou velikostí asi 100 –120 nm lehce přesahují nanočástice, jež jsou z definice menší než 100 nm. I tak jde o částice velice malé, které např. běžné masky či filtry nezachytí a je nutno použít např. nanotextilií.

Jak je to tedy s použitím nanočástic v boji proti virům vysvětluje profesor Pavel Janoš z FŽP UJEP

Patrně největší zkušenosti mají v současnosti (celkem pochopitelně) v této oblasti čínští badatelé. V září minulého roku zveřejnila skupina vědců z šesti čínských institucí práci [1], v níž popisují použití tzv. nanozymů jako prostředků k inaktivaci (potlačení aktivity) chřipkového viru. Nanozymy jsou, zhruba řečeno, anorganické analogy (látky, které se v jistém smyslu chovají podobně jako enzymy biologického původu) enzymů (bílkoviny urychlující biochemické reakce v organismu), nejčastěji nanokrystalické oxidy některých kovů. V případě zmiňované čínské studie šlo o nanočástice oxidů železa, které mimo jiné vykazují magnetické vlastnosti, což usnadňuje jejich cílenou aplikaci. Čínští vědci využili schopnosti nanočástic simulovat (napodobovat) činnost enzymů peroxidázy (enzym urychlující oxidaci látek peroxidem vodíku) a katalázy (urychluje rozklad peroxidu vodíku na vodu a kyslík). Díky tomu se jim podařilo narušit tzv. obálku viru a tím jej zneškodnili. To se zdá být dobrou strategií, neboť obálka je (trochu paradoxně) slabým místem tohoto typu virů.

Co s tím má UJEP společného?

Výše zmiňované materiály jsou předmětem výzkumu na UJEP. Zabýváme se jimi již dlouhou dobu, byť z jiných důvodů.

Profesor Janoš dále vysvětluje:

Nanozymatickou (pseudo-enzymatickou) aktivitu vykazuje řada nanomateriálů včetně oxidu ceričitého, který je intenzivně zkoumán na našich pracovištích. Oxid ceričitý není na rozdíl od oxidů železa magnetický, s tím si však dokážeme poradit. Již před časem jsme vyvinuli kompozitní materiál s magnetickým jádrem a s aktivní vrstvou oxidu ceričitého na povrchu. V současné době probíhá intenzivní výzkum těchto materiálů ve spolupráci s VŠB-TUO Biologickým centrem AVČR v Českých Budějovicích. I oxid ceričitý je schopen simulovat činnost katalázy a peroxidázy (a dalších podobných enzymů), navíc je však schopen štěpit některé biologicky významné organofosforečné sloučeniny.

Jak to souvisí s koronaviry?

Zmíněná obálka koronaviru je tvořena převážně tzv. fosfolipidy (patří mezi hlavní součásti buněčných membrán). Fosfolipidy mají strukturu trochu podobnou mýdlu (proto se taky fosfolipidy a potažmo koronaviry tak účinně odstraňují pomocí mýdla) – obsahují tedy fosforečnou skupinu jako hydrofilní část a lipidickou, tedy hydrofobní část. Fosforečná skupina je se zbytkem molekuly vázána tzv. fosfodiesterovou vazbou, která je považována za velice pevnou (tvoří mj. základ struktury DNA a RNA). Poločas rozpadu sloučenin s touto vazbou se odhaduje na milion let. V nedávno uveřejněné práci s názvem Can cerium oxide serve as a phosphodiesterase-mimetic nanozyme? [2] jsme ovšem ukázali, že za přítomnosti oxidu ceričitého se doba rozkladu takových látek zkracuje na několik málo hodin. Zdá se, že anorganické nanozymy nejsou ve srovnání s organickými („pravými“) enzymy tak selektivní, pokud jde o typ vazby, na kterou působí; jejich působení je poněkud „razantnější“, což by v případě použití jako antivirálního činidla mělo být spíše výhodou. Tzv. nanoceria je zvláštní forma oxidu ceričitého, která dokáže dramaticky urychlit rozklad některých odolných sloučenin.

Obr. z článku Can cerium oxide serve as a phosphodiesterase-mimetic nanozyme?

K jakým úvahám tato fakta naše kolegy vědce z UJEP vedou?

Nanoenzymatické štěpení fosfolipidů je v mnoha ohledech zajímavým problémem. Zda to může přispět k boji proti koronaviru, je otázkou – likvidace viru je přece jenom složitější než štěpení jedné chemické vazby. V každém případě jsme se rozhodli výzkum v tomto směru urychlit a doktorandi již začali vyvíjet postup testování fosfolipidázové aktivity nanozymů.

Kde a jakou formou by se případně, když by procesy fungovaly, nanozymy využívaly?

Obecně řečeno se dají nanozymy používat podobně jako jiné prostředky, tedy ve formě masti, spreje apod. Číňané to např. použili (mimo jiné) k impregnaci obličejové masky. Ovšem hlavní výhodou nanočástic je to, že protože jsou tak malé, dají se vstříknout do těla pomocí injekce. Tak se např. aplikují právě magnetické částice oxidů železa. Mohou sloužit jako kontrastní látka při různých zobrazovacích metodách (možná někdo zažil, že mu před vyšetřením na CTT něco vstříkli do žíly – to asi nebyly oxidy železa, ale daly by se tak aplikovat). Když už ovšem dostaneme tímto způsobem konkrétní nanomateriál až na „nemocné“ místo v těle (např. nádor), můžeme na ně působit třeba silným magnetickým polem a tím zhoubný nádor zcela zlikvidovat.

Skoro určitě to nebude lék ani vakcína. Je tu ale i přesto velký medicínský potenciál, již dnes existuje dost rozsáhlý, byť mladý obor – nanomedicína. Hodně se v této souvislosti mluví o léčbě tzv. neurodegenerativních chorob (Parkinson, Alzheimer) a rakoviny. Musím ovšem zdůraznit, že o aplikaci nanomateriálů proti virům se toho ví zatím žalostně málo, a to ve světovém měřítku (možná se to teď změní). Ani my jsme se tím zatím systematicky nezabývali. Našim úkolem bylo zneškodňování toxických chemikálií. Teprve v poslední době se dostáváme k biologickým, biochemickým a podobným aplikacím. Je zajímavé, že člověk začne Novičokem, a skončí u koronaviru…

REPORTÁŽ ČESKÉ TELEVIZE NA FŽP 11. 4.: odkaz, čas reportáže o nanozymech v Ústí: 9:46

Použité zdroje:
[1] T. Qin, R. Ma, Y. Yin, X. Miao, S. Chen, K. Fan, J. Xi, Q. Liu, Y. Gu, Y. Yin, J. Hu, X. Liu, D. Peng, L. Gao, Catalytic inactivation of influenza virus by iron oxide nanozyme, Theranostics. 9 (2019) 6920–6935. https://doi.org/10.7150/thno.35826.
[2] P. Janoš, J. Ederer, M. Došek, J. Štojdl, J. Henych, J. Tolasz, M. Kormunda, K. Mazanec, Can cerium oxide serve as a phosphodiesterase-mimetic nanozyme?, Environ. Sci. Nano. 6 (2019) 3684–3698. https://doi.org/10.1039/C9EN00815B.