Výzkumné oblasti

Zemědělství pro měnící se svět. Jak se rostliny vyrovnávají s měnícími se podmínkami prostředí a jak jim můžeme pomoci lépe odolávat nepříznivým vlivům? Vědci z CATRIN hledají odpovědi na tyto otázky a získané poznatky využívají při vývoji inovací pro odolnější plodiny a udržitelnější zemědělství. Propojují rostlinnou biologii, biotechnologie, pokročilou fenotypizaci, inovativní chemii a moderní metody analýzy dat, aby přispěli k řešení zásadních výzev současnosti – od změny klimatu přes zajištění potravinové bezpečnosti až po udržitelné využívání přírodních zdrojů.

Šlechtění plodin a biotechnologie hrají zásadní roli při vývoji nové generace zemědělských plodin. S využitím moderní molekulární biologie a nových genomických technik (NGT) vědci zvyšují odolnost, produktivitu a kvalitu plodin. Pokročilé metody genetické transformace rostlin umožňují vyvíjet a testovat plodiny se zvýšenou tolerancí vůči stresovým podmínkám. Výzkum zahrnuje také molekulární farmaření, tedy využití rostlin k produkci cenných látek, včetně proteinů s potenciálním uplatněním v oblasti zdraví lidí a zvířat.

Neméně důležité je porozumět tomu, jak rostliny reagují na podmínky prostředí. CATRIN provozuje Olophen, poloautomatizovanou fenotypizační platformu, která umožňuje pomocí neinvazivních zobrazovacích metod analyzovat tisíce rostlin vystavených současnému působení několika stresových faktorů. V kombinaci s pokročilými senzorickými technologiemi, umělou inteligencí a analýzou dat pomáhají tyto nástroje identifikovat vlastnosti, které ovlivňují odolnost a výkonnost zemědělských plodin.

Chemická biologie a vývoj agrochemických přípravků otevírají další možnosti, jak podpořit růst a odolnost plodin. Výzkumníci vyvíjejí regulátory růstu rostlin, agrochemické přípravky a biostimulanty, přičemž využívají vysokokapacitní biologické testování a automatizovanou fenotypizaci. Tyto aktivity doplňuje analytická platforma OpenAgTech, která umožňuje fytochemické profilování, hodnocení kvality zemědělských plodin a analýzu bioaktivních látek i kontaminantů životního prostředí.

Propojování vědeckých objevů se zemědělskou praxí je nedílnou součástí přístupu CATRIN. Díky spolupráci s průmyslovými partnery a transferu technologií vědci posouvají směrem k praktickému využití inovace od vylepšených plodin až po fenotypizační a senzorické technologie. Patenty licencované mezinárodním společnostem i spin-off firmy vzniklé na základě výzkumu dokládají potenciál přenášet inovace z laboratoří přímo na pole a přispívat tak k rozvoji modernějšího, odolnějšího a udržitelnějšího zemědělství.

V CATRIN se výzkum v oblasti prevence a léčby civilizačních chorob zaměřuje na propojení nejmodernějších nanotechnologií, biomedicíny a molekulární biologie. Vědci vyvíjejí unikátní materiály a technologie, které zlepšují diagnostiku i terapii závažných onemocnění, jako jsou rakovina, zánětlivé a infekční choroby či vzácné genetické poruchy. Během pandemie covidu například vyvinuli magnetické částice na bázi železa, které umožňují rychlou separaci RNA a DNA z biologických vzorků – technologii dnes využívanou v diagnostických sadách nejen pro COVID-19, ale i pro další virové infekce. Významným tématem je také boj s bakteriální rezistencí vůči antibiotikům.

Výzkumníci se věnují také vývoji nových nosičů léčiv, pokročilých zobrazovacích systémů a plazmonických biosenzorů, které mohou zásadně urychlit detekci chorob či zefektivnit léčbu. Spolupracují s ostatními týmy CATRIN na vývoji multifunkčních nanočástic a 2D materiálů, které lze přesně upravit pro cílené doručování léčiv, zobrazování nádorových tkání nebo sledování biologických procesů v reálném čase. Významnou součástí práce je také testování toxicity těchto materiálů, aby jejich zavedení do klinické či komerční praxe bylo bezpečné a efektivní.

Odborníci se soustředí rovněž na základní biologické procesy, které stojí za vznikem civilizačních chorob, především na odpověď buněk na poškození DNA a mechanismy její opravy. Tyto procesy hrají klíčovou roli ve vývoji rakoviny, a proto představují ideální cíl pro vývoj nových protinádorových léčiv. Cílem výzkumu je rovněž vytvoření vysoce kapacitních screeningových systémů, které umožní hodnotit účinek různých látek na integritu DNA v lidských buňkách. Díky špičkovému přístrojovému vybavení a interdisciplinárnímu přístupu CATRIN propojuje základní výzkum s aplikacemi, které mohou vést k novým léčebným metodám, diagnostickým nástrojům i technologickým inovacím s komerčním potenciálem.

CATRIN spojuje špičkový materiálový výzkum s vizí udržitelné energetiky budoucnosti. Vědci vyvíjejí inovativní materiály a technologie umožňující efektivní přeměnu, ukládání a využití obnovitelné energie. Vytváří nové třídy hybridních systémů založených na fotoaktivních polovodičích a uhlíkových nanomateriálech. Tyto systémy dokážou přeměňovat sluneční energii na chemickou prostřednictvím procesů, jako je štěpení vody nebo fotoelektrokatalýza, a tím otevírají cestu k výrobě čistého vodíku či dalším udržitelným řešením pro energetiku.

Další jedinečný přístup spočívá v kombinaci strategií, které ve vzájemné synergii výrazně zvyšují účinnost (foto)elektrokatalytických procesů. Výsledkem jsou materiály s optimalizovanou strukturou a funkcionalitou schopné zachytit více světla, zlepšit přenos náboje a urychlit povrchové reakce. Tyto vlastnosti jsou klíčové pro rozvoj solárních článků nové generace i technologií pro přeměnu slunečního záření na vodík, který je považován za palivo budoucnosti.

Neméně důležitý je také výzkum v oblasti ukládání energie. Díky bohatým znalostem z 2D chemie grafenu vyvinuli výzkumníci řadu grafenových derivátů, které mají velký potenciál pro energetické aplikace, zejména v bateriích a superkondenzátorech. Například dusíkem dopovaný grafen se ukazuje jako mimořádně perspektivní materiál pro superkondenzátory – zařízení umožňující rychlé nabíjení a dlouhou životnost oproti běžným lithiovým bateriím. Díky projektu Evropské rady pro inovace (EIC) Transition Challenges vědci připravili prototyp zařízení, které může změnit způsob, jakým uchováváme elektrickou energii. Spojením špičkového materiálového výzkumu a průmyslových partnerství CATRIN přináší konkrétní řešení pro udržitelnou energetiku a přechod k bezuhlíkové ekonomice. Za účelem jeho přenosu do praxe vznikla společnost Atomiver.

Vývoj nových materiálů patří k nejvýznamnějším pilířům CATRIN a představuje oblast, ve které zdejší týmy dosahují celosvětově uznávaných výsledků. Již v roce 2010 stáli vědci u objevu fluorografenu – vůbec nejtenšího izolantu na světě. Na tento zásadní objev navázali rozvojem unikátní „2D chemie", díky níž vznikla rozsáhlá paleta derivátů s nastavitelnými fyzikálními, chemickými i mechanickými vlastnostmi. Tyto materiály jsou vhodné pro aplikace v biomedicíně, senzingu, energetice, ochraně povrchů nebo elektronice a jejich potenciál nadále roste. Více o portfoliu 2D derivátů je dostupné také na specializovaném portálu graphene-derivatives.com.

Významnou oblastí výzkumu je rovněž vývoj plazmonických materiálů, které dokážou mimořádně účinně využívat světelnou energii. Vědci CATRIN se zaměřují zejména na nanostruktury nitridu titanu, které představují cenově dostupnější alternativu k drahým kovům. Jejich unikátní optické vlastnosti otevírají nové možnosti v oblasti fotokatalýzy, výroby vodíku, chemického průmyslu, senzorů i biomedicíny. Mezi významné výsledky patří například vývoj solárních nanopecí schopných přeměňovat sluneční záření na teplo nebo nových katalyzátorů, které s využitím světla umožňují šetrnější přeměnu biomasy na suroviny pro výrobu bioplastů.

Dalším důležitým směrem je výzkum nanotrubic oxidu titaničitého (TiO₂), jejichž strukturu a vlastnosti dokážou vědci cíleně upravovat pro konkrétní aplikace. Tyto materiály nacházejí uplatnění zejména při využití sluneční energie, fotokatalytické výrobě vodíku nebo odstraňování znečišťujících látek z vody. Příkladem jsou světlem pohánění nanoroboti na bázi TiO₂ nanotrubic, kteří dokážou účinně zachycovat mikroplasty ve vodním prostředí. Výzkum tak přispívá k vývoji nových technologií pro čistší životní prostředí a udržitelnou energetiku.

CATRIN se dlouhodobě věnuje také vývoji a funkcionalizaci magnetických nanočástic. Díky řízené chemické úpravě jim vědci umí vtisknout mimořádně selektivní vlastnosti, které umožňují jejich využití v celé škále chytrých technologií – od cílené separace biomolekul přes purifikaci průmyslových směsí až po diagnostické či analytické aplikace. Specialisté dokáží připravit nanočástice na míru konkrétním požadavkům partnera, včetně úpravy pro vysoce specifickou separaci proteinů či jiných molekul i z komplexních matric.

Praktickým důkazem úspěšného přenosu těchto technologií do praxe jsou dvě licenční smlouvy na separaci laktoferinu z kravského mléka a syrovátky – oblast, ve které se podařilo propojit špičkový výzkum CATRIN s konkrétními potřebami potravinářského a biotechnologického průmyslu. Tato technologie výrazně zjednodušuje a zpřesňuje proces získávání cenných proteinů a ukazuje, že řešení vyvíjená v CATRIN mají reálný komerční dopad.

CATRIN uplatňuje pokročilé nanomateriály a nanotechnologie také v oblasti čištění vod, kde výzkumníci vyvinuli a testují systémy založené na reaktivních nanočásticích železa pro remediaci odpadních či podzemních vod. Například v projektu NANOBIOWAT – systém pro podpovrchové čištění podzemních vod a jeho přínos pro ochranu vodních zdrojů a životního prostředí, prokázali, že špičkový výzkum při skvělé spolupráci akademiků se sanačními firmami lze dotáhnout až do průmyslové praxe. Také díky tomu se podařilo některé technologie využít pro dekontaminaci znečištěných vod v řadě lokalit v ČR i v zahraničí. Nanotechnologie tak přinášejí nové možnosti ke snížení ekologické zátěže a obnově degradovaných prostředí.

Jedním z konkrétních výsledků je přípravek na bázi nanočástic železa určený zejména pro likvidaci ekologických havárií, kdy je potřeba vyčistit kontaminované vody. Šumivé tablety dokáží z vodného prostředí velmi rychle odstranit například šestimocný chrom, arzen, herbicidy, pesticidy i další znečištění.

Kromě konkrétních aplikací CATRIN věnuje pozornost i základnímu výzkumu interakcí nanomateriálů s živými systémy a jejich dlouhodobé účinnosti v prostředí. Například zkoumá, jak organická přírodní hmota ovlivňuje chování nanotechnologií v čištění vod.

Dalším významným výzkumným směrem CATRIN je pokročilý senzing, který využívá unikátní grafenové materiály vyvinuté zdejšími vědci a nejnovější metody atomárního inženýrství. Díky schopnosti cíleně upravovat vlastnosti materiálů na úrovni jednotlivých atomů otevírají výzkumníci zcela nové možnosti vývoje vysoce citlivých a selektivních senzorů. Významným průlomem je vývoj nové generace grafenových inkoustů, do jejichž struktury vědci zabudovali jednotlivé atomy kovů. Ukázali, že volbou konkrétního atomu lze ovlivňovat citlivost a selektivitu senzoru, a otevřeli tak novou cestu k atomárnímu senzingu. Na tomto principu vyvinuli levné tištěné senzory schopné detekovat například dopamin, důležitý pro výzkum neurodegenerativních onemocnění, či vybrané protilátky. Technologie má značný potenciál pro dostupnější a přesnější lékařskou diagnostiku, ale také pro kontrolu kvality potravin nebo monitorování životního prostředí.