Technologie Biologického centra
Diagnostika virů, viroidů a fytoplazem metodou sekvenování nové generace
U jednotlivých zemědělských plodin jsou dnes známy desítky ekonomicky významných virů způsobujících škody na jejich výnosu a kvalitě. Neexistuje test, který by dokázal v jedné reakci prokázat všechny patogeny. Použití sekvenování nové generace (next generation sequencing – NGS) má potenciál odhalit všechny viry ve vzorku rostliny (např. u třešně 22 virů) a to nejen známé viry, ale i nové viry – původce chorob, zejména při mnohočetných infekcích. Využití tak nalezne nejen v rostlinné biologii, kde současná rutinní diagnostika rostlinných virů, viroidů a fytoplazem je založena na imunoenzymatickém testu ELISA (viry) a polymerázové řetězové reakci (viry, viroidy a fytoplazmy), ale také v zemědělství. Například pro specifickou oblast genetického výzkumu zaměřeného na studium rostlinných a živočišných genomů s konečným cílem generování agronomických vylepšení, jako je zlepšení kvality plodin a jejich výnosnost, zvyšování odolnosti rostlin proti patogenům, tedy omezení používání herbicidů, zlepšení účinnosti šlechtění rostlin a zvyšování přirozené schopnosti tolerance k abiotickým stresům, jako je sucho nebo mráz.
EcoVault – software s databází pro skladování velkého objemu biologických a ekologických dat
EcoVault je databázový systém pro správu dat, za jejímž účelem vědečtí pracovníci standardně používají MS Excel, MS Access, Biota a další podobné programy. EcoVault je však na rozdíl od těchto programů více intuitivní, práce s ním nevyžaduje hlubší IT znalosti a data z něj i do něj lze z těchto programů importovat i exportovat. EcoVault je moderní aplikace na bázi prohlížeče s uživatelským rozhraním známým všem, kteří běžně vyplňují formuláře, filtrují a vyhledávají data na webových stránkách. Rozhraní EcoVault je také připraveno pro současnou práci několika uživatelů na jednom datovém setu, a to jak v místní, tak celosvětové síti. Databáze má základní strukturu pro práci jak s taxony, vzorky, pozorováními jedinců z různých trofických úrovní, tak i pro vzájemné specifické interakce. Uživatelé mohou konfigurovat systém pro jednotlivé projekty na základě jejich vzorkování a protokolů, které mohou zahrnovat přidávání uživatelsky definovaných proměnných, nastavení pravidel ověřování dat a nastavení pravidel pro propojení druhů či jiných proměnných.
Systém pro in vitro testování proti‐klíštěcích preparátů a vakcín
Membránové krmení klíšťat umožňuje testování protiklíštěcích preparátů a vakcín bez použití laboratorních a experimentálních zvířat a tím pádem i bez nákladů s tím spojených (nákup, chov, provoz). Membránové krmení značně zjednodušuje celý proces testování, a kromě samotné manipulace se zvířetem, odpadá i injikace narkotických látek, které mohou mít na průběh testování různý vliv, a také další injikace v případě testování organických látek. Navíc množství testovaných látek je při in vitro testování menší a možnost současného testování různých preparátů naopak větší než při in vivo testech. Tento systém membránového krmení umožňuje pracovat se všemi vývojovými stádii klíšťat, tedy i nymf, které jsou nejrizikovějším stádiem při přenosu infekčních onemocnění. Důležitý je ovšem i etický aspekt, kdy například při testování proti‐klíštěcích repelentů apod. si je možné zažádat o certifikát potvrzující nepoužití pokusných zvířat, např.: Humane Cosmetics Standard – HCS.
Diagnostika lymské boreliózy za pomoci markerů raného stádia onemocnění
Diagnostický kit pro včasnou diagnostiku pacientů nakažených lymskou boreliózou, který je schopný odhalit onemocnění s vyšší účinností než v současnosti běžně používané testy. Umožňuje také diagnostikovat pacienta rychleji po infikování klíštětem, speciálně v těch případech, kdy je pacient nakažen vzácnějšími patogeny borelií. Přestože patří lymská borelióza mezi nejintenzivněji studovaná, klíšťaty přenášená onemocnění, neexistuje doposud vakcína, která by spolehlivě chránila před touto infekční nemocí. Stávající testy využívají markery pozdějších stádií onemocnění, mají účinnost okolo 70% a nejsou schopny odhalit jeho raná stádia. Na lymskou boreliózu se přímo neumírá, ale pokud dojde k pozdní diagnostice, jsou spirochéty schopny usídlit se v těle např. v kloubní tekutině a celoživotně způsobovat pacientům zdravotní problémy a hrozí opětovné propuknutí nemoci, pokud je oslabená imunita pacientů. Tento test je schopen v konečném důsledku šetřit náklady na léčbu pacientů, jelikož včasná a přesná diagnostika umožní zkrátit léčbu a omezit relapsy a chronické stavy onemocnění.
Přenosový model lymské boreliózy
Spolehlivý laboratorní přenosový model je nezbytný pro rutinní testování potenciálních vakcín a přípravků bránících přenosu borelií. V současné době jsou pracoviště BC AV ČR, v.v.i. jedinými na světě disponujícími podrobně popsaným přenosovým modelem zahrnujícím evropské klíště Ixodes ricinus a evropské kmeny borelií (zejména Borrelia afzelii – nejčastějšího původce boreliózy v Evropě). V USA existuje přenosový model využívající americké klíště Ixodes scapularis a americký kmen Borrelia burgdorferi sensu stricto. Vzhledem k odlišné biologii obou systémů ale nelze americký model využít v evropských podmínkách. Přenosový model vyvinutý na pracovištích BC AV ČR má tedy potenciál stát se žádaným u nejvýznamnějších národních a mezinárodních projektů zaměřených na klíšťata a klíšťaty přenášené patogeny a současně také servisní platformou pro aplikovaný a smluvní výzkum.
Speciální pěstební substrát
Speciální pěstební substrát („smart growing substrate“) se zvýšenou odolností vůči chorobám a škůdcům. Jedná se o substrát s přidanou hodnotou (2 v 1, příp. 3 v 1), který je prekolonizován kmenem CCM 8367 entomopatogenní houby Isaria fumosorosea, a to buď samostatně nebo v kombinaci s dalším bioagens na bázi rodu Pythium či Trichoderma, případně organickými nebo minerálními hnojivy. Substrát tak nabízí ochranu před významnými škůdci rostlin, u kterých probíhá část vývojového cyklu v půdě (např. smutnice (Sciaridae), lalokonosci). Použití přípravků na bázi entomopatogenních hub díky svému velmi komplexnímu způsobu působení na škůdce znemožňuje vznik rezistence a nezanechává rezidua. Kmen CCM8367 je vysoce virulentní proti motýlům i broukům a lze předpokládat vysokou účinnost proti komplexu škůdců řepky. Houba Isaria fumosorosea má navíc kromě insekticidních také fungicidní účinky.
Duoefekt – Insekticidní a akaricidní aditivum do nosného substrátu pro pěstování rostlin
Unikátní půdní přípravek poskytuje kombinací účinku dvou bioagens ochranu před významnými škůdci rostlin. Komplexní způsob působení na škůdce znemožňuje vznik rezistence a nezanechává rezidua, a je tak vhodný pro ekologické pěstování a bio-dynamické zemědělství. Řada v současnosti používaných chemických insekticidů bude v budoucnosti zakázána díky zpřísňujícím se legislativním podmínkám. I velké chemické koncerny již nyní začleňují do svého portfolia biopesticidy. Speciální pěstební či supresivní substráty je složité skladovat a transportovat tak, aby byly zachovány jejich vlastnosti. Kvůli nevyhovujícím podmínkám tak výrazně ztrácí účinnost. Logistika velkoobjemového zboží, jakým substráty jsou, je poměrně komplikovaná a finančně nákladná. Vysoce koncentrovaný přípravek, kde substrát je pouze nosičem tak umožňuje několikanásobně menší balení. Pomocný půdní přípravek také nepodléhá tak přísným legislativním pravidlům jako biopesticidy. Obohacuje půdu nebo pěstební substrát o užitečné mikro a makroorganismy a využívá jejich synergického účinku. Půdní přípravek Duoefekt účinkuje na bázi dvou bioagens: entomopatogenní houby Isaria fumosorosea kmene CCM 8367, jejíž využití je chráněno patentem, a další bioagens díky jejíž kombinaci se dosahuje rozšíření účinnosti na více druhů hmyzích škůdců a škodlivých roztočů vyskytujících se v půdě. Kombinace a synergie obou bioagens zajišťuje okamžitý účinek, např. proti smutnicím, i dlouhodobé přežívání v ošetřené půdě (substrátu). Entomopatogenní houba navíc působí inhibičně na růst některých patogenních mikroorganismů. Umožňuje snížení spotřeby chemických pesticidů a zvýšení kvality produkce s minimálním dopadem na životní prostředí. Tento půdní přípravek lze použít zejména při pěstování pokojových i venkovních květin a bylin pěstovaných v květináčích, truhlících či na záhonech, k ochraně skleníkových kultur, zejména zeleniny a ovocných a okrasných keřů a stromů a dalších plodin. Je určen pro aplikaci do půdy, k obohacení pěstebních substrátů a kompostů a k moření osiva a sadby. Uplatnění najde zejména u drobných pěstitelů a v ekologickém a bio-dynamickém zemědělství.
Krmivo pro včely
Řada stresových faktorů působících na včely tzv. koktejlovým efektem může způsobit uhynutí včelstva. Zejména nízká kvalita a malá pestrost pylu a nahrazování medu cukrem je označována za jednu z příčin výrazného snížení obranyschopnosti včel vůči chorobám od stádia larev až po dospělce. Navíc prakticky neexistuje účinné a bezpečné agens využitelné pro potlačení spor a růstu kultury Paenibacillus larvae, bakterie představující původce moru včelího plodu, který je nejvýznamnější současnou chorobou včel. Toto onemocnění bylo mnoho let regulováno pomocí pyretroidů, organofosfátů a antibioktik, které mohou následně kontaminovat včelí produkty, především med. Krmivo pro včely podle tohoto technického řešení s obsahem cukerné složky, vody a dále 0,1 až 20% hmotn. řasy Chlorella sp. ve formě sušené řasové biomasy je pro včely atraktivní potravou a představuje pestrý zdroj nutričních látek v období, které je chudé na přirozené zdroje pylu. Navíc prokazatelně pozitivně působí na zvýšení zdravotní odolnosti. Sekundární metabolity řas se obecně liší oproti vyšším rostlinám, houbám i bakteriím nejen chemickou strukturou, ale i spektrem biologických aktivit, jako je např. antibakteriální, alellopatická, antivirová, fungicidní aktivita nebo vykazují inhibiční účinky vůči řadě enzymů. Složení biomasy této řasy je pestré, velmi podobné pylu, s vysokým obsahem bílkovin (až v rozmezí 40 až 60%) a obsahuje také skupinu látek, které mají inhibiční vliv na původce moru včelího plodu, bakterii P. larvae.
Chytrý úl – komplexní systém pro digitální monitorování včelstev
Způsob chovu včel může ovlivnit zdravotní stav včelstva, a tím zvýšit nebo snížit ztráty. Stejně tak mohou zdravotní stav včelstva ovlivnit metody diagnostiky a prevence chorob včel. Proto je důležitá včasná signalizace průběhu klíčových životních parametrů ve včelstvu a sledování projevů aktivit včelstva v prostoru vchodu do úlu. Sledování stavu včelstva pomocí moderních digitálních technologií a informace o průběhu klíčových životních parametrů ve včelstvu, včetně detekce roztoče kleštíka, jsou užitečné nejen pro kontrolu úlů na dálku, ale zejména pro případné včasné zásahy včelařů – začátečníků, zkušených hobby včelařů, profesionálních včelařů a všechny ty co potřebují kontrolu úlů na dálku. Řešení si klade za cíl zejména přispět ke zlepšení zdravotního stavu včel, a to především včasnou signalizací průběhu klíčových životních parametrů ve včelstvu, sledováním projevů aktivit včelstva v prostoru vchodu do úlu a zpřesněním detekce parazita – roztoče Varroa destructor - na podložce úlu. Technické řešení vzniká ve spolupráci s Ústavem Aplikované informatiky na Jihočeské univerzita v Č. Budějovicích. Nový systém sledování včelstev využívá nejnovější poznatky z oblasti umělé inteligence, neuronových sítí, hlubokého učení a IOT technologií. Díky tomu je možné automaticky sledovat veličiny jako teplota a vlhkost v úlu, teplota v chomáči včel, teplota, vlhkost a barometrický tlak vně úlu, zvukové projevy včelstva, hmotnost úlu, koncentrace CO2 v chomáči, ale i vizuální sledování včelstev kamerovým systémem – frekvence vletů a výletů včel z úlů. Včelaři mohou mít přehled nejen o stavu včelstva, podmínkách uvnitř úlu i v okolí, ale mohou sledovat svá včelstva i například pomocí GPS v případě krádeže úlu či pomocí váhy pro sledování přírůstku odhalit krádeže medu, rojení atd. Díky využití umělé inteligence, neuronových sítí a hlubokého učení, pak může být zpřesněna detekce včelí matky na plástku či detekce patogena kleštíka na podložce úlu.
TOXI-AUTO
Robotická stanice kategorie BSL-3 pro zcela automatizované zpracování biologických vzorků umožňující další měření v kombinaci s různými typy analytických přístrojů (bez omezení se na konkrétního výrobce). Všestranně využitelná stanice pro komerční i výzkumné bioanalytické laboratoře, v první řadě pro analýzu xenobiotik (exogenní látky vstupující do organismu z prostředí, mezi něž patří drogy, léčiva, jejich metabolity, potrava atd.), včetně analýzy endogenních metabolitů. Konstrukce, naprogramování a odladění automatického provozu robotické stanice umožňuje přípravu a zpracování biologických vzorků různého typu (tělní tekutiny jako moč, sérum, buněčný extrakt atd.) bez dozoru obsluhy 24h denně. Pro analýzu bioaktivních látek a toxických látek lze zařízení umístit přímo do digestoře nebo jiného vhodného prostoru pro manipulaci takových látek.
Multiuživatelská platforma pro analytické a datové služby
Softwarový nástroj vyvinutý na BC, nazvaný Metabolite Mapper, a s ním spojená databáze profilů konkrétních metabolitů. Metabolite Mapper je určen k automatickému zpracování dat z analytických souborů, které jsou generovány hmotnostními spektrometry. Protože moderní metody umožňují detekci stovek látek, je nasazení takového nástroje nezbytné ve výzkumu i při zavádění komplexních diagnostických metod v lékařství, potravinářství atd. Komerční využití softwaru a s ním spojené databáze metabolomik je nabízeno formou tzv. cloudu.
Testování paraziticidních a imunomodulačních substancí určených pro boj s infekcí rybomorkami (Myxozoa) v akvakultuře pomocí in vitro a in vivo modelů
Myxozoa jsou mikroskopičtí rybí parazité, jejichž rozšíření může mít zničující dopad na populace ryb ve volné přírodě, ale zejména v akvakultuře. Navíc není v současné době dostupná žádná legalizovaná léčba tohoto onemocnění. Paralelní proces přímého potírání infekce pomocí paraziticidních látek a současného zlepšení imunitního systému hostitele, tzv. imunomodulace, je tak velmi efektivním přístupem v boji s tímto onemocněním. K tomu je však nezbytný plně funkční systém pro testování látek s paraziticidními nebo imunostimulačními vlastnostmi. Pro testování je tak v tomto případě klíčový in vitro model se zaměřením se na krevní stádia, protože většina druhů rybomorek přebývá alespoň na krátkou dobu v krvi předtím, než napadne cílové orgány. Pro testování imunostimulantů požadují firmy zabývající se chovem ryb, výživou pro ryby uměle chované a akvakulturou obecně, diagnostický in vivo systém a vývoj takového testovacího modelu je reakcí právě na tuto potřebu.
Využití sbírky půdních aktinomycet k získání terapeuticky aktivních látek
Odolnost řady patogenů k antibiotikům vyžaduje hledání nových terapeuticky účinných látek. Efektivní cestou pro hledání látek podobných známým antibiotikům je genomová analýza zaměřená na přítomnost genů nezbytných pro syntézu antibiotik. Ústav půdní biologie BC vytvořil rozsáhlou sbírku aktinomycet, která je potenciálním zdrojem dosud neznámých aktivních látek. Většina kultur náleží k čeledi Streptomycetaceae (rody Streptomyces a Kitasatospora), nicméně některé další čeledi jsou zde také zastoupeny (Pseudonocardiaceae: rody Letznea, Amycolatopsis, Saccharothrix, a Nocardiaceae: rod Nocardia). Zástupci rodu Streptomyces jsou známí jako producenti mnoha bioaktivních metabolitů, které mohou sloužit v lékařství jako antifungální, antivirotická, protisrážlivá, imunomodifikační, protinádorová léčiva nebo jako inhibitory enzymů. Dále pak také v zemědělství jako insekticidy, herbicidy, fungicidy nebo růst podporující látky pro rostliny i zvířata.
Využití sbírky půdních mikromycet k získání biotechnologicky využitelných látek
Půdní mikroskopické houby (mikromycety) produkují řadu průmyslově využitelných látek – enzymy, nenasycené (omega) mastné kyseliny, antibiotika, pigmenty. Z hlediska aplikace jde o látky atraktivní pro potravinářství, zemědělství a lékařství. Sbírky půdních mikromycet představují potenciálně zdroj takových konkrétních druhů hub, které mohou být efektivnějšími producenty známých látek, případně producenty látek zcela nových. Sbírka mikroskopických hub obsahuje přes 2000 kmenů převážně vláknitých hub (askomycety, zygomycety a anamorfní stádia asko- a basidiomycet) izolovaných z rozmanitého prostředí (půda, kompost, opad, vzduch, jeskynní prostředí, nebo trávicí trakty bezobratlých a jejich exkrementy atd.). Sbírka představuje v současnosti vysoce unikátní sbírku, obsahující specifické izoláty, které nejsou umístěny v žádné jiné sbírce na světě.
