Aktuality výzkumu

3-D reconstruction of a live cell using the new technology Credit: Dr Renata Rychtáriková

Looking at live cells under a microscope is a difficult task. The size and shape of samples limit the methods biologists can use to look at their materials, and even what they can examine. But a new algorithm could help researchers get a better look at living cells, with research applications from cancer treatments to IVF.

“We live in the nano-era,” says Dr Renata Rychtáriková, the paper's lead author and a researcher at the University of South Bohemia, in the Czech Republic. But, she notes, things at a nano scale are hard to see. “The majority of the nano-world escapes observation at the moment, and our information about it is only indirect.”

Current sample-studying methods, such as Scanning Electron Microscopy (SEM), only reveal what is happening on the surface. Samples for other methods, like transmission electron microscopy, must have a thickness between 10 and 200 nm, while a typical mammalian cell has a thickness of 3-5 μm.

To combat this, Rychtáriková and colleagues developed a way to use bright-field optical microscopes to delve deeper into objects. Their algorithm captures several images to build a 3-D map of a cell. They have published their results in the journal Ultramicroscopy.

The algorithm works by comparing two images taken at slightly different positions. It looks for parts of the cell that respond best to the light, and seeks out ones that are moving. By doing so, it helps shine a light on detailed cellular structures more effectively than previous methods. The result is a virtual 3-D model of the cell.

“The research was inspired by the biology of living mammalian cells, which is fundamental for cancer healing, organ replacement, implantology, neurology, embryology and IVF,” explains Rychtáriková. “There has been great interest from the medical community since the start of the development of our method,” she adds. And the research is attracting interest from several other sources as well.

“After the biologists, the material scientists interested in nanoprinting came forward,” says Rychtáriková. Because the algorithm allows researchers to use thicker samples, and because it only requires a common microscope, many scientists are hoping to start using it. “The interest from the application sphere far exceeds our time possibilities,” she adds.

The article was assigned by Elsevier among top 30 papers in the field of Physics for 2017.
Article details:

Rychtáriková, R., Náhlík, T., Shi, K., Malakhova, D., Macháček, P., Smaha, R., Urban, J., Štys, D. 2017. Super-resolved 3-D imaging of live cells’ organelles from bright-field photon transmission micrographs. Ultramicroscopy 179: 1-14. (IF 2015 = 2.874)

3-D rekonstrukce živé buňky s využitím nové technologie Kredit: Dr. Renata Rychtáriková

Nahlédnout dovnitř živé buňky pomocí mikroskopu je velmi obtížný úkol. Velikost a tvar buňky omezují rozsah metod, které biologové mohou k pozorování materiálů použít, a dokonce i to, co můžou zjistit. Nový algoritmus může výzkumníkům poskytnout lepší pohled do nitra živé buňky. Metoda našla využití od výzkumu rakoviny až po oplodnění in vitro.

„Žijeme v nano-éře.“ říká Dr. Renata Rychtáriková, hlavní autor článku a výzkumník na Jihočeské univerzitě v Českých Budějovicích, a podotýká, že objekty nanorozměrů jsou obtížně pozorovatelné. „Většina objektů nanosvěta uniká v současné době pozorování a informace o nich je jen nepřímá.“

Současné metody studia vzorků, jako skenovací elektronová mikroskopie, ukazují jen co se děje na povrchu. Vzorky pro metody jako je transmisní elektronová mikroskopie musí mít tloušťku mezi 10 a 200 nm, zatímco typická savčí buňka má tloušťku 3-5 μm.

Aby se s tímto omezením vypořádali, Rychtáriková se svými kolegy vyvinuli metodu, jak využít mikroskopii v procházejícím světle k hlubšímu náhledu do objektů. Jejich algoritmus využívá několik obrázků k vytvoření trojrozměrné mapy buňky. Publikovali své výsledky v časopisu Ultramicroscopy.

Algoritmus pracuje s obrázky pořízenými na velmi málo odlišných pozicích. Hledá objekty, které nejvíce mění procházející světlo a hledá i objekty, které se pohybují. Tím zvýrazňuje detailní buněčné struktury účinněji než všechny dosavadní metody. Výsledkem je virtuální 3D model buňky.

 „Výzkum byl inspirován potřebami biologie savčí buňky, která je základem pro léčení rakoviny, náhradu orgánů, implantologii, neurologii, embryologii a oplodnění  in-vitro.“ vysvětluje Rychtáriková. „Medicínská komunita se o výsledky zajímala od počátku našeho vývoje.“ dodává. Ale výzkum přitahuje i zájemce z jiných oborů.

„Po biolozích přišli materiáloví vědci z oblasti nanotisku.“ říká Rychtáriková. Hlavními důvody, proč algoritmus vědce zajímá, je to, že využívá běžného mikroskopu a že je možno pracovat s tlustšími vzorky. „Zájem z oblasti aplikací daleko překračuje naše časové možnosti.“ dodává.

Článek byl vydavatelstvím Elsevier vybrán mezi 30 nejlepších článků tohoto roku z oblasti fyziky.

Detaily článku:

Rychtáriková, R., Náhlík, T., Shi, K., Malakhova, D., Macháček, P., Smaha, R., Urban, J., Štys, D. 2017. Super-resolved 3-D imaging of live cells’ organelles from bright-field photon transmission micrographs. Ultramicroscopy 179: 1-14. (IF 2015 = 2.874)

Popis obrázku: a) Celkový pohled na algoritmus, b) postup oddělení buňky od pozadí, c) postup trojrozměrné rekonstrukce obrazu.

Zárodečné kmenové buňky jsou prekurzory gamet, které lze izolovat a transplantovat mezi fylogeneticky příbuznými druhy. Transplantace těchto buněk představuje významný potenciál v reprodukční biotechnologii, protože umožňuje produkci gamet a potomků dárcovského původu prostřednictvím náhradních rodičů. Zebřičky jsou oblíbeným výzkumným modelem díky svým výhodným vlastnostem a bohatým genomickým zdrojům. Jejich malá velikost však omezuje množství získaných spermií. V našem výzkumu jsme využili techniku náhradní reprodukce ke zvýšení produkce spermií u zebřiček s využitím většího druhu Devario, konkrétně dania malabarského (obrovského), který je třikrát větší. Izolovali jsme spermatogoniální buňky ze zralých samců zebřiček a vnesli je do sterilních larev dania malabarského. Půl roku po transplantaci produkoval příjemce spermie zebřiček s trojnásobným objemem a desetinásobnou koncentrací ve srovnání se zebřičkami. Předložená studie je první svého druhu, která produkuje gamety zebřiček prostřednictvím náhradního rodiče odlišného rodu.

Podrobné informace jsou dostupné v původním článku: Nayak, R., Franěk, R., Šindelka, R., Pšenička, M., 2023. Enhancement of zebrafish sperm production via a large body-sized surrogate with germ cell transplantation. Communications Biology 6: 412. https://doi.org/10.1038/s42003-023-04800-7

Obrázek: Schéma studie.

Napsal: doc. Ing. Martin Pšenička, Ph.D.

Caviar is a high cost delicacy consisting of salt-cured fish-eggs of the sturgeon family. Natural populations of sturgeon have declined during the past century through poaching for caviar, water pollution, and habitat degradation, making them currently the world’s most endangered group of species. It has led to the development of sturgeon culture, originally for reintroduction, but more recently for caviar production. “Besides pure species, less priced caviar is also produced by fertile sturgeon hybrids. Among those, bester (hybrid between beluga Huso huso female and sterlet Acipenser ruthenus male) is the most widely used.

Akvakultura je nejrychleji rostoucím odvětvím celosvětové produkce potravin. Trvalý růst produkce a dlouhodobá udržitelnost akvakultury vyžaduje velké množství dostatečně kvalitní vody. Opětovné využívání odpadních vod se v současnosti stává pro akvakulturu stále důležitějším zdrojem. Opakované použití vyčištěné odpadní vody však přináší určitá bezpečnostní rizika. Mezi celou řadou antropogenních znečišťujících látek představují léčiva důležitou skupinu polutantů. Rezidua léčiv jsou všudypřítomná v komunálních odpadních vodách z důvodu jejich vysoké spotřeby a neúplného odstranění během konvenčního čištění odpadních vod. Kontinuální vypouštění těchto vod do vodního prostředí ovlivňuje život vodních organismů.

V předložené studii jsme testovali účinnost biologického rybníka z pohledu odstraňování léčiv z vyčištěných odpadních vod a byla hodnocena rizika používání vyčištěné vody pro produkci ryb. Na základě zjištěných výsledků se studovaný systém jeví jako užitečný krok pro dočištění odpadních vod, při kterém dochází ke snížení koncentrace přítomných léčiv ve vodě. Potenciální ekotoxikologická rizika, včetně rezistence vůči antibiotikům, byla významně snížena, což může být zásadní pro následné opětovné použití odpadní vody v akvakultuře.

Podrobné informace jsou dostupné v původním článku: Fedorova, G., Grabic, R., Grabicová, K., Turek, J., Van Nguyen, T., Randák, T., Brooks, B.W., Žlábek, V., 2022. Water reuse for aquaculture: Comparative removal efficacy and aquatic hazard reduction of pharmaceuticals by a pond treatment system during a one year study. Journal of Hazardous Materials 421: 126712.

Schematický přehled studovaného ekosystému.

V rámci evropské sladkovodní akvakultury se experimentálně testují a následně poloprovozně využívají nové perspektivní druhy ryb k efektivní, kontinuální a kvalitní tržní produkci. Candát obecný se v posledních dvaceti letech stal velmi perspektivním novým druhem, u kterého se v současnosti ve většině evropských zemí optimalizuje jeho komerční intenzivní chov v recirkulačních akvakulturních systémech. Tento způsob chovu zajišťuje rentabilní a vyrovnanou produkci ryb určených k lidskému konzumu a snižuje potřeby realizovat průmyslové odlovy divokých candátů z jejich přirozených populací. Díky tomuto přístupu je trh kontinuálně zásobován tržními candáty a současně jsou chráněny jeho divoké populace ve volných vodách. Klíčovou technologickou výzvou efektivního intenzivního chovu candáta je však jeho vyrovnaná a optimalizovaná umělá výživa pokrývající všechny nutriční požadavky chovaných ryb z hlediska obsahu bílkovin, tuků, biologicky aktivních látek, jako jsou vitamíny a antioxidanty a optimální frekvence a množství podávaných umělých krmiv.

Pracovníci FROV JU z Laboratoře intenzivní akvakultury se zabývali optimalizací složení umělých granulovaných krmiv pro intenzivně chované candáty z hlediska obsahu bílkovin na rostlinné bázi v kombinaci s krmnými aditivy, jako je kvasnicový hydrolyzát, inulin a oligofruktóza. Cílem tohoto výzkumu bylo udržitelně nahradit rybí moučku, která se stává celosvětově nedostatkovou a velmi drahou surovinou. Výsledky ukázaly, že je možné rybí moučku nahradit při přípravě umělých krmiv pro candáta obecného až ze 60 % sójový šrotem v kombinaci s přídavkem kvasnicového hydrolyzátu, inulinu a oligofruktózy, aniž by došlo k poklesu růstu, přežití a produkce chovaných ryb. Díky experimentálně využívanému automatickému krmnému systému Imetronic z Francie bylo zjištěno, že u juvenilních, 40–100 gramů vážících, ryb candáta obecného je nejvhodnější umělá krmiva aplikovat v osmihodinových intervalech při denní krmné dávce na úrovni 1,5 až 2 % biomasy chovaných ryb.

Podrobné informace o optimální výživě intenzivně odchovávaných candátů obecných v recirkulačních akvakulturních systémech je možné najít v následujících původních vědeckých publikací:

• Rahimnejad, S., Lecrercq, E., Malinovskyi, O., Pěnka, T., Kolářová, J., Policar, T., 2023. Effects of yeast hydrolysate supplementation in low-fish meal diets for pikeperch. Animal 17: 100870. https://doi.org/10.1016/j.animal.2023.100870
• Dadras, H., Chupani, L., Imentai, A., Malinovskyi, O., Esteban, M.A., Pěnka, T., Kolářová, J., Rahimnejad, S., Policar, T., 2022. Partial replacement of fish meal by soybean meal supplemented with inulin and oligofructose in the diet of pikeperch (Sander lucioperca): Effect on growth and health status. Frontiers in Marine Science 9: 1009357. https://doi.org/10.3389/fmars.2022.1009357
• Pěnka, T., Malinovskyi, O., Imentai, A., Kolářová, J., Kučera, V., Policar, T., 2023. Evaluation of different feeding frequencies in RAS-based juvenile pikeperch (Sander lucioperca) aquaculture. Aquaculture 562: 738815. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2022.738815

Popisy fotogalerie:

• Foto 1: Tržní ryby candáta obecného
• Foto 2: Experimentální odchovný systém s automatickým krmným systémem
• Foto 3: Detail automatického krmného systému
• Foto 4: Počítačové řízení automatického krmného systému

Napsal: prof. Tomáš Policar

As part of European freshwater aquaculture, new perspective fish species are experimentally tested and subsequently used on a large-scale basis for efficient, continuous, and high-quality market production. In the last twenty years, pikeperch has become a very promising new species for a commercial intensive aquaculture production in recirculating aquaculture systems, which is currently being optimized in most European countries. This farming method ensures a profitable and well-balanced production of fish intended for commercial consumption and reduces the need to carry out industrial catches of wild pikeperch populations from natural water bodies. Thanks to this approach, the market is continuously supplied with marketable pikeperch, and its wild populations in open waters are also protected. However, the key technological challenge of effective intensive pikeperch aquaculture is its well-balanced and optimized artificial nutrition covering all the nutritional requirements of farmed fish in terms of the content of proteins, fats, biologically active substances such as vitamins and antioxidants, and the optimal frequency and amount of applied artificial feed.

Researchers from the Laboratory of Intensive Aquaculture, Faculty of Fisheries and Protection of Waters were involved in the optimized composition of artificial granulated feed for intensively pikeperch aquaculture in terms of plant-based protein content in the combination with feed additives such as yeast hydrolyzate, inulin, and oligofructose. The goal of this research was to sustainably replace fishmeal, which is becoming a globally scarce and very expensive raw material. The results showed that it is possible to replace fishmeal in the preparation of artificial feeds for pikeperch with up to 60% soybean meal in combination with the addition of yeast hydrolyzate, inulin, and oligofructose without a decrease in growth, survival, and production of farmed fish. Thanks to the experimentally used automatic feeding system Imetronic developed in France, it was found that an application of artificial feed at 8-hour intervals is the most suitable for juvenile pikeperch weighing 40-100 grams at a daily feed dose of 1.5 to 2 % of the fish biomass.

Detailed information on the optimized artificial nutrition of intensively cultured pikeperch in recirculating aquaculture systems can be found in the following scientific publications:

• Rahimnejad, S., Lecrercq, E., Malinovskyi, O., Pěnka, T., Kolářová, J., Policar, T., 2023. Effects of yeast hydrolysate supplementation in low-fish meal diets for pikeperch. Animal 17: 100870. https://doi.org/10.1016/j.animal.2023.100870
• Dadras, H., Chupani, L., Imentai, A., Malinovskyi, O., Esteban, M.A., Pěnka, T., Kolářová, J., Rahimnejad, S., Policar, T., 2022. Partial replacement of fish meal by soybean meal supplemented with inulin and oligofructose in the diet of pikeperch (Sander lucioperca): Effect on growth and health status. Frontiers in Marine Science 9: 1009357. https://doi.org/10.3389/fmars.2022.1009357
• Pěnka, T., Malinovskyi, O., Imentai, A., Kolářová, J., Kučera, V., Policar, T., 2023. Evaluation of different feeding frequencies in RAS-based juvenile pikeperch (Sander lucioperca) aquaculture. Aquaculture 562: 738815. https://doi.org/10.1016/j.aquaculture.2022.738815

Photos:

• Figure 1: Marketable pikeperch
• Figure 2: Experimental aquaculture system with the automatic feeding system
• Figure 3: Detail of automatic feeding system
• Figure 4: Computer-controlled automatic feeding system

Written by prof. Tomáš Policar

Podobné problémy se vyskytly i v dalších evropských zemích, kde rovněž chovají kapra (Německo, Rakousko, Polsko, Nizozemí, Velká Británie,…). Ve většině případů byl ve tkáních nemocných a uhynulých ryb detekován virus podobný tomu, který je od 70. let minulého století pokládán za původce takzvané „spavé nemoci koi kaprů“, a jež se doposud vyskytoval hlavně v Japonsku u okrasné formy kapra. Vzhledem k tomu, že jedním z doprovodných příznaků tohoto onemocnění je otok (edém) různých tkání, byl původce nazván v angličtině „Carp Edema Virus“, zkráceně CEV (zatím nemá adekvátní český název, ale je možno mu říkat „kapří edema virus“). Kapři infikovaní tímto virem mají problémy s dýcháním, shromažďují se u hladiny nebo u přítoku a někdy „troubí“. Zároveň ztrácejí únikový reflex, jsou malátní, jakoby ospalí, a lze je u břehů vylovit holýma rukama. Po vylovení jsou na kůži ryb patrné světlejší skvrny, oči se jeví jako zapadlé a na žábrách bývají světlé, téměř bílé okrsky odumřelé tkáně, někdy pokryté šedozelenou plísní. Zatím bylo toto onemocnění zaznamenáno pouze u kapra. Touto úzkou hostitelskou specifičností a typickými příznaky se toto onemocnění velmi podobá jiné virové nákaze, a sice koi herpesviróze (KHV). Jsou zde však dva podstatné rozdíly: 1. onemocnění způsobené CEV se projevuje zpravidla při teplotách 8 – 18°C, zatímco KHV nejčastěji kolem 23°C; 2. na onemocnění způsobené CEV nepatří mezi sledované nákazy ryb, kdežto KHV je uvedena na seznamu tzv. „nebezpečných nákaz“, na která se vztahují určitá mimořádná veterinární opatření.

Onemocněním „CEV“ se už začalo zabývat mnoho výzkumných pracovišť. Bylo zjištěno, mimo jiné, že virus nacházený u japonských koi kaprů trpících spavou nemocí se od viru detekovaného v případech onemocnění kaprů v Evropě geneticky přece jen trochu liší. Výzkum, na němž se s kolegy z Německa, Velké Británie a Polska podíleli i pracovníci z FROV JU, prokázal, že zdravé ryby držené v nádržích společně s nemocnými, vykazují odlišnou vnímavost k dvěma existujícím variantám viru: koi kapři se snáze nakazili od nemocných koi kaprů a byli odolnější vůči „kapřímu“ viru, kdežto obyčejní kapři byli zase vnímavější k infekci přenášené jejich nemocnými soukmenovci, zatímco k viru vylučovanému nemocnými koi kapry byli poměrně imunní. Zároveň se ukázaly rozdíly ve vnímavosti k virům u různých plemen kapra. Podobně jako dříve u KHV, i zde byla jednoznačně prokázána vyšší odolnost Amurského sazana, což je divoká forma kapra, původně žijící v povodí řeky Amur. Lze se domnívat, že plemena, která mají ve svém rodokmenu tohoto asijského předka, jako například Ropšinský šupinatý kapr nebo Amurský lysec, budou rovněž vykazovat vyšší odolnost a přežití v případě, že se CEV na našem území rozšíří.

Bližší informace o této problematice jsou uvedeny v publikaci Adamek, M., Oschilewski, A., Wohlsein, P., Jung Schroers, V., Teitge, F., Dawson, A., Gela, D., Piačková, V., Kocour, M., Adamek, J., Bergmann, S. M., Steinhagen, D. 2017. Experimental infections of different carp strains with the carp edema virus (CEV) give insights into the infection biology of the virus and indicate possible solutions to problems caused by koi sleepy disease (KSD) in carp aquaculture. Veterinary Research 48: 12.

Ve vodních ekosystémech se momentálně vyskytují tisíce farmaceuticky aktivních látek v koncentracích nanogramů po mikrogramy na litr vody. Tyto nízké koncentrace jsou často schopny ovlivnit i necílové vodní organizmy, jelikož jsou přímo vyvinuté tak, aby byly efektivní v nízkých koncentracích. Tyto látky nicméně přetrvávají ve vodním prostředí jako komplexní směsi. Jak mohou tyto koktejly polutantů ovlivnit vodní organizmy? To je z velké části stále nevyřešené.

Cílem studie bylo zjistit, jak se liší odezvy na koktejl šesti polutantů (citalopram, sertralin, oxazepam, venlafaxin, tramadol, metamfetamin) oproti reakci na jednotlivé polutanty a jakým způsobem ovlivní chování raků (ukrývání a průzkum arény). V nepřítomnosti úkrytu byli exponovaní raci překvapivě méně aktivní, pomalejší, a i proto urazili menší vzdálenost než kontrolní jedinci. Oproti tomu, v přítomnosti úkrytu byli exponovaní raci častěji mimo úkryt, byli aktivnější než kontrola. Výsledky naznačují, že environmentálně blízké koncentrace použitého mixu farmak pozměňují chování necílových vodních organizmů, a to dokonce více než bylo popsáno při studii expozice individuálním polutantům. Sledované změny chování mohou vést k poškození vitality populací raků, jejich větší zranitelnosti vůči predaci a výsledně k narušení procesů v ekosystému. Tak či onak, stále je nutné problematiku studovat na úrovni vlivu různých kombinací farmak a jejich způsobu působení ve vodním prostředí.

Další informace je možné získat přímo v publikaci: Hossain, M.S., Kubec, J., Guo, W., Roje, S., Ložek, F., Grabicová, K., Randák, T., Kouba, A., Buřič, M., 2021. A combination of six psychoactive pharmaceuticals at environmental concentrations alter the locomotory behavior of clonal marbled crayfish. Science of the Total Environment 751: 141383.

Nanotechnologie lze definovat jako studium, návrh, tvorbu, syntézu, manipulaci a aplikaci funkčních materiálů v nanometrovém měřítku. V posledních letech ukazuje nanotechnologie obrovský potenciál při zlepšování a zvyšování růstu akvakultury. V našem přehledovém článku jsme shrnuli dostupnou literaturu zaměřenou na aplikace různých druhů nanočástic v akvakultuře a rybolovu. Za tímto účelem jsme nejprve zdůraznili, jak se tato technologie používá při aplikaci vakcín, při čištění vody od těžkých toxických kovů a koliformních mikroorganizmů a při dodávání živin, které hrají významnou roli při zvyšování růstu a imunologických parametrů ryb. Na druhou stranu jsme na rozdíl od jejich užitečnosti také popsali toxicitu a nepříznivé účinky, které materiály a produkty založené na nanotechnologiích působí nejen na životní prostředí, ale v konečném důsledku také na lidské zdraví. Zároveň jsme proto pojednali o důležitosti a potřebě ekologických, netoxických přírodních strategií na podporu udržitelné akvakultury. To zahrnovalo diskusi o přírodních bioaktivních sloučeninách, které se používají převážně v akvakultuře jako stimulátory růstu a imunomodulátory, zde na příkladu kurkuminu. Bohužel jejich nízká biologická dostupnost ve vodných roztocích brání jejich účinnosti. To nás vedlo k aplikaci Pickeringových emulzí, o kterých je známo, že jsou bezpečné a mají vysokou stabilitu a které se používají hlavně jako dodávací systémy pro tyto sloučeniny ve snaze zvýšit jejich biologickou dostupnost.

Podrobné informace naleznete v původním článku: Shah, B.R., Mráz, J., 2020. Advances in nanotechnology for sustainable aquaculture and fisheries. Reviews in Aquaculture 12: 925–942.

Kaviár je na celém světě vysoce ceněná pochoutka. Vyrábí se z mírně solených jiker jeseterovitých ryb. Bohužel kvůli pytláctví a ničení přirozených lokalit patří jeseteři mezi nejvíce ohrožené živočichy na naší planetě. Výrazný pokles populací jeseterů v přírodě vedl k rozvoji jejich akvakulturních chovů, původně zaměřených na znovunavrácení do přírody, v poslední době však více na produkci kaviáru. „Kaviár je mimo čistých druhů jeseterů také produkován z jejich hybridů, mezi kterými je nejpoužívanější bestěr, hybrid samice vyzy velké, Huso huso a samce jesetera malého, Acipenser ruthenus. Bez odpovídající metody založené na analýze DNA není takřka možné rozpoznat méně hodnotný kaviáru hybridů od kaviáru čistých druhů. Stejně tak samotná druhová identifikace jeseterů je značně komplikovaná a vyžaduje odpovídající molekulární metody,“ říká Miloš Havelka, který se zabývá výzkumem jeseterovitých ryb na Fakultě rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity.
Vědci Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích ve spolupráci s univerzitou Hokkaidó v Japonsku vyvinuli novou metodu pro identifikaci vyzy velké a jejího kaviáru, který je nejdražším živočišným produktem na trhu a tudíž často i předmětem obchodních podvodů. Metodu identifikace popisuje M. Havelka: Pomocí moderních metod molekulární genetiky jsme identifkovali specifické znaky v genomu vyzy velké a jesetera malého. Na základě těchto druhově specifických znaků jsme následně vytvořili jednoduchou metodu umožňující identifikaci jedinců vyzy velké, jesetera malého a bestěra. Metoda spolehlivě funguje i pro určení druhového původu kaviáru a vyžaduje pouze jednu jikru pro analýzu.
Vyvinutý nástroj by měl přispět k lepší a spolehlivější kontrole a regulaci mezinárodního obchodu s vysoce ceněnými produkty jeseterů, a také k ochraně a znovunavrácení jeseterovitých ryb do volné přírody. Jelikož je vyvinutý nástroj velice jednoduchý a nevyžaduje drahé přístrojové vybavení, může být snadno použitelný napříč laboratořemi i v méně rozvinutých zemích.

Podrobné informace naleznete v původním článku: Havelka, M., Fujimoto, T., Hagihara, S., Adachi, S., Arai, K. 2017. Nuclear DNA markers for identification of Beluga and Sterlet sturgeons and their interspecific Bester hybrid. Scientific Reports. Doi: 10.1038/s41598-017-01768-3

Obrázek 1. Vzorek kaviáru připravený k analýze.
Obrázek 2. Schéma analýzy vzorku kaviáru pomocí nově vyvinuté metody.

Global research shows that treated municipal wastewaters still contain some xenobiotics. Progestins (also known as progestogens) are an important group of such compounds. They are contained e.g. in hormonal contraception and in other hormonal preparations what predisposes them to have a broad therapeutic use. Thus, progestins occur in municipal wastewaters and their concentrations rather tend to increase. Progestins can pass through municipal wastewater treatment plants unchanged and then contaminate surface waters. Indeed, various studies have shown their presence in surface waters worldwide. In some cases, progestins were found in surface waters at levels that exceed the concentrations inducing adverse effects on aquatic organisms under laboratory conditions. Despite that there are only few pieces of information on this topic, the risk posed by progestins for the aquatic environment should not be underestimated. Given that progestins mimic natural hormones, their uncontrolled entry into a body can seriously disrupt the established hormonal balance and could result in a myriad of other consequent adverse effects.

For these reasons, scientists from the Faculty of Fisheries and Protection of Waters in Vodňany (under the University of South Bohemia in České Budějovice) aim at screening of the occurrence of progestins and the related hormonal (progestagenic) activities in Czech aquatic environment. They focus on the “risky” localities including effluents from wastewater treatment plants and the respective downstream surface waters. Along with monitoring of occurrence of progestins and hormonal activities, experiments in laboratory were carried out in order to determine progestagenic activity of these compounds. It has been revealed that progestins do not occur at such a high levels in effluents from Czech wastewater treatment plants as they do in other European and Asian countries. Nevertheless, due to continuously increasing consumption of hormonal preparations and broadening their use, this issue deserves further attention. Results of this research also indicate which compounds, out of a wide spectrum of progestins, could pose the highest risk for the aquatic environment and therefore they should get the highest priority in further testing. These include medroxyprogesteron acetate, megestrol acetate and progesterone, which have been detected most frequently at studied localities and also possess relatively strong hormonal (progestagenic) activity.

The implementation of the current research has been ongoing for three years and is financially supported by the Grant Agency of the Czech Republic (16-09709Y). Samples of wastewater have been provided by following institutions: ČEVAK, a.s.; TSST Strakonice s.r.o., BVK, a.s. a STU Bratislava.

Detailed information on obtained results can be found in publication: Šauer, P., Stará, A., Golovko, O., Valentová, O., Bořík, A., Grabic, R., Kocour Kroupová, H., 2018. Two synthetic progestins and natural progesterone are responsible for most of the progestagenic activities in municipal wastewater treatment plant effluents in the Czech and Slovak republics. Water Research 137: 64-71.

Nedávná studie Borise Liptáka a kolegů publikovaná v časopise BioInvasions Records dokumentuje první výskyt invazního raka červeného (Procambarus clarkii) na Slovensku. Tento druh, původem z jižních oblastí Spojených států a severního Mexika, je celosvětově nejrozšířenějším a nejinvaznějším druhem raka. Je známý svou přizpůsobivostí, schopností vytlačovat původní druhy a narušovat místní ekosystémy.

Díky spolupráci se slovenskými kolegy byla získána data o jeho výskytu na dvou přírodních lokalitách, které jsou napájeny termálními prameny. První lokalita se nachází u Turčianských Teplic ve středním Slovensku, pod komerčním zařízením pro chov akvarijních živočichů (nejpravděpodobnější zdroj populace díky únikům). Tato populace je zatím relativně omezená ve svém rozšíření. Druhá lokalita se nachází přibližně 150 km jižně, poblíž Komárna, a nedávné nálezy naznačují rychlé šíření v této oblasti, pravděpodobně v důsledku vypouštění raků nezodpovědnými chovateli.

Obě populace jsou velmi početné a dobře etablované. Od jejich prvního zaznamenání na jaře 2023 byla zahájena monitorovací a ochranářská opatření s cílem snížit jejich počet a omezit jejich další šíření. Dosud bylo díky koordinovanému úsilí místních partnerů – především Národního parku Veľká Fatra a Chráněné krajinné oblasti Dunajské luhy, odchyceno desetitisíce jedinců.

Podrobné informace lze nalézt v původním článku: Lipták, B., Prati, S., Oficialdegui, F.J., Apfelová, M., Pekárová, S., Kautman, J., Janský, V., Kouba, A., 2024. First populations of invasive red swamp crayfish flourish in Slovakia. BioInvasions Records 13: 825–841. https://doi.org/10.3391/bir.2024.13.3.20

Autor: doc. Antonín Kouba

Pstruzi žijící v tocích, kam ústí čistírny odpadních vod, měli v těle jedenáct psychoaktivních látek včetně antidepresiv. Vyčištěné komunální odpadní vody jsou zdrojem biologicky účinných látek včetně těch, které ovlivňují nervovou soustavu organismů. Na vliv těchto látek na pstruha obecného se ve svém unikátním výzkumu zaměřil tým vědců z Laboratoře environmentální chemie a biochemie Fakulty rybářství a ochrany vod ve Vodňanech. Všech jedenáct analyzovaných psychoaktivních látek, včetně u nás nejčastěji používaných antidepresiv, bylo nalezeno minimálně v jedné tkáni pozorovaných ryb, nejvyšší koncentrace přitom byly v játrech a ledvinách.
 
“Vodní organismy, které žijí v tocích, do nichž ústí čističky, jsou psychoaktivním látkám vystaveny celý život a koncentrace těchto látek v jejich těle může ovlivňovat jejich metabolismus i chování,” říká doktorka Kateřina Grabicová z Laboratoře environmentální chemie a biochemie Fakulty rybářství a ochrany vod Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. “Domníváme se, že ovlivnění chování může v kombinaci s dalšími vlivy způsobovat velmi významné změny v populacích volně žijících ryb i obecně ve vodních ekosystémech. Ryby mohou například projevovat menší bázlivost a neukrýt se včas před predátorem,” dodává.
 
Cílem studie bylo přispět k objasnění otázky, zda mohou látky vypouštěné z čističek v delším časovém horizontu přecházet do ryb. Experiment byl založen na světově unikátním postupu, který spočíval v použití ryb žijících přímo ve sledovaném toku. Jako modelový tok byl vybrán úsek Živného potoka ovlivněný výtokem z čistírny odpadních vod města Prachatice. Část jedinců pstruha obecného žijící v kontrolní lokalitě (nad městem Prachatice) byla odlovena, označena a okamžitě přesazena do lokality ovlivněné výtokem z čističky. Následně byl ve zvolených časových odstupech potřebný počet ryb vzorkován a analyzován. Výhodou tohoto přístupu byla dobrá a rychlá adaptace přesazených ryb, které žily volně, přijímaly přirozenou potravu a nebyly stresovány např. umístěním do klecí, které jsou často v rámci podobných experimentů používány. To samozřejmě přispělo i ke zvýšení vypovídací schopnosti této studie s ohledem na skutečnou realitu, kterou nelze studovat v laboratorních podmínkách.
 
Experiment bylo možné uskutečnit jenom díky mezioborovému přístupu založenému na kombinaci dlouholeté zkušenosti s rybářským managementem daného povodí, znalosti biologie modelového druhu ryby a na špičkově vybavené analytické laboratoři se zkušenými analytickými chemiky.

Více podrobností naleznete v následující publikaci:: Grabicova, K., Grabic, R., Fedorova, G., Fick, J., Cerveny, D., Kolarova, J., Turek, J., Zlabek, V., Randak, T., 2017. Bioaccumulation of psychoactive pharmaceuticals in fish in an effluent dominated stream. Water Research, 124:654-662.

V posledních desetiletích byly shromážděny nové poznatky a důkazy o negativním působení některých látek antropogenního původu, které vstupují do životního prostředí. Jedná se zejména o hormonálně aktivní látky, které mohou narušovat endokrinní systém (neboli soustavu žláz s vnitřní sekrecí) volně žijících živočichů i lidí. Tyto látky začaly být souhrnně označovány jako endokrinní disruptory.

Ve vodním prostředí byla dosud největší pozornost věnována látkám s estrogenními účinky, u kterých bylo prokázáno, že se podílejí na zvýšeném výskytu hermafroditních jedinců ryb, nebo mohou dokonce způsobovat feminizaci samců. Relativně nedávno bylo prokázáno, že některé látky interagují s progesteronovými receptory, a mohou tak vykazovat progestagenní nebo anti-progestagenní aktivitu. Progesteronové receptory zprostředkovávají v tělech všech obratlovců působení přirozených gestagenů (progestinů). Přírodní gestageny, jako například progesteron, hrají zásadní roli zejména v reprodukci, ale mají i další fyziologické funkce. Pokud se látky s progestagenní či anti-progestagenní aktivitou dostanou do vodního prostředí, lze předpokládat, že budou negativně ovlivňovat vývoj či plodnost ryb, které žijí v zasažených lokalitách. Progestagenní a anti-progestagenní aktivity již byly prokázány v odpadních i povrchových vodách v Evropě včetně České republiky, v Austrálii, Číně či Indii. Tyto aktivity byly detekovány především pomocí in vitro biotestů s lidským progesteronovým receptorem. Mezi strukturou receptoru lidského a rybích progesteronových receptorů jsou však poměrně velké rozdíly. Proto jsme se snažili zjistit, do jaké míry jsou údaje o progestagenních a anti-progestagenních aktivitách, získané pomocí in vitro biotestů s lidským progesteronovým receptorem, relevantní pro ryby.

Pro tyto účely jsme odebírali vzorky odpadních a povrchových vod, kam jsou zaústěny vyčištěné odpadní vody. V těchto vzorcích jsme pak paralelně měřili (anti-)progestagenní aktivitu s využitím in vitro biotestu s lidským progesteronovým receptorem a biotestu s progesteronovým receptorem dania pruhovaného (což je modelový druh ryby). Analýzy ukázaly, že progesteronové receptory lidí a danií jsou environmentálními vzorky aktivovány či blokovány rozdílně. A je otázkou, zda blokaci, či naopak aktivaci rybího progesteronového receptoru vyvolávají jiné látky přítomné ve vodách než ty, na které reaguje lidský progesteronový receptor. V každém případě ale naše testy prokázaly, že výsledky získané pomocí in vitrobiotestů s lidským progesteronovým receptorem nemohou být použity pro odhad potenciálního rizika výskytu (anti-)progestagenní aktivity ve vodním prostředí pro ryby.

Kocour Kroupová, H., Grimaldi, M., Šauer, P., Bořík, A., Zálohová, K., Balaguer, P., 2023. Environmental water extracts differentially activate zebrafish and human nuclear progesterone receptors. Science of the Total Environment 859: 160232. doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.160232

Napsala: Hana Kocour Kroupová

Dlouholeté shromažďování vzorků z rozsáhlého areálu výskytu, především východní Evropy a Asie, a následná práce v laboratoři přinesly své ovoce. Tým vědců z několika evropských pracovišť pod vedením doc. Martina Bláhy odhalil tajemství genetické diverzity a její distribuce u druhového komplexu raka bahenního. Tento poměrně velký původní druh raka má původní areál výskytu v povodí Azovského, Černého a Kaspického moře.  Je však také znám obrovskou morfologickou variabilitou a množstvím popsaných druhů a poddruhů. Jak ale ukázaly analýzy několika mitochondriálních a jednoho jaderného genu, v případě tohoto druhového komplexu bude nakonec situace o poznání jednodušší, než vědci předpokládali. Analýzy jedinců z 65 populací a 14 zemí poukázaly na silnou neshodu mitochondriálních a jaderných márkrů a napovídají tak o existenci pouze jednoho druhu v rámci něhož jsou zcela zjevné tři evolučně dlouho oddělené mitochondriální linie. Tyto linie, mají centra svého výskytu ve (i) střední a jižní Evropě, (ii) východní Evropě a Asii a (iii) Turecku (Obr. 1). Podle předpokladu spadá oblast vzniku tohoto druhu do oblasti Černého moře do období pozdního miocénu (před 5–8 miliony let). Analýzy ovšem také odhalily výskyt jedinců z asijské a turecké linie mimo areál svého původního výskytu, což je důsledek poptávky po sladkovodních racích a jejich odlovu přededvším v Arméneském jezeře Sevan či v tureckých jezerech a následném transportu do evropských zemí. Podobně jako je tomu u dalších druhů jedlých velkých korýšů, tito ne vždy končí na talířích zákazníků restaurací, ale jsou pak k nalezení/ulovení v řekách či stojatých vodách v okolí restaurací.

Výsledky této studie pravděpodobně otřesou dosud platnou nomenklaturou komplexu raka bahenního postavenou na morfologii s popsanými osmi druhy a dvěma poddruhy. Autoři sice nevylučují, že v obrovském areálu výskytu raka bahenního není dosud neobjevená populace mající zcela odlišnou genetickou stopu, ale pravděpodobnost je velmi malá.

Bláha, M., Patoka, J., Policar, T., Śliwińska, K., Alekhnovich, A., Berezina, N., Petrescu, A.-M., Mumladze, L., Weiperth, A., Jelic, M., Kozák, Pa., Maguire, I., 2023.  Phylogeographic patterns of genetic diversity in Pontastacus leptodactylus (Decapoda: Astacidae): is the hypothesis of the taxonomically rich genus Pontastacus true? Zoological Journal of the Linnean Society 199: 140–155. https://doi.org/10.1093/zoolinnean/zlad025

Obrázky:

1. Rak bahenní Pontastacus leptodactylus (foto Andráš Weiperth)

2. Rozšíření jednotlivých mitochondriální linií. Červená barva náleží Evropské linii, modrá barva odkazuje na Asijskou linii a zelená pak na Tureckou linii. Všimněte si Turecké linie ve středním toku Dunaje a Dánsku, a Asijské linie v Chrovatsku, mimo oblast původního výskytu.

Rak červenoklepetý, druh původem ze severní Austrálie a jihu Nové Guineje, patří mezi největší desetinohé korýše. Jedná se o vysoce plodný a časně dospívající druh raka. Ačkoliv ve svém původní areálu preferuje pomalu tekoucí vody, vyznačuje se značnou tolerancí, a je tak schopný zakládat populace v různých podmínkách prostředí. Tyto biologické a ekologické vlastnosti z něj činí velmi vhodný a oblíbený akvakulturní druh – po raku červeném je celosvětově nejvýznamnějším rakem. Také jeho jedinečné zbarvení přispívá k oblibě tohoto raka mezi akvaristy. Dnes se lze s rakem červenoklepetým setkat v 67 zemích a teritoriích po celém světě. Jeho volně žijící populace jsou známy již z 22 zemí. Informace o potenciálních nebo pozorovaných dopadech tohoto druhu v nově osídlených oblastech jsou však velmi neucelené. Proto jsme vytvořili přehledový článek o tomto druhu raka, jenž zahrnuje informace o jeho taxonomii a popisu, biologii, ekologii, distribuci a cestách šíření. Na tomto základě byla provedena biologická a socioekonomická klasifikace včetně modelování jeho potencionálního rozšíření. Další rozšiřování tohoto druhu mimo jeho původní areál by mělo být realizováno nejen s ohledem na ekonomickou rentabilitu takového chovu, ale mělo by zohlednit i možné negativní biologické a socioekonomické dopady.