Studium biomolekulární interakcí na úrovni jednotlivých molekul
| Název práce v češtině: | Studium biomolekulární interakcí na úrovni jednotlivých molekul |
|---|---|
| Název v anglickém jazyce: | Investigation of biomolecular interactions at single-molecule level |
| Klíčová slova: | biofyzika a biochemie jedné molekuly|biomolekulární interakce|optická bezznačková mikroskopie|zobrování jedné moleculy|nanofluidika |
| Klíčová slova anglicky: | single molecule biophysics and biochemistry|biomolecular interactions|optical microscopy|label-free optical microscopy|single biomolecule imaging|nanofluidics |
| Akademický rok vypsání: | 2024/2025 |
| Typ práce: | disertační práce |
| Jazyk práce: | |
| Ústav: | Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. (32-FZUAV) |
| Vedoucí / školitel: | Barbora Špačková |
| Řešitel: |
| Zásady pro vypracování |
| 1) Vypracovat rešerši současné literatury o experimentálních metodách zkoumání biomolekulárních interakcí, s důrazem na metody jednomolekulární.
2) Osvojit si nanofluidní rozptylovou mikroskopii (NSM) –metodu pro zobrazování a analýzu jednotlivých molekul. 3) Navrhnout první experiment svého druhu pro studium biomolekulárních interakcí modelového molekulárního systému pomocí NSM. 4) Analyzovat a interpretovat experimentální data a výsledky porovnat s klasickými metodami. 6) Aplikovat NSM k řešení aktuálních témat biochemie, biofyziky a medicíny, např. studium agregačních procesů proteinů spojených s vývojem neurodegenerativních poruch. 7) Výsledky publikovat v impaktovaných časopisech a prezentovat na mezinárodních konferencích. |
| Seznam odborné literatury |
| [1] D. M. Zukerman, Statistical Physics of Biomolecules: An Introduction. Taylor and Francis Group (2010).
[2] M. C. Leake, Biophysics Tools and Techniques. CRC Press (2016). [3] C. F. Bohren, D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. (2004). [4] S. Shashkova and M. C. Leake, Single-molecule fluorescence microscopy review: shedding new light on old problems. Biosci. Rep. 37, BSR20170031 (2017). [5] R. W. Taylor and V. Sandoghdar: Interferometric Scattering Microscopy: Seeing Single Nanoparticles and Molecules via Rayleigh Scattering. Nano Lett. 19, 8, 4827–4835 (2019). Soubor původních prací (např.): [6] B. Špačková, et al: Nanofluidic Scattering Microscopy for label-free weight and size screening of single diffusing biomolecules. Nature Methods 19, 751-758 (2022) [7] M. Piliarik, V. Sandoghdar, Direct optical sensing of single unlabeled proteins and super-resolution imaging of their binding sites. Nature Communications 5, 4495 (2014). [8] G. Young et al., Quantitative mass imaging of single biological macromolecules. Science 360, 423 (2018). |
| Předběžná náplň práce |
| Existuje mnoho fyziologicky relevantních biomolekul a jejích interakcí, které jsou vysoce heterogenního charakteru a proto mohou být rozklíčovány pouze detailním studiem na úrovni jednotlivých molekul. Současné zobrazovací metody však dokážou rozlišit jen takové molekuly, které jsou buď ukotvené na povrch nebo zvýrazněné fluorescenčními značkami, což ale mění jejich přirozené chování. Nedávno byla vyvinula nová revoluční metoda – Nanofluidická rozptylová mikroskopie (NSM) [6] - jejíž bezprecedentní rozlišení umožňuje tato omezení obejít a zobrazit volně se pohybující jednotlivé proteiny bez použití fluorescenčních značek. Sledování jednotlivých biomolekul difundujících v roztoku představuje dosud neprozkoumanou možnost pro studium molekulárního transportu, interakcí mezi jednotlivými biomolekulami nebo analýzu komplexních biologických vzorků. Očekává se, že s dalším pokrokem v této nové technologii bude mít NSM významný dopad v oblasti jednomolekulárních věd a inspiruje nové strategie pro včasnou diagnostiku a terapeutickou intervenci.
Disertační práce se bude věnovat dalšímu vývoji této unikátní metody a její využití pro studium biomolekulárních interakcí. Od uchazeče se předpokládá ukončené magisterské studium v oboru biofyzika a chemická fyzika, ale zejména kreativita a entuziasmus. |
| Předběžná náplň práce v anglickém jazyce |
| Numerous biomolecules and their interactions possess physiologically relevant heterogeneities that can be unraveled only by means of single-molecule tools. All current single-molecule imaging methods, however, require fluorescent labelling or immobilization onto a surface, which might alter the biomolecule’s natural behavior. Recently, a ground-breaking optical microscopy method has been developed – Nanofluidic Scattering Microscopy (NSM) [6] – whose unprecedented resolution enabled to bypass those limitations and to image individual proteins in free motion without any label. Monitoring of individual biomolecules diffusing in solution represents a yet unexplored opportunity for studies of molecular transport, interactions between individual biomolecules, or analysis of complex biofluids. With further advances in this novel technology, NSM is expected to have a significant impact in the field of single-molecule sciences and to inspire new strategies for early diagnosis and therapeutic intervention.
The dissertation will be focused on the further development of this novel method and its application in investigation of biomolecular interactions. The applicant is expected to have M.Sc. in biophysics or biochemistry, but most importantly creativity and enthusiasm. |