Ramanova mikroskopie purinových krystalů v mikroorganizmech: složení, tvorba, vlastnosti a funkce

• Název práce v češtině: Ramanova mikroskopie purinových krystalů v mikroorganizmech: složení, tvorba, vlastnosti a funkce
• Název v anglickém jazyce: Raman microscopy of purine crystals in microorganisms: composition, formation, properties and functions
• Klíčová slova: Konfokální Ramanova mikroskopie|purinové inkluze|mikroskopické řasy|chemické složení|tvorba|optické vlastnosti
• Klíčová slova anglicky: Confocal Raman microscopy|purine inclusions|microscopic algae|chemical composition|formation|optical properties
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Peter Mojzeš, CSc.

Zásady pro vypracování

1) Udělat rešerši o současném stavu poznání o výskytu, tvorbě a funkcích krystalických purinů v mikrokrystalických řasách.
2) Zvládnout metodiku Ramanovy mikroskopie a kultivace mikroskopických řas za kontrolovaných podmínek.
3) Studovat podmínky, za kterých dochází k tvorbě krystalických inkluzí různého složení a struktury, zejména dostupnost živin, světelné podmínky a různé stresové faktory.
4) Analyzovat a interpretovat naměřená data. Vytvořit spektrální databází pro rutinní identifikaci krystalických inkluzí v dalších mikroorganizmech.
5) Získané poznatky prezentovat na mezinárodních konferencích a publikovat v impaktovaných časopisech.

1) To prepare a review of the current state of knowledge about the occurrence, formation and functions of crystalline purines in microcrystalline algae.
2) Master the methodology of Raman microscopy and cultivation of microalgae under controlled conditions.
3) To study the conditions under which crystalline inclusions of different composition and structure are formed, especially the availability of nutrients, light conditions and various stress factors.
4) Analyze and interpret measured data. Create a spectral database for the routine identification of crystalline inclusions in other microorganisms.
5) Present the knowledge gained at international conferences and publish in high-impact journals.

Seznam odborné literatury

1. Barsanti, L.; Gualtieri, P. Algae: Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology; CRC Press, 2014.
2. Dieing, T.; Hollricher, O.; Toporski, J. Confocal Raman Microscopy; Springer, 2011.
3. Moudříková, Š.; Mojzeš, P.; Zachleder, V.; Pfaff, C.; Behrendt, D.; Nedbal, L. Raman and fluorescence microscopy sensing energy-transducing and energy-storing structures in microalgae. Algal Research 2016, 16, 224-232.
4. Moudříková, Š.; Nedbal, L.; Solovchenko, A.; Mojzeš, P. Raman microscopy shows that nitrogen-rich cellular inclusions in microalgae are microcrystalline guanine. Algal Research 2017, 23, 216-222.
5. Mojzeš, P.; Gao, L.; Ismagulova, T.; Pilátová, J.; Moudříková, Š.; Gorelova, O.; Solovchenko, A.; Nedbal, L.; Salih, A. Guanine, a high-capacity and rapid-turnover nitrogen reserve in microalgal cells. PNAS 2020, 117 (51), 32722–32730.
6. Pilátová, J.; Pánek, T.; Oborník, M.; Čepička, I.; Mojzeš, P. Revisiting biocrystallization: purine crystalline inclusions are widespread in eukaryotes. ISME Journal 2022, 16 (9), 2290-2294.

Předběžná náplň práce

Řada eukaryotických mikroorganizmů včetně mikroskopických řas obsahuje různé mikrokrystalické inkluze. Jejich extrakce a identifikace standardními analytickými metodami je mnohdy obtížná a náchylná k artefaktům, proto u mnoha z nich zůstává chemické složení mikrokrystalů neznámé nebo nesprávně určené. Konfokální Ramanova mikroskopie představuje perspektivní metodu pro nedestruktivní a bezkontaktní studium chemického složení vnitrobuněčného prostředí se submikronovým prostorovým rozlišením. V případě fotosyntetických mikroorganizmů se jedná o málo probádanou oblast, kde možno i vzhledem k velkému počtu fylogeneticky různorodých druhů očekávat řadu zajímavých objevů. Vzhledem k tomu, že jednotlivé chemické komponenty jsou charakterizovány přímo svými vibračními spektry, konfokální Ramanova mikroskopie umožňuje studovat chemické složení in situ přímo v neporušených buňkách, bez nutnosti extrakce a v kontextu chemického složení dalších vnitrobuněčných struktur. V předešlých studiích jsme už ukázali, že řada mikroskopických řas a jiných eukaryotických protistů obsahuje mikrokrystalické inkluze guaninu a dalších purinů. Jejich vznik a zejména funkce však zůstávají neobjasněné.
Předmětem disertační práce bude studium vzniku a funkcí mikrokrystalických inkluzí v jednobuněčných řasách fylogeneticky odlišných druhů, zejména tvorba purinových krystalů. Budou studovány podmínky a mechanizmy jejich vzniků, zejména chemická a strukturní variabilita při tvorbě z různých živin a pod vlivem různých stresových faktorů. Disertace naváže na studium, které na našem pracovišti probíhá už delší dobu ve spolupráci se zahraničními partnery. Všechno potřebné experimentální vybavení a řada zkušeností s tématem jsou k dispozici. Od uchazeče se předpokládají solidní znalosti na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika a chemická fyzika, ale zejména iniciativní a samostatný přístup k řešení problémů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Many eukaryotic microorganisms including microalgae contain various microcrystalline inclusions. Their extraction and identification by standard analytical methods is often difficult and prone to artifacts, so the chemical composition of microcrystals remains unknown or incorrectly determined for many of them. Confocal Raman microscopy represents a promising method for non-destructive and non-contact study of the chemical composition of the intracellular environment with submicron spatial resolution. In the case of photosynthetic microorganisms, this is a little-explored area where, even given the large number of phylogenetically diverse species, many interesting discoveries can be expected. Since the individual chemical components are characterized directly by their vibrational spectra, confocal Raman microscopy allows studying the chemical composition in situ directly in intact cells, without the need for extraction and in the context of the chemical composition of other intracellular structures. In previous studies, we have already shown that many microalgae and other eukaryotic protists contain microcrystalline inclusions of guanine and other purines. However, their origin and especially their function remain unclear.
The subject of the dissertation will be the study of the formation and functions of microcrystalline inclusions in unicellular algae of phylogenetically different species, especially the formation of purine crystals. The conditions and mechanisms of their formation will be studied, especially the chemical and structural variability during formation from different nutrients and under the influence of different stress factors. The dissertation follows on from studies that have been going on at our workplace for a long time in cooperation with foreign partners. All necessary experimental equipment and a range of subject matter experience are available. The applicant is expected to have solid knowledge at the level of a completed master's degree in the field of biophysics and chemical physics, but especially an initiative and independent approach to problem-solving.