Membrane Fusion at the Nanoscale

• Název práce v češtině: Membránová fúze v nanoměřítku
• Název v anglickém jazyce: Membrane Fusion at the Nanoscale
• Klíčová slova: membránová fúze, lipidové membrány, SNARE, protein-lipid interakce, fluorescence, FRET, fluorescenční spektroskopie, fluorescenční mikroskopie, spektroskopie, mikroskopie, biofyzika, biofyzikální chemie
• Klíčová slova anglicky: membrane fusion, lipid membranes, SNARE, protein-lipid interactions, fluorescence, FRET, fluorescence spectroscopy, fluorescence microscopy, spectroscopy, microscopy, biophysics, biophysical chemistry
• Akademický rok vypsání: 2019/2020
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Radek Šachl, Ph.D.

Seznam odborné literatury

1. A. Koukalová, Š. Pokorná, A. L. Boyle, N. Lopez Mora, A. Kros, M. Hof and R. Šachl, Nanoscale, 2018,4, 19064–19073.
2. H. Robson Marsden, N. A. Elbers, P. H. H. Bomans, N. A. J. M. Sommerdijk and A. Kros, Angew. Chemie Int. Ed., 2009,48, 2330–2333.
3. J. Han, K. Pluhackova and R. A. Böckmann, Front. Physiol., 2017,8, 1–17.

Předběžná náplň práce

Membránová fúze je klíčový proces odehrávající se ve všech živých buňkách, neboť usnadňuje transport molekul mezi buňkami nebo v jejich rámci. Jsou to především různé membránou uzavřené kompartementy eukaryotických buněk, které potřebují vyměňovat svoje obsahy a komunikovat přes membránu. Je známo, že efektivní a kontrolovatelná fúze biologických membrán je poháněna tzv. SNARE proteiny, které představují centrální komponenty zodpovědné za fúzi synaptických vezikul s plazmatickou membránou.
V nedávné době byl vyvinut zjednodušený systém pro membránovou fúzi inspirovaný SNARE proteiny a založený na komplementárních lipopeptidech CP_nE₄ a CP_nK₄. Skládá se z cholesterolu (C), poly(etylenglykol)ové spojky (P_n) a buď kationického peptidu K₄ (KIAALKE)₄ nebo anionického peptidu E₄ (EIAALEK)₄. Tato práce si klade za cíl 1) v detailu objasnit mechanismus, jakým fúze probíhá na molekulární úrovni a 2) identifikovat nejvíce efektivní fúsogenní lipopeptidy, které by mohly býti použity v in-vivo aplikacích.
Uchazeč bude používat moderní fluorescenční metody založené na detekci jednotlivých molekul: FCS (fluorescenční korelační spektroskopie), SPT (single particle tracking = monitorování jednotlivých molekul v čase a prostoru), FRET (Försterův přenos energie) a různé fluorescenční zobrazovací techniky. Tento projekt je společným projektem mezi J. Heyrovský ústavem fyzikální chemie, Praha, a univerzitou v Leidenu, Nizozemí.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Membrane fusion is a key process in all living cells, as it facilitates the transport of molecules between and within cells. In particular, the various membrane-enclosed compartments in eukaryotic cells need to exchange their contents and communicate across membranes. Efficient and controllable fusion of biological membranes is known to be driven by cooperative action of SNARE proteins, which constitute the central components of the eukaryotic fusion machinery responsible for fusion of synaptic vesicles with the plasma membrane.
Recently, a simlified model system for membrane fusion, inspired by SNARE proteins and based on two complementary lipopeptides CP_nE₄ and CP_nK₄, has been developed. It consists of cholesterol (C), a poly(ethylene glycol) linker (P_n) and either a cationic peptide K₄ (KIAALKE)₄ or an anionic peptide E₄ (EIAALEK)₄. This work aims at 1) elucidating in detail the mechanism by which fusion progresses at the molecular lever and 2) to identify the most efficient fusogenic lipopeptides which could potentially be used for in-vivo applications.
The applicant will use most modern single molecule fluorescence techniques including FCS (fluorescence correlation spectroscopy), a recently established technique in our lab SPT (single particle tracking), FRET (Förster resonance energy transfer) and various fluorescence imaging techniques. This project is a joint project between J. Heyrovský Institute of Physical Chemistry, Prague, and Leiden University, The Netherlands.