In-situ identifikace chemického složení vnitrobuněčných krystalických inkluzí mikroskopických řas pomocí konfokální Ramanovy mikroskopie

• Název práce v češtině: In-situ identifikace chemického složení vnitrobuněčných krystalických inkluzí mikroskopických řas pomocí konfokální Ramanovy mikroskopie
• Název v anglickém jazyce: In-situ identification of chemical composition of intracellular crystalline inclusions of microalgae by confocal Raman microscopy
• Klíčová slova: Krystalické inkluze|chemické složení|konfokální Ramanova mikroskopie|mikroskopické řasy|spektroskopická identifikace
• Klíčová slova anglicky: Krystalické inkluze|chemické složení|konfokální Ramanova mikroskopie|mikroskopické řasy|spektroskopická identifikace
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Peter Mojzeš, CSc.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 20.09.2021
• Datum zadání: 20.09.2021
• Datum potvrzení stud. oddělením: 20.09.2021

Zásady pro vypracování

1) Prostudovat dostupnou literaturu a sepsat rešerši o současném stavu znalostí o výskytu a chemické podstatě mikrokrystalických inkluzí v buňkách, s důrazem na mikroskopické řasy.
2) Na základě rešerše vybrat řasy z různých fylogenetických větví zajímavé z hlediska přítomnosti krystalických inkluzí.
3) Zvládnout metodiku Ramanovy mikroskopie a kultivace mikroskopických řas za kontrolovaných podmínek.
4) Studovat podmínky, za kterých dochází k tvorbě krystalických inkluzí.
5) Analyzovat a interpretovat naměřená data. Vytvořit spektrální databází pro rutinní identifikaci krystalických inkluzí v dalších buňkách.
6) Získané poznatky prezentovat na mezinárodních konferencích a publikovat v impaktovaných časopisech.

1) To study published papers dealing with the subject and prepare literature review on the current state of knowledge about the occurrence and chemical nature of microcrystalline inclusions in the cells, with the emphasis on microscopic algae.
2) On the basis of the literature review, select microalgae from different phylogenetic branches which could be interesting from the point of view of the presence of crystalline inclusions.
3) To master methodology of Raman microscopy and cultivation of microscopic algae under controlled conditions.
4) To study conditions and factors having effect on the formation of crystalline inclusions.
5) To analyze and interpret obtained data. To create a spectral database for routine identification of crystalline inclusions in other cells.
6) To present acquired results at international conferences and publish in impacted journals.

Seznam odborné literatury

1. Barsanti, L., and P. Gualtieri. 2014. Algae: Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology. CRC Press, London. 361 pp.
2. Borowitzka, M.A., J. Beardall, and J.A. Raven. 2016. The Physiology of Microalgae. In Developments in Applied Phycology. M.A. Borowitzka, editor. Springer. 681.
3. Dieing, T., O. Hollricher, and J. Toporski. 2011. Confocal Raman microscopy. Springer.
4. Clode, P.L., M. Saunders, G. Maker, M. Ludwig, and C.A. Atkins. 2009. Uric acid deposits in symbiotic marine algae. Plant Cell and Environment. 32:170-177.
5. Clode, P.L., and A.T. Marshall. 2002. Kalisomes in corals: a novel KCl concentrating organelle? Tissue Cell. 34:199-209.
6. Krejci, M.R., B. Wasserman, L. Finney, I. McNulty, D. Legnini, S. Vogt, and D. Joester. 2011b. Selectivity in biomineralization of barium and strontium. Journal of Structural Biology. 176:192-202.
7. Moudříková, Š., L. Nedbal, A. Solovchenko, and P. Mojzeš. 2017. Raman microscopy shows that nitrogen-rich cellular inclusions in microalgae are microcrystalline guanine. Algal Research. 23:216-222.
8. Nakayama, T., A. Nakamura, A. Yokoyama, T. Shiratori, I. Inouye, and K. Ishida. 2015. Taxonomic study of a new eustigmatophycean alga, Vacuoliviride crystalliferum gen. et sp nov. Journal of Plant Research. 128:249-257.
9. Weiner, S., and L. Addadi. 2011. Crystallization Pathways in Biomineralization. In Annual Review of Materials Research, Vol. 41, D.R. Clarke and P. Fratzl, editors. Annual Reviews, Palo Alto. 21-40.

Předběžná náplň práce

Řada jednobuněčných řas obsahuje různé mikrokrystalické inkluze. Jejich extrakce a identifikace standardními analytickými metodami je mnohdy obtížná a náchylná k artefaktům, proto u mnoha řas 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 organizmů 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 řas obsahuje mikrokrystalické inkluze guaninu a dalších purinů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Many microalgae contain various microcrystalline inclusions. Their extraction and identification by standard analytical methods is often difficult and prone to artifacts; therefore, for many microalgae the chemical composition of their microcrystalline inclusions remains unknown or misidentified. Confocal Raman microscopy is a perspective method for non-destructive and non-contact study of chemical composition of intracellular environment with submicron spatial resolution. In the case of photosynthetic organisms, this is a little explored area, where many interesting discoveries can be expected due to the large number of phylogenetically diverse algal species. Since particular chemical compounds are characterized directly by their vibration spectra, confocal Raman microscopy allows to study chemical composition in situ directly within intact cells, without the need for extraction, and in the context of the chemical composition of other intracellular structures. In our previous studies, we have already shown that many microalgae contain microcrystalline inclusions of guanine and other purines.
The subject of the dissertation will be study and elucidation of chemical composition of various microcrystalline inclusions in microalgae of phylogenetically different species. Furthermore, the conditions and mechanisms of their formation will be studied. Necessary experimental equipment is available and our team is already involved in Raman microscopy of microalgae. Appropriate microalgae will be acquired from publicly accessible collections of microorganisms. Applicant is expected to possess knowledge at the level of completed MSc. degree in biophysics, chemical physics, biochemistry or biology, but in particular an initiative and independent approach.