Identifikace složení směsných krystalů celestinu a barytu v mikroorganizmech pomocí Ramanovy mikroskopie

• Název práce v češtině: Identifikace složení směsných krystalů celestinu a barytu v mikroorganizmech pomocí Ramanovy mikroskopie
• Název v anglickém jazyce: Identification of the composition of mixed crystals of celestine and barite in microorganisms using Raman microscopy
• Klíčová slova: intracelulární inkluze|baryt|celestin|směsné krystaly|stechiometrické zastoupení|Ramanova mikroskopie
• Klíčová slova anglicky: intracellular inclusion|barite|celestine|mixed crystals|stoichiometric ratio|Raman microscopy
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Peter Mojzeš, CSc.

Zásady pro vypracování

1. Seznámit se s problematikou biogenních intracelulárních minerálních inkluzí vyskytujících v mikroorganizmech, zejména barytu a celestitu.
2. Seznámit se s metodou Ramanovy spektroskopie a zvládnout měření na Ramanově mikroskopu WITec.
3. Připravit vzorky směsných krystalů ((Ba,Sr)SO4 s různým stochiometrickým zastoupením Ba a Sr jako referenčních modelů biogenních směsných krystalů barytu a celestitu.
4. Proměřit, zpracovat a interpretovat Ramanova spektra připravených vzorků a určit vztah mezi polohou spektrálních markerů a stechiometrií Sr a Ba.
5. Na základě zjištěné závislosti určit stechiometrii biogenních mikrokrystalů vyskytujících se v mikroorganizmech pěstovaných v médiích s různým obsahem stroncia a barya.

Seznam odborné literatury

[1] Dieing, T., Hollricher, O., and Toporski, J. (2011) Confocal Raman Microscopy, Springer, Heidelberg.
[2] Zhou, L., Mernagh, T. P., Mo, B., Wang, L., Zhang, S., and Wang, C. (2020) Raman study of barite and celestine at various temperatures, Minerals 10, 14.
[3] Krejci, M. R., Finney, L., Vogt, S., and Joester, D. (2011) Selective sequestration of strontium in desmid green algae by biogenic co-precipitation with barite, ChemSusChem 4, 470-473.
[4] Krejci, M. R., Wasserman, B., Finney, L., McNulty, I., Legnini, D., Vogt, S., and Joester, D. (2011) Selectivity in biomineralization of barium and strontium, Journal of Structural Biology 176, 192-202.
[5] Niedermeier, M., Gierlinger, N., and Lutz-Meindl, U. (2018) Biomineralization of strontium and barium contributes to detoxification in the freshwater alga Micrasterias, Journal of Plant Physiology 230, 80-91.
[6] Raven, J. A., and Knoll, A. H. (2010) Non-skeletal biomineralization by Eukaryotes: Matters of moment and gravity, Geomicrobiol. J. 27, 572-584.

Předběžná náplň práce

V mnoha mikroorganizmech se vyskytují různorodé krystalické inkluze včetně biogenních minerálů. Jednou z pozoruhodných inkluzí jsou mikrokrystaly celestinu (SrSO4) a barytu (BaSO4) vyskytující se v některých sladkovodních i mořských mikroorganizmech. Jejich funkce není plně objasněná. Přestože koncentrace stroncia a baria v životním prostředí je velice malá, některé mikroorganizmy dokážou tyto prvky akumulovat v pozoruhodných množstvích a ukládat je uvnitř svých buněk jako nerozpustné sírany. V umělých podmínkách, kde je možno kontrolovat koncentraci Ba a Sr, lze docílit tvorby biogenních směsných krystalů (Ba,Sr)SO4 o různé stechiometrii, které se dají charakterizovat přímo v buňkách pomocí Ramanovy mikroskopie.
Předmětem bakalářské práce bude nalezení spektrálních Ramanových markerů umožňujících určit stechiometrické zastoupení Sr a Ba v biogenních směsných krystalech. Řešitel připraví řadu syntetických vzorků (Ba,Sr)SO4 se známým stechiometrickým poměrem, proměří jejich Ramanova spektra a určí souvislost mezi spektrálními charakteristikami a stechiometrií. Výsledky budou použity pro určení stechiometrie v biogenních mikrokrystalech mikroorganizmů.
Experimentální vybavení a potřebný materiál jsou k dispozici. Bakalářská práce bude součástí grantového projektu GAČR, ze kterého bude řešiteli bakalářské práce poskytnuta finanční podpora. Práce je zvláště vhodná pro zájemce o navazující magisterské studium v oboru Biofyzika a chemická fyzika.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

A variety of crystalline inclusions, including biogenic minerals, occur in many microorganisms. One notable inclusion is the microcrystals of celestite (SrSO4) and barite (BaSO4) found in some freshwater and marine microorganisms. However, their function is not fully understood. Although the concentration of strontium and barium in the environment is very small, some microorganisms are able to accumulate these elements in remarkable amounts and store them inside their cells as insoluble sulfates. Under artificial conditions, where it is possible to control the concentration of Ba and Sr, the formation of biogenic mixed crystals of (Ba,Sr)SO4 of different stoichiometry can be achieved, which can be characterized directly within the cells by Raman microscopy.
The aim of the bachelor thesis will be to establish spectral Raman markers allowing the determination of the stoichiometric ratio between Sr and Ba in biogenic mixed crystals. A series of synthetic (Ba,Sr)SO4 samples with a known stoichiometric ratio will be prepared, characterized by their Raman spectra, and the relationship between the spectral characteristics and stoichiometry will be determined. The results will be used to assess the stoichiometry in biogenic microcrystals produced by microorganisms.
All experimental equipment and necessary materials are available. The bachelor's thesis will be a part of the GAČR grant project, from which the researcher of the bachelor's thesis will be provided with financial support. The work is especially suitable for those interested in a follow-up master's degree in Biophysics and Chemical Physics.