Analysis and reconstruction of dynamical speckle patterns in interferometric scattering microscopy.

• Název práce v češtině: Analýza a rekonstrukce fluktuačních vzorců v interferenční rozptylové mikroskopii.
• Název v anglickém jazyce: Analysis and reconstruction of dynamical speckle patterns in interferometric scattering microscopy.
• Klíčová slova: single molekuly|fluktuace|difuze|interferenční mikroskopie
• Klíčová slova anglicky: single molecule|fluctuation|diffusion|iSCAT|microscopy
• Akademický rok vypsání: 2022/2023
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Marek Piliarik, Ph.D.
• Řešitel: Bc. Vítězslav Lužný - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 07.02.2022
• Datum zadání: 30.05.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 11.05.2023
• Datum a čas obhajoby: 29.06.2023 08:30
• Datum odevzdání elektronické podoby: 11.05.2023
• Datum odevzdání tištěné podoby: 15.05.2023
• Datum proběhlé obhajoby: 29.06.2023
• Oponenti: Lukasz Bujak, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Přímé pozorování přirozené dynamiky živé hmoty, nebo jejích základních stavebních kamenů, patří ke klíčovým metodickým postupům, kterými se člověk snaží pochopit svou vlastní existenci. Zatímco na makroskopické, a mikroskopické úrovni lze mechanismy fungování popsat na pozorováním zjevných koordinovaných pohybů či změn, na nanoskopické úrovni je podobný popis závislý na invazivním značkování cíleném na jednotlivé známé a již popsané skupiny molekul. Navzdory obrovským pokrokům mikroskopových metod dosahujícím citlivosti na úrovni jednotlivých proteinů [1], pozorování dynamiky single proteinů a jejich příspěvku k výslednici biologické funkce organismu zůstává skryto v souboru těžko postihnutelných fluktuací ztracených v pozadí náhodných termálních kmitů hmoty. Cílem této bakalářské práce bude popsat charakteristiky pozorování, které umožní oddělit náhodné fluktuace biologické hmoty od fluktuací pramenících z vnitřní nebo vnější síly nebo energetického potenciálu působící na jednotlivé makromolekuly. Práce bude vycházet z experimentálně dosažitelných parametrů citlivosti v ultracitlivé mikroskopii [2,3] a detailního teoretického modelu popisujícího interferenční fluktuace (speckle pattern [4]) v závislosti na fluktuaci rozložení hustoty částic/molekul podél struktury [2], v rovině [3], nebo v objemu vzorku.

Pokyny pro vypracování:
1. Proveďte rešerši optických metod a zpracování dat využívajících fluktuační analýzu k popsání dynamiky zkoumaných vzorků.
2. Vytvořte hrubý model termálních fluktuací hustoty částic v jednoduchém přiblížení volné difuze (1D, 2D, případně 3D).
3. Do předchozího modelu zapracujte model částic subdifuzní nebo superdifuzní charakteristiky, případně částic, které mezi sebou interagují (tvoří přechodové dimery nebo oligomery).
4. Pro rekonstrukci intenzitních fluktuací v difrakčně limitovaném obraze namodelovaného systému částic využijte, například, multiškálový model zobrazení interferenčního rozptylového mikroskopu (ve spolupráci se zahraničním partnerem [4]).
5. Pokuste se ze získaného intenzitního obrazu zpětně zrekonstruovat některé informace o základních difuzních charakteristikách modelovaných částic.

Seznam odborné literatury

[1] M. Piliarik, V. Sandoghdar, Direct optical sensing of single unlabeled proteins and super-resolution imaging of their binding sites.Nature Communications 5 (2014) 4495.
[2] M. Vala, L. Bujak, A.G. Marin, K. Holanova, V. Henrichs, M. Braun, Z. Lansky, M. Piliarik, Nanoscopic Structural Fluctuations of Disassembling Microtubules Revealed by Label-Free Super-Resolution Microscopy, Small Methods 5 (2021) 2000985
[3] Heermann, T., Steiert, F., Ramm, B. et al. Mass-sensitive particle tracking to elucidate the membrane-associated MinDE reaction cycle. Nat Methods 18, 1239–1246 (2021).
[4] Y. He, S. Lin, H. Robert, H. Li, P. Zhang, M. Piliarik, X.-W. Chen, Multiscale Modeling and Analysis for High-fidelity Interferometric Scattering Microscopy, Journal of Physics D: Applied Physics 54 (2021) 274002