Trasování dynamiky rotace jednotlivých biomolekul

• Název práce v češtině: Trasování dynamiky rotace jednotlivých biomolekul
• Název v anglickém jazyce: Tracking rotational dynamics of single biomolecules
• Klíčová slova: optická mikroskopie|dynamika biomolekul|trasování jednotlivých molekul|trasování rotace|konformační změny
• Klíčová slova anglicky: optical microscopy|dynamics of biomolecules|single-molecule tracking|rotation tracking|conformational changes
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i. (32-UFEAV)
• Vedoucí / školitel: Mgr. Milan Vala, Ph.D.
• Konzultanti: Mgr. Marek Piliarik, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1. Literature search - experimental methods for single molecule tracking with a focus on techniques enabling measurement of rotational and conformational dynamics.
2. Participation in the development of optical microscopy method based on interferometric detection of scattered light.
3. Development and optimization of scattering labels enabling detection of rotational motions with high spatiotemporal resolution. Anisotropic scattering labels will be composed primarily of plasmonic particles and structured DNA constructs (DNA origami).
4. Application of the developed method to measure rotational dynamics of selected relevant biophysical processes.

Please contact me ([e-mail], tel: [phone]) for more detailed information.

Seznam odborné literatury

(1) Taylor, R. W.; Mahmoodabadi, R. G.; Rauschenberger, V.; Giessl, A.; Schambony, A.; Sandoghdar, V. Interferometric Scattering Microscopy Reveals Microsecond Nanoscopic Protein Motion on a Live Cell Membrane. Nature Photonics 2019, 13 (7), 480.
(2) Vala, M.; Bujak, Ł.; Marín, A. G.; Holanová, K.; Henrichs, V.; Braun, M.; Lánský, Z.; Piliarik, M. Nanoscopic Structural Fluctuations of Disassembling Microtubules Revealed by Label-Free Super-Resolution Microscopy. Small Methods 2021, 5 (4), 2000985.
(3) Piliarik, M.; Sandoghdar, V. Direct Optical Sensing of Single Unlabelled Proteins and Super-Resolution Imaging of Their Binding Sites. Nature Communications 2014, 5, 4495.
(4) Kosuri, P.; Altheimer, B. D.; Dai, M.; Yin, P.; Zhuang, X. Rotation Tracking of Genome-Processing Enzymes Using DNA Origami Rotors. Nature 2019, 572 (7767), 136–140.

Předběžná náplň práce

Tématem práce bude studium rotační dynamiky jednotlivých molekul pomocí neinvazivní optické mikroskopie s interferometrickou detekcí rozptýleného světla (iSCAT). Uchazeč se bude podílet na vývoji a aplikaci metody pro rychlé trasování makromolekul a jejich komplexů s důrazem na zlepšení přesnosti určení jejich orientace v prostoru (otočení) a tvaru (konformace). Cílem bude zvýšit citlivost až na úroveň jednotlivých biomolekul a demonstrovat možnosti tohoto informačně bohatého trasování pro vybrané biofyzikální procesy jako např. rotaci enzymaticky rozplétané dvoušroubovice DNA nebo dynamiku makromolekulárních komplexů a jejich interakcí na pevných površích nebo lipidových membránách. Součástí práce bude i optimalizace značení sledovaných biomolekul anizotropními rozptylovými značkami jako jsou plazmonické nanočástice nebo strukturovaná DNA (DNA origami). Předpokládá se, že uchazeč bude absolventem magisterského oboru biofyzika a chemická fyzika (nebo bude mít znalosti na srovnatelné úrovni) a bude vysoce motivován ke studiu a kreativnímu zvládnutí mezioborové problematiky na pomezí nano-optiky a biofyziky.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

This work will be focused on the study of rotational dynamics of single molecules using non-invasive optical microscopy based on interferometric detection of scattered light (iSCAT). The candidate will be involved in the development and application of methods for rapid tracking of the macromolecules and their complexes with an emphasis on improving the precision to measure their orientation in space (rotation) and shape (conformation). The objective will be to increase the sensitivity down to the single-molecule level and to demonstrate the potential of such information-rich tracking on selected biophysical processes such as the rotation of an enzymatically unwound DNA double helix, or the dynamics of macromolecular complexes and their interactions on solid surfaces or lipid membranes. The work will also include the optimization of labeling of biomolecules with anisotropic scattering labels such as plasmonic nanoparticles or structured DNA (DNA origami).
The applicant is expected to be a graduate of the biophysics and chemical physics master program (or having knowledge at a comparable level) and should be highly motivated and capable to learn and creatively contribute to the interdisciplinary experimental research spanning from nano-optics to biophysics.