Studium biogenních krystalů síranových a fosfátových komplexů s kovy alkalických zemin vyskytujících se v mikroorganismech pomocí Ramanovy spektroskopie

• Název práce v češtině: Studium biogenních krystalů síranových a fosfátových komplexů s kovy alkalických zemin vyskytujících se v mikroorganismech pomocí Ramanovy spektroskopie
• Název v anglickém jazyce: Raman spectroscopic study of biogenic crystals of sulphate and phosphate complexes with alkaline earth metals present in microorganisms
• Klíčová slova: intracelulární inkluze|kovy alkalických zemin|sírany|fosfáty|baryt|celestin|směsné krystaly|Ramanova mikroskopie
• Klíčová slova anglicky: intracellular inclusions|alkaline earth metals|sulphates|phosphates|barite|celestite|mixed crystals|Raman microscopy
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Peter Mojzeš, CSc.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 21.04.2022
• Datum zadání: 22.04.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 27.04.2022
• Datum a čas obhajoby: 13.09.2024 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 18.07.2024
• Datum odevzdání tištěné podoby: 18.07.2024
• Datum proběhlé obhajoby: 13.09.2024
• Oponenti: doc. RNDr. Ivana Šloufová, Ph.D.
• Konzultanti: RNDr. Ing. Jana Pilátová, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1. Seznámit se s problematikou biogenních minerálních inkluzí sestávajících z komplexů kovů alkalických zemin se sírany a fosfáty a napsat literární rešerši postihující současný stav poznání.
2. Seznámit se s metodou Ramanovy spektroskopie a zvládnout měření na Ramanově mikroskopu.
3. Připravit referenční vzorky směsných krystalů vybraných komplexů s různým stechiometrickým zastoupením kovů.
4. Proměřit, zpracovat a interpretovat Ramanova spektra připravených vzorků a určit vztah mezi polohou spektrálních markerů a stechiometrií.
5. Proměřit biogenní krystaly vytvořené vybranými mikroorganizmy pěstovanými v médiích s kontrolovaným obsahem příslušných kovů.
6. Na základě zjištěných závislostí navrhnout stechiometrii biogenních mikrokrystalů síranů a fosfátů vyskytujících se v mikroorganizmech.

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.
[7] Omelon, S. J., and Grynpas, M. D. (2008) Relationships between polyphosphate chemistry, biochemistry and apatite biomineralization, Chemical Reviews 108, 4694-4715.
[8] Kulakovskaya, T., Pavlov, E., and Dedkova, E. N. (2016) Inorganic Polyphosphates in Eukaryotic Cells, Springer.
[9] Popovic, L., de Waal, D., and Boeyens, J. C. A. (2005) Correlation between Raman wavenumbers and P-O bond lengths in crystalline inorganic phosphates, Journal of Raman Spectroscopy 36, 2-11.

Předběžná náplň práce

V mnoha mikroorganizmech se vyskytují různorodé krystalické inkluze včetně biogenních minerálů. Jednou významnou skupinou 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 podstatně nižší než koncentrace vápníku, některé mikroorganizmy dokážou tyto prvky selektivně akumulovat v pozoruhodných množstvích, a to i při nadbytku vápníku, a ukládat je uvnitř svých buněk jako nerozpustné sírany. V umělých podmínkách, kde je možno kontrolovat koncentraci Ca, Ba a Sr, lze docílit tvorby biogenních směsných krystalů o různé stechiometrii, které se dají charakterizovat přímo v buňkách pomocí Ramanovy mikroskopie. Druhou zajímavou skupinu představuji nerozpustné komplexy některých dvojmocných kovů s fosfáty, zejména pyrofosfáty a polyfosfáty. U polyfosfátů je známo, že mají řadu důležitých biologických funkcí. Pyrofosfáty můžou vznikat jako produkt štěpení ATP. V obou případech by informace o stechiometrii kationtů v komplexech získána spektroskopicky in-situ mohla přispět k lepšímu pochopení jejich funkcí.
Předmětem diplomové práce bude nalezení spektrálních markerů umožňujících určit chemické složení těchto biogenních krystalů pomocí Ramanovy mikroskopie. Řešitel připraví řadu syntetických vzorků 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. Diplomová práce bude součástí grantového projektu GAČR, ze kterého bude řešiteli poskytnuta finanční podpora.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Many microorganisms contain a variety of crystalline inclusions, including biogenic minerals. One important group is represented by the microcrystals of celestite (SrSO4) and barite (BaSO4) identified in some freshwater and marine microorganisms. Their function is not fully understood. Although the concentration of strontium and barium in the environment is significantly lower than the concentration of calcium, some microorganisms are able to selectively accumulate these elements in remarkable amounts, even in excess of calcium, and store them inside their cells as insoluble sulphates. Under artificial conditions, where it is possible to control the concentration of Ca, Ba and Sr, the formation of biogenic mixed crystals of different stoichiometry can be achieved, which can be characterized directly in the cells by Raman microscopy. The second interesting group is represented by insoluble complexes of some divalent metals with phosphates, especially pyrophosphates and polyphosphates. Polyphosphates are known to have a number of important biological functions. Pyrophosphates can be formed as a product of ATP cleavage. In both cases, information on the stoichiometry of cations in the complexes obtained spectroscopically in-situ could contribute to a better understanding of their functions.
The subject of the diploma thesis will be to find spectral markers enabling to determine the chemical composition of these biogenic crystals by using Raman microscopy. The researcher prepares a series of synthetic samples with a known stoichiometric ratio, measures their Raman spectra and determines the relationship between spectral characteristics and stoichiometry. The results will be used to determine stoichiometry in biogenic microcrystals of microorganisms. Experimental equipment and necessary material are available. The diploma thesis will be a part of the grant project of the Czech Science dipFoundation, from which the researcher will be provided with financial support.