Modelování mitochondriální morfologie

• Název práce v češtině: Modelování mitochondriální morfologie
• Název v anglickém jazyce: Modeling Mitochondrial Morphology
• Klíčová slova: mechanika kontinua|mechanobiologie|numerické simulace|zpracování obrazu
• Klíčová slova anglicky: continuum mechanics|mechanobiology|numerical simulations|image processing
• Akademický rok vypsání: 2024/2025
• Typ práce: bakalářská práce
• Ústav: Matematický ústav UK (32-MUUK)
• Vedoucí / školitel: Christoph Allolio, Ph.D.
• Řešitel: Šimon Húdek - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 01.11.2024
• Datum zadání: 08.11.2024
• Datum potvrzení stud. oddělením: 08.11.2024

Zásady pro vypracování

The thesis requires numerical simulations using our toolkit, OrganL.
As well as processing of the results and comparison with Cryo-EM data obtained from the Chao group.
It also requires communication with members of the Chao group.
The focus can be adapted to either data processing or simulation.
The main goal of the thesis is to recover the basic mitochondrial crista shapes, using appropriate constraints and geometries.

Seznam odborné literatury

[1] Allolio C, Fábián B, Dostalík M. OrganL: Dynamic triangulation of biomembranes using curved elements. Biophys J. 2024 123(12):1553-1562.
[2] Ou-Yang Zhong-can and Wolfgang Helfrich: Bending energy of vesicle membranes: General expressions for the first, second, and third variation of the shape energy and applications to spheres and cylinders 1989 Phys. Rev. A 39, 5280
[3] Konar S, Arif H, Allolio C. Mitochondrial membrane model: Lipids, elastic properties, and the changing curvature of cardiolipin. Biophys J. 2023 122(21):4274-4287
[4] Cristae formation is a mechanical buckling event controlled by the inner mitochondrial membrane lipidome EMBO J 2023 42: e114054

Předběžná náplň práce

V aerobních organismech, jako je člověk, se energie uložená v živinách
přeměňuje na použitelnou formu uvnitř mitochondrií. Klíčovým krokem v
tomto procesu je vytvoření protonového gradientu přes vnitřní
mitochondriální membránu (IMM).
IMM má velkou plochu složenou do tzv. cristae. Cristae mají širokou
škálu tvarů, některé mohou být trubkovité, lamelové nebo dokonce
připomínající krystalické mřížky. Jakou roli ve vytváření těchto tvarů
hrají proteiny a lipidy není
v současné době dobře známo.
Naše skupina vyvinula počítačový řešič pro Helfrichovu teorii tenkých
skořepin,
OrganL, který je schopen modelovat lipidové membrány libovolné
geometrie.
Díky naší spolupráci se skupinou profesora Chao z Harvardské univerzity
se nám podařilo získat data tvarů crista, která jsou vhodná pro
validaci našeho modelu IMM. Účelem této
bakalářské práce je pomocí OrganL numericky spočítat predikce IMM
modelu, které by měly znovu replikovat základní tvar krist.
Znalosti biologie nejsou potřeba, jedná se o počítačové simulace a
zpracování obrazu.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

In aerobic organisms, such as humans, the energy stored in nutritients is
converted into usable form inside the mitochondria. A key step in this
process is the creation of a proton gradient across the inner
mitochondrial membrane (IMM).
The IMM has a large surface folded up into so-called cristae. Cristae can
have a wide varierty of shapes that can be tubular, lamellar or even
resembling cristalline lattices. The role of proteins and lipids in the
determination of these shapes is currently not well understood.
Our group has developed a solver for the Helfrich thin-shell theory,
OrganL, which is able to model lipid membranes of arbitrary geometries.
Via our collaboration with the Chao group from Harvard university, we have
obtained data of crista shapes suitable for model validation. The purpose
of this bachelor thesis is to use OrganL and our IMM model to recreate the
fundamental shape of cristae. No biology is required, this is a simulation
and image processing thesis.