Exploring the fundamental molecular interactions modulating glycocalyx bioactivity

• Název práce v češtině: Zkoumání základních molekulárních interakcí ovlivňujících bioaktivitu glykokalyxu
• Název v anglickém jazyce: Exploring the fundamental molecular interactions modulating glycocalyx bioactivity
• Klíčová slova: Molekulární dynamika, Spektroskopie, Kvantová mechanika, Sacharidy, Glykokalyx, Molekulární interakce
• Klíčová slova anglicky: Molecular dynamics, Spectroscopy, Quantum mechanics, Sugars, Glycocalyx, Molecular interactions
• Akademický rok vypsání: 2020/2021
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Vedoucí / školitel: Hector Martinez-Seara, Dr.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 16.10.2020
• Datum zadání: 16.10.2020

Předběžná náplň práce

Glykokalyx nebo extracelulární matrix je silná vrstva biomakromolekul, která je vázána k membráně na buněčném povrchu. Skládá se převážně z polymerních saccharidů, proteinů a membrány. Tato vrstva slouží jako bariéra mezi buňkou a jejím okolím. To znamená, že jakákoli molekula, která přichází do buňky nebo z ní odchází, musí glykokalyxem nebo extracelulární matrix projít. Glykokalyx též zprostředkovává interakce mezi buňkami a chrání buněčnou membránu před mechanickým a chemickým poškozením a tak zachovává její integritu. Hraje též zásadní roli při buněčném pohybu, rozpoznání a adhezi. Přesná regulace těchto procesů je klíčově důležitá pro embryonální vývoj, při tvorbě tkání a orgánů, hojení ran, pro správné fungování imunitního systému a buněčné odpovědi na fyzikální podněty. Není proto překvapivé, že glykokalyx hraje roli i ve vývoji a postupu mnohých nemocí, jako např. cévních onemocnění, cukrovky, metastáz rakoviny, vstupu virů do buněk při infekcích, patologických zánětlivých odpovědích a patologických koagulačních procesech. Proto je velice důležité porozumět tomu, jak molekulová struktura glykokalyxu ovlivňuje její funkčnost.

Tento Ph.D. projekt se zaměřuje na studium toho, jak sacharidy, tj. glykosaminoglykany a N-glykany, ovlivňují strukturu glykokalyxu. Naším cílem je zlepšit pochopení způsobu a důležitosti interakcí mezi sacharidy a proteiny, které se často nacházejí v takovémto prostředí. Tyto interakce jsou klíčové pro studium výše zmíněných funkcí a patologií. Glykokalyx je též možno vnímat jako komplexní biologický materiál. Mnoho jeho součástí včetně glykosaminoglykanů je nabitých. Proto též chceme studovat, jak nabité látky, které se mohou nacházet v okolním prostředí nebo být používány v biomedicínských aplikacích, např. nabité nanočástice, pronikají glycocalyxem. Naším cílem je určit filtrační vlastnosti glykokalyxu a jak mohou být ovlivněny jeho molekulárním složením. Tento projekt se hlavně zaměřuje na výpočetní metody jako je molekulová mechanika a kvantové výpočty. Student by však měl též provádět komplementární experimentální práci, zvláště pomocí spektroskopických metod (např. Raman, fluorescence a NMR), ale též dalšími fyzikálně-chemickými technikami.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Glycocalyx or extracellular matrix is a thick layer of biomacromolecules, which is bound to the membrane at the cell surface. It is constituted fundamentally of polymeric-sugars, proteins, and the underlying membrane. This layer functions as a barrier between the cell and its surroundings, meaning that any molecule entering or leaving the cell permeates through it. Glycocalyx also mediates cell-cell interactions and protects the underlying cell membrane from mechanical and chemical stress, allowing the plasma membrane to maintain its integrity. It plays a crucial role in cell movement, recognition, and adhesion. Precise regulation of these processes is of paramount importance in embryonic development, tissue and organ formation, healing of injuries, proper functioning of the immune system, and cell response to physical stimuli. Not surprisingly, the glycocalyx is also involved in the development and progression of many diseases like vascular problems, diabetes, metastasis of cancers, the viral entry in cell infections, pathological inflammatory responses, and pathological coagulation processes. Therefore, understanding how the molecular structure of the glycocalyx impacts its functionality is of paramount importance.

This Ph.D. project focuses on investigating how sugars, i.e., glycosaminoglycans and N-glycans, influence the structure of the glycocalyx. We aim to improve the understanding of the nature and relevance of the sugar-protein interactions often found in such an environment. These interactions are crucial to study all the above functions and pathologies. Furthermore, the glycocalyx as a whole can be considered a complex biomaterial. Recognizing that many of its molecular compounds, including glycosaminoglycans, are highly charged, we want to study the permeation through the glycocalyx of charged compounds potentially found in the environment or used in biomedical applications, such as charged nanoparticles. Our objective is to determine the filtering capabilities of the glycocalyx and how changes in the underlying molecular composition can affect such processes. This project mainly focuses on computational methods such as molecular mechanics and quantum calculations. However, the student is also expected to do complementary experimental work, primarily spectroscopic techniques (e.g., Raman, Fluorescence, and NMR) but also other physical chemistry techniques.