Microcrystalline inclusions of biogenic guanine in algae: presence, properties and functions

• Thesis title in Czech: Mikrokrystalické inkluze biogenního guaninu v řasách: přítomnost, vlastnosti a funkce
• Thesis title in English: Microcrystalline inclusions of biogenic guanine in algae: presence, properties and functions
• Key words: Biogenní krystalický guanin, mikroskopické řasy, konfokální Ramanova mikroskopie, manipulace světla, fotonické krystaly
• English key words: Biogenic crystalline guanine, microscopic algae, confocal Raman microscopy, light manipulation, photonic crystals
• Academic year of topic announcement: 2020/2021
• Thesis type: dissertation
• Thesis language: angličtina
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: doc. RNDr. Peter Mojzeš, CSc.
• Author: hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 08.09.2020
• Date of assignment: 08.09.2020
• Confirmed by Study dept. on: 11.10.2020

Guidelines

1) Prostudovat dostupnou literaturu a sepsat rešerši o současném stavu znalostí o výskytu a biologické roli krystalického guaninu (a dalších nukleobazí) v různých organizmech, s důrazem na mikrořasy
2) Zvládnout metodiku Ramanovy mikroskopie a kultivace mikroskopických řas za kontrolovaných podmínek.
3) Na vybraných modelových druzích studovat podmínky, za kterých dochází k tvorbě, dlouhodobému udržování a vymizení krystalického guaninu. Objasnit úlohu různých zdrojů dusíku a stresových faktorů při generaci krystalického guaninu.
4) Rozvíjet další optické a spektroskopické metody pro rychlou a spolehlivou detekci krystalického guaninu.
5) Analyzovat a interpretovat naměřená data.
6) Získané poznatky prezentovat na mezinárodních konferencích a publikovat v impaktovaných časopisech.

1) To study published papers dealing with the subject and prepare literature review on the current state of knowledge about the occurrence and biological role of crystalline guanine (and other nucleobases) in various organisms, with the emphasis on microalgae.
2) To master methodology of Raman microscopy and cultivation of microalgae under controlled conditions.
3) Using selected model algal species, to study conditions under which crystalline guanine is formed, long-term stored and degraded. To clarify a role of various nitrogen sources and stress factors in the formation of crystalline guanine.
4) To develop other optical and spectroscopic methods for rapid and reliable detection of crystalline guanine.
5) To analyze and interpret obtained data.
6) To present acquired results at international conferences and publish in impacted journals.

References

1. Barsanti, L., and P. Gualtieri. 2014. Algae: Anatomy, Biochemistry, and Biotechnology. CRC Press, London. 361 pp.
2. Borowitzka, M.A., J. Beardall, and J.A. Raven. 2016. The Physiology of Microalgae. In Developments in Applied Phycology. M.A. Borowitzka, editor. Springer. 681.
3. Dieing, T., O. Hollricher, and J. Toporski. 2011. Confocal Raman microscopy. Springer.
4. Gur, D., B.A. Palmer, S. Weiner, and L. Addadi. 2017. Light manipulation by guanine crystals in organisms: Biogenic scatterers, mirrors, multilayer reflectors and photonic crystals. Advanced Functional Materials. 27:1603514.
5. Hirsch, A., D. Gur, I. Polishchuk, D. Levy, B. Pokroy, A.J. Cruz-Cabeza, L. Addadi, L. Kronik, and L. Leiserowitz. 2015. “Guanigma”: The Revised Structure of Biogenic Anhydrous Guanine. Chem. Mat. 27:8289-8297.
6. Palmer, B.A., D. Gur, S. Weiner, L. Addadi, and D. Oron. 2018. The Organic Crystalline Materials of Vision: Structure-Function Considerations from the Nanometer to the Millimeter Scale. Advanced Materials. 30:10.
7. Moudříková, Š., P. Mojzeš, V. Zachleder, C. Pfaff, D. Behrendt, and L. Nedbal. 2016. Raman and fluorescence microscopy sensing energy-transducing and energy-storing structures in microalgae. Algal Research. 16:224-232.
8. Moudříková, Š., L. Nedbal, A. Solovchenko, and P. Mojzeš. 2017. Raman microscopy shows that nitrogen-rich cellular inclusions in microalgae are microcrystalline guanine. Algal Research. 23:216-222.

Preliminary scope of work

Guanin je důležitá biomolekula s mnoha funkcemi. Jako jedna z purinových bazí představuje základní složku genetického kódu nukleových kyselin. Sekvence bohaté na guanin vytváří v nukleových kyselinách čtyřvláknové kvadruplexové struktury, u kterých bylo prokázáno, že mají specifické regulační funkce při genové expresi a řízení životního cyklu buněk. Ve formě guanosintrifosfátu (GTP) se spolu s ATP účastní řady energetických procesů. Další deriváty guaninu (např. c-di-GMP, (p)ppGpp) jsou známé jako důležité signální a regulační molekuly baktérií a rostlin. V mnoha organizmech plní uspořádané struktury biogenního krystalického guaninu roli fotonických krystalů při aktivním manipulování světlem, vytváření barev a procesu vidění. Nedávno byl krystalický guanin identifikován v mikrořasách, kde pravděpodobně plní funkci zásobárny dusíku. Je však pravděpodobné, že má i jiné funkce související s manipulací světlem nebo energetickými procesy. Pro objasnění těchto funkcí je důležitá jednoduchá a rychlé identifikace a kvantifikace krystalického guaninu uvnitř živých buněk v průběhu buněčného cyklu.
Konfokální Ramanova mikroskopie představuje v současnosti jedinou známou metodu pro spolehlivou a jednoznačnou identifikaci krystalického guaninu uvnitř buněk. Tato metoda je navíc rychlá a nevyžaduje složitou přípravu vzorků, proto je vhodná pro studium podmínek a dynamiky formování krystalického guaninu. Předmětem disertační práce bude komplexní studium přítomnosti, vlastností a role biogenního krystalického guaninu v mikrořasách. Základní metodou bude konfokální Ramanova mikroskopie, ale budou studovány i další možnosti optické nebo spektroskopické detekce krystalického guaninu generovaného uvnitř buněk. Základní experimentální vybavení a metodologie jsou k dispozici. Od uchazeče se předpokládají znalosti na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika, chemická fyzika, biochemie nebo biologie, ale zejména iniciativní a samostatný přístup.

Preliminary scope of work in English

Guanine is an important biomolecule with many functions. As one of the purine bases, it represents the essential component of the genetic code of nucleic acid. The guanine-rich sequences of nucleic acids form four-stranded quadruplex structures that have been shown to have specific regulatory functions in gene expression and in the management of cell life cycle. In the form of guanosine triphosphate (GTP), along with ATP, it is involved in numerous processes of energy conversion. Other guanine derivatives (e.g., c-di-GMP, (p)ppGpp) are known to be important signaling and regulatory molecules of bacteria and plants. In many organisms, the ordered structures of biogenic crystalline guanine fulfill the role of photonic crystals for active light manipulating, coloration, and vision. Recently, crystalline guanine has been identified in microalgae where it is likely to serve as a store of nitrogen. However, it is possible that crystalline guanine has also other functions related to light manipulation or energy processes. For elucidation of these functions, simple and rapid method of identification and quantification of crystalline guanine directly within living cells during the cell cycle is needed.
Confocal Raman microscopy is currently the only known method for reliable and unambiguous identification of crystalline guanine within cells. Moreover, this method is fast and does not require complicated sample preparation, therefore it is suitable for studying the conditions and dynamics of crystalline guanine formation. The subject of the dissertation will be a comprehensive study of the presence, properties and role of biogenic crystalline guanine in microalgae. The basic method will be confocal Raman microscopy, but other possibilities of optical or spectroscopic detection of crystalline guanine generated inside cells will be studied as well. Basic experimental equipment and methodology are available. Applicant is expected to possess knowledge at the level of completed MSc. degree in biophysics, chemical physics, biochemistry or biology, but in particular an initiative and independent approach.