hidden - assigned and confirmed by the Study Dept.
Date of registration:
03.04.2018
Date of assignment:
03.04.2018
Confirmed by Study dept. on:
31.07.2020
Date and time of defence:
22.09.2020 09:00
Date of electronic submission:
18.08.2020
Date of submission of printed version:
18.08.2020
Date of proceeded defence:
22.09.2020
Opponents:
prof. Martin Hof, Ph.D., DSc.
Advisors:
prof. RNDr. Vladimír Baumruk, DrSc.
Guidelines
Hlavním úkolem práce je experimentální zjištění lineárních i nelineárních anisotropních optických vlastností reprezentativních fluorescentních proteinů. Tohoto cíle bude dosaženo pomocí měření optických vlastností krystalů fluorescentních proteinů, v kombinaci s rentgenstrukturní analýzou těchto krystalů a matematickým modelováním. Experimentální zjištění budou ověřena a interpretována pomocí kvantově-mechanických výpočetních postupů. Zjištěné anisotropní optické vlastnosti fluorescentních proteinů poslouží k získávání informací o molekulárních mechanismech pochodů důležitých v buněčné signalizaci, jakož i k získávání informací o vlastnostech buněčných membrán, a to prostřednictvím jedno- a dvoufotonové polarizační fluorescenční mikroskopie.
References
Lazar J, Bondar A, Timr S, Firestein SJ. Two-photon polarization microscopy reveals protein structure and function. Nature methods. 2011 Aug;8(8):684.
Ansbacher T, Srivastava HK, Stein T, Baer R, Merkx M, Shurki A. Calculation of transition dipole moment in fluorescent proteins—towards efficient energy transfer. Physical Chemistry Chemical Physics. 2012;14(12):4109-17.
Rosell FI, Boxer SG. Polarized absorption spectra of green fluorescent protein single crystals: transition dipole moment directions. Biochemistry. 2003 Jan 14;42(1):177-83.
Drobizhev M, Makarov NS, Tillo SE, Hughes TE, Rebane A. Two-photon absorption properties of fluorescent proteins. Nature methods. 2011 May;8(5):393.
Preliminary scope of work
Fluorescenční proteiny (FP) jsou velice důležité pro moderní biologické molekulární zobrazování. Důležité zobrazovací techniky (jako je polarizační mikroskopie nebo FRET zobrazování) využívají anisotropických optických vlastnosti fluorescenčních proteinů. V této práci prezentujeme výsledky polarizační mikroskopie a rentgenových difrakčních experimentů na krystalech FP, jakož i~matematickou interpretaci těchto výsledků, poskytující informace o směrovosti jedno- a dvoufotonové absorpce v rámci molekul zkoumaných fluorescenčních proteinů. Pro anizotropii jenofotonové absorpce určujeme orientaci dipólových momentů přechodu ve třech reprezentativních fluorescenčních proteinech. Porovnání naměřených hodnot s dostupnými kvantově-mechanickými předpověďmi a experimentálně stanovenou orientací dipólového momentu přechodů GFP nám dává důvěru k získaným výsledkům. Pro dvoufotonovou absorpci nejprve testujeme naši hypotézu, že tenzory dvoufotonové absorptivity reprezentativních FP vyka\-zu\-jí vektorové chování. Dále pak zkoumáme použitelnost tohoto zjednodušení jako základ pro interpretaci našich mikroskopických dat dvoufotonové polarizace.
Preliminary scope of work in English
Fluorescent proteins are the workhorses of biological molecular imaging. Important imaging modalities (such as polarization microscopy or FRET imaging) exploit anisotropic optical properties of fluorescent proteins. In this thesis, we present the results of our polarization microscopy and X-ray diffraction experiments on FP crystals, as well as mathematical interpretation of these results, yielding information on the directionality of one- and two-photon absorption within the investigated fluorescent protein molecules. For the anisotropy of one-photon absorption, we determine the transition dipole moment orientations in three representative fluorescent proteins. Validation with available quantum mechanical predictions values and an experimentally determined TDM orientation of the GFP gives confidence to the results obtained. For the two-photon absorption, we first test our hypothesis that two-photon absorptivity tensors of representative FPs exhibit vector-like behavior and then examine the applicability of this simplification as a basis for the interpretation of our two-photon polarization microscopy data.
- assigned and confirmed by the Study Dept.