4EU+ Molecular Probes in Biomedical Imaging - MB100P09

• Anglický název: 4EU+ Molecular Probes in Biomedical Imaging
• Český název: 4EU+ Molekulární sondy v biomedicínském zobrazování
• Zajišťuje: Sekce biologie (31-101)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2025 do 2025
• Semestr: zimní
• E-Kredity: 3
• Způsob provedení zkoušky: zimní s.:
• Rozsah, examinace: zimní s.:1/1, Zk [HT]
• Počet míst: 20
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ano
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: vyučován
• Jazyk výuky: angličtina
• Poznámka: povolen pro zápis po webu; předmět má cyklickou výuku
• Garant: Mgr. Zuzana Burdíková, Ph.D.; Mgr. Josef Lazar, Ph.D.
• Vyučující: Mgr. Zuzana Burdíková, Ph.D.; Mgr. Josef Lazar, Ph.D.

Anotace

čeština

Kurz předpokládá základní znalosti světelné fluorescenční mikroskopie, včetně přípravy preparátů a snímání
obrazu. Součástí kurzu bude příprava preparátů, výběr a aplikace mikroskopických technik Příkladové studie
budou obsahovat také data management, statistiku a přípravu obrazové přílohy pro publikační účely. Kurz bude
vyučován v angličtině.

Poslední úprava: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (09.05.2022)

angličtina

The course assumes basic knowledge of light fluorescence microscopy, including the preparation of slides and
image imaging. The course will include the preparation of samples, the selection, and the application of
microscopic techniques. The sample studies will also include data management, statistics, and the preparation
of a pictorial appendix for publication purposes. The course will be taught in English.

Poslední úprava: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (09.05.2022)

Literatura

čeština

J. Lakowicz, Principles of fluorescence spectroscopy, Springer 2007

G. Jung, Fluorescent Proteins I and II, Springer 2011

Kianianmomeni, Optogenetics: Methods and Protocols, Springer 2016

Poslední úprava: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (09.05.2022)

Požadavky ke zkoušce

čeština

Ke zkousce je treba pripravit zaverecny projekt, ktery bude zahrnovat nekolilk casti:

1. definovat otazky projektu

2. vybrat si jednu mikroskopickou techniku a software

3. pripravit teoretickou pipeline analyzy obrazu zvoleneho projektu.

Poslední úprava: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (09.05.2022)

angličtina

For the final exam please prepare the final project.

The project will contain several parts.

1. Define your research question.

2. pick up one microscopy technique and software.

3. prepare a theoretical pipeline of image analysis of your task.

Poslední úprava: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (09.05.2022)

Sylabus

čeština

Uvod, Data Management

Základní principy detekce molekulárních sond - optické (fluorescence, luminiscence, vibrační spektroskopie), spinové, radioaktivní, elektronmikroskopické, hmotnostně-spektrometrické, akusto-optické, AFM,NMR, CT

Specifika aplikací molekulárních sond - in vitro, ve fixovaných buňkách a tkáních, v živých buňkách a tkáních, v živých organismech; značení lipidů, bílkovin, nukleových kyselin; srovnání přístupů detekujících jednotlivé molekuly a soubory molekul

Principy značení - exogenní (afinitní, vč. imunodetekce, FlAsH/ReAsH, kovalentní (click-chemistry, fotoafinitní značení, chromobodies), hybridizace nukleových kyselin (DNA barcoding, DIANA), endogenní (geneticky kódované - přirozené a nepřirozené aminokyseliny)

Značení pro superrezoluční optickou mikroskopii - exogenní a genetické značení, vztah k principům optické superrezoluce

Fluorescentní proteiny - spektrální a další biofyzikální vlastnosti (struktura, reaktivita, maturace, fotokonverze, imunogenicita, FRET, tolerance modifikací), netradiční fluorescentní proteiny

Sebeznačící enzymy - dehalogenázy (HALO-tag), metyltransferázy a jiné alkyltransferázy (SNAP-tag, CLIP-tag)

Bioluminiscence - luciferiny a luciferázy, BRET, instrumentace

Ramanovské značky - příklady a limity využití v lineárních a nelineárních ramanovských technikách

Optogenetické přístupy - modulace membránového napětí, koncentrace iontů, buněčné lokalizace, molekulárních interakcí

Detekce aktivity neuronů - změny membránového napětí, změny koncentrace vápníku, sondy detekující neuropřenašeče, sondy aktivity G proteinové signalizace a dalších procesů

Značení v elektronové, kryoelektronové a kombinované mikroskopii a tomografii.

Poslední úprava: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (09.05.2022)

angličtina

Introduction, Research Data Management

Basic principles of detection of molecular probes - optical (fluorescence, luminescence, vibrational spectroscopy), spin, radioactive, electron microscopic, mass-spectrometric, acousto-optical, AFM, NMR, CT

Specifics of applications of molecular probes - in vitro, in fixed cells and tissues, in living cells and tissues, in living organisms; labeling of lipids, proteins, nucleic acids; comparison of approaches detecting individual molecules and sets of molecules

Labeling principles - exogenous (affinity, incl. Immunodetection, FlAsH / ReAsH, covalent (click-chemistry, photoaffinity labeling, chromobodies), nucleic acid hybridization (DNA barcoding, DIANA), endogenous (genetically encoded - natural and unnatural amino acids)

Marking for superresolution optical microscopy - exogenous and genetic marking, relation to the principles of optical superresolution

Fluorescent proteins - spectral and other biophysical properties (structure, reactivity, maturation, photoconversion, immunogenicity, FRET, tolerance of modifications), non-traditional fluorescent proteins

Self-labeling enzymes - dehalogenases (HALOtag), methyltransferases and other alkyl transferases (SNAP-tag, CLIP-tag)

Bioluminescence - luciferins and luciferases, BRET, instrumentation

Raman Marks - Examples and limits of use in linear and nonlinear Raman techniques

Optogenetic approaches - membrane tension modulation, ion concentration, cell localization, molecular interactions

Detection of neuronal activity - changes in membrane tension, changes in calcium concentration, probes detecting neurotransmitters, probes of G protein signaling activity, and other processes

Marking in electron, cryo-electron, and combined microscopy and tomography.

Poslední úprava: Sacherová Veronika, RNDr., Ph.D. (09.05.2022)

Výsledky učení

čeština

Výsledky učení (Learning Outcomes) Česky

Po absolvování předmětu bude student schopen:

1. Popsat principy molekulárních sond a jejich využití v biologickém zobrazování a analýze biomolekul.

2. Vysvětlit fyzikální principy detekčních metod používaných pro molekulární sondy, zejména optických, spektroskopických a mikroskopických technik.

3. Porovnat různé strategie značení biomolekul, včetně exogenního a genetického značení, a zvolit vhodný přístup pro konkrétní biologickou aplikaci.

4. Orientovat se v moderních zobrazovacích metodách, včetně mikroskopie se superrozlišením, bioluminiscence, Ramanových technik a elektronové mikroskopie.

5. Vysvětlit principy fluorescenčních proteinů a samoznačících enzymů a jejich využití při studiu buněčných procesů.

6. Navrhnout experiment využívající molekulární sondy pro studium biologických procesů v buňkách nebo tkáních.

7. Interpretovat experimentální data získaná pomocí zobrazovacích metod a kriticky posoudit jejich omezení.

8. Používat základní principy správy experimentálních dat a jejich dokumentace.

9. Prezentovat odborný projekt zaměřený na využití molekulárních sond v biologickém výzkum

Poslední úprava: Burdíková Zuzana, Mgr., Ph.D. (25.02.2026)

angličtina

English

After completing the course, the student will be able to:

1. Describe the principles of molecular probes and their applications in biological imaging and biomolecular analysis.

2. Explain the physical principles of detection methods used for molecular probes, including optical, spectroscopic, and microscopic techniques.

3. Compare different biomolecular labeling strategies, including exogenous and genetically encoded labeling, and select appropriate approaches for specific biological applications.

4. Demonstrate orientation in modern imaging methods, including super-resolution microscopy, bioluminescence, Raman techniques, and electron microscopy.

5. Explain the principles of fluorescent proteins and self-labeling enzymes and their applications in studying cellular processes.

6. Design a basic experiment using molecular probes for studying biological processes in cells or tissues.

7. Interpret experimental data obtained by imaging techniques and critically evaluate their limitations.

8. Apply basic principles of experimental data management and documentation.

9. Present a scientific project focused on the use of molecular probes in biological research.

Poslední úprava: Burdíková Zuzana, Mgr., Ph.D. (25.02.2026)