Seeing is believing - Methods of observing vital processes in cells and organisms - MB151P109E

• Anglický název: Seeing is believing - Methods of observing vital processes in cells and organisms
• Český název: Metody pozorování životně důležitých procesů v buňkách a organismech
• Zajišťuje: Katedra buněčné biologie (31-151)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2022
• Semestr: letní
• E-Kredity: 4
• Způsob provedení zkoušky: letní s.:kombinovaná
• Rozsah, examinace: letní s.:2/1, Z+Zk [HT]
• Počet míst: 0
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: zrušen
• Jazyk výuky: angličtina
• Vysvětlení: Course replaced by MB100P01 and MB100P02Please sign for MB100P02 in 2018-19 school year!
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: Mgr. Marek Cebecauer, Ph.D.; Mgr. Aleš Benda, Ph.D.
• Je neslučitelnost pro: MB100P01

Anotace

čeština

Poslední úprava: RNDr. Nataša Šebková, Ph.D. (25.10.2019)

Na molekulární úrovni byly buněčné struktury a procesy původně popisovány hlavně biochemickými a genetickými přístupy nebo nepřímo pomocí funkčních testů a chemických léčiv. Rychlý vývoj zobrazovacích technik a specifických sond umožnil ověření a ve většině případů také velmi podrobnou a přímou molekulární charakterizaci v buňkách a organismech. V tomto kurzu proběhnou přednášky zaměřené na problémy, které studentům povedou prostřednictvím výstavy nástrojů - zejména fluorescenčních sond - a metodiky pro studium biologických struktur a procesů na molekulární úrovni se zaměřením na kvantifikaci. Na začátku přednášky bude definována biologická otázka k vyřešení. Poté popíšeme dostupné nástroje a metody použité k zodpovězení těchto otázek špičkovými vědci. Alternativně navrhneme různé možnosti a probereme výhody a omezení těchto různých přístupů. Pro zmínku jen o několika tématech se bude zabývat určováním složek signálních a metabolických drah a časováním jednotlivých kroků v buňkách nebo modelech malých zvířat (rostlin), kvantitativní zobrazování iontů, zkoumáním dynamiky cytoskeletů, transportem membrány a přemístěním / strukturálními změnami v sestavách nukleoproteinů nebo sledování buněčných odpovědí na oxidační stres. Technologie potřebná pro vhodné použití uvedených sond bude vysvětlena, zejména poskytnutím příkladů, kde chytrá kombinace správných zobrazovacích technik a inteligentně navržených sond vedla k průlomovým nálezům. Pokročilé fluorescenční techniky, jako je zobrazování ve vysokém rozlišení a varianty korelační spektroskopie, budou objasněny podrobněji, aby se zdůraznily jejich výhody, ale také aby se ukázaly jejich omezení a často nesprávné použití. Rovněž otevřeme místnost technikami bez štítků (např. Druhým a třetím harmonickým zobrazováním), abychom naznačili aktuální stav těchto metod, které splňují sen biologa, aby se zabránilo sondám a štítkům.
Praktická část se zaměří na praktickou demonstraci vybraných aplikací, včetně přípravy vzorků, sběru dat, analýzy dat a vyhodnocení dat.

angličtina

Poslední úprava: doc. RNDr. František Půta, CSc. (21.06.2017)

At the molecular level, cellular structures and processes were originally described mainly by biochemical and genetic approaches or indirectly using functional assays and chemical drugs. Rapid development of imaging techniques and specific probes enabled verification and, in the most cases, also highly detailed and direct molecular characterisation in cells and organisms. In this course, problem-oriented lectures will guide students through the exhibition of tools - mainly fluorescent probes – and methodology for studies of biological structures and processes at the molecular level and with focus on quantitation. At the beginning of a lecture, a biological question to solve will be defined. Afterwards, we will describe the available tools and methods used to answer these questions by top scientists. Alternatively, we will suggest different options and discuss advantages and limitations of these diverse approaches. To mention just a few, the topics will cover determination of components of signalling and metabolic pathways and timing of individual steps in cells or small animal (plant) models, quantitative imaging of ions, investigation of cytoskeletal dynamics, membrane trafficking and relocalisation/structural changes in nucleoprotein assemblies or monitoring of cellular responses to oxidative stress. The technology required for the appropriate use of mentioned probes will be explained, mainly by providing examples where clever combination of the right imaging techniques and smartly-designed probes led to break-through findings. Advanced fluorescence techniques such as super-resolution imaging and variants of correlation spectroscopy will be elucidated in more detail to highlight their advantages but also to indicate their limitations and, often, improper use. We will also open the room with label-free techniques (e.g. second and third harmonic imaging) to indicate current state of these methods which fulfil the dream of a biologist to avoid probes and labels.
The practical part will focus on hands-on demonstration of selected applications, including sample preparation, data acquisition, data analysis and data evaluation.

Literatura

čeština

Poslední úprava: RNDr. Nataša Šebková, Ph.D. (25.10.2019)

Supporting literature (not required for the exam):

Pawley et al. Handbook of Biological Confocal Microscopy, 3^rd Edition. Springer Science; 2006. ISBN-13: 978-0387259215

Peng Xi. Optical Nanoscopy and Novel Microscopy Techniques. CRC Press; 2014. ISBN 9781466586291

Diaspro et al. Nanoscopy and Multidimensional Optical Fluorescence Microscopy. Chapman and Hall/CRC; 2010. ISBN 9781420078862

http://www.olympusmicro.com

http://www.microscopyu.com

http://micro.magnet.fsu.edu

angličtina

Poslední úprava: Mgr. Aleš Benda, Ph.D. (22.08.2017)

Supporting literature (not required for the exam):

Pawley et al. Handbook of Biological Confocal Microscopy, 3^rd Edition. Springer Science; 2006. ISBN-13: 978-0387259215

Peng Xi. Optical Nanoscopy and Novel Microscopy Techniques. CRC Press; 2014. ISBN 9781466586291

Diaspro et al. Nanoscopy and Multidimensional Optical Fluorescence Microscopy. Chapman and Hall/CRC; 2010. ISBN 9781420078862

http://www.olympusmicro.com

http://www.microscopyu.com

http://micro.magnet.fsu.edu

Požadavky ke zkoušce

čeština

Poslední úprava: RNDr. Nataša Šebková, Ph.D. (25.10.2019)

Student vybere 2 referáty (z 25-30 dostupných) - diskuse o technologii použité k vytvoření vzrušujících pozorování.

Aktivní účast v praktické části.

Zkouška může být v českém nebo slovenském jazyce, pokud se student necítí dobře se zkouškou v angličtině.

angličtina

Poslední úprava: Mgr. Aleš Benda, Ph.D. (23.03.2018)

A student selects 2 papers (from 25-30 available) – discussion on the technology used to generate exciting observation(s).

Active participation at the practical part.

The exam can be in Czech or Slovak in case the student does not feel comfortable with an exam in English.

Sylabus

čeština

Poslední úprava: RNDr. Nataša Šebková, Ph.D. (25.10.2019)

Cílem předmětu je naučit účastníky pozorovat fyziologické a molekulární procesy přímo v buňkách. Nejprve byla in vitro prokázána řada biologických struktur a procesů. Dramatický vývoj zobrazovacích technik v posledních desetiletích umožnil analýzu jednotlivých buněk / jednotlivých molekul v reálném čase v živých buňkách. Molekulární a buněčné procesy se staly přístupnými pro každodenní život biologů, včetně těch v Praze.

V tomto kurzu budou přednášky vycházet z problémů; tj. otázka bude položena na začátku přednášky a poté se pokusíme najít nejlepší řešení pro odpověď. Navrhneme kombinaci vybraných nástrojů (sond), technik a analytických metod k zodpovězení definovaných otázek. Pokud je to možné, navrhneme dva nebo tři analytické přístupy k odpovědi na jednu otázku. Zmíníme také o místech, kde jsou tyto nástroje (a často odborné znalosti) k dispozici v Praze nebo v jejich blízkosti.

Níže uvádíme seznam otázek naplánovaných na přednášky. Několik dalších přednášek bude věnováno některé vynikající vědě publikované v době kurzu nebo navržené přímo studenty.

1.       What is a shape and size of my cell? Where does it go? Is there any partner cell next to it? WHOLE CELL ORIENTED IMAGE ANALYSIS.

Simple but useful quantitative wide-field epifluorescence microscopy. Interference reflection microscopy. Quantitative phase imaging.

2.       Where is my cell? Is it hidden inside a tissue? Does it cooperate with the surrounding cells? Is it healthy or transformed? ANALYSIS OF TISSUES AND THEIR CELLULAR CONTENT.

Light sheet microscopy. Two-photon microscopy. SHG/THG. CARS.

3.       What keeps the shape of my cell? What happens when a cell responses to chemotactic signal or adhesion to a substrate? Can we predict cellular function from cytoskeleton reorganisation? CYTOSKELETON. CORTICAL SKELETON.

Lattice light sheet microscopy and super-resolution variants. Fluorescent speckle microscopy of cytoskeleton dynamics.

4.       Can we track chromatin remodelling? What about DNA damage? Is my gene transcribed? What is the speed of its transcription? How is it with my RNA on its way to the cytoplasm? Will it survive there? NUCLEUS, NUCLEIC ACIDS AND ASSOCIATED PROCESSES.

Laser-induced DNA damage. FISH and modified techniques. Energy transfer/quenching. Single particle tracking (SPT). Fluorescence correlation spectroscopy (FCS).

5.       Where is my protein of interest translated? Neurons can be pretty long. Is the translation efficient?  What about protein folding? Is it posttranslationally modified? Where and how? Is a protein properly localised? Oups, isn’t it degraded?

PROTEINS AND THEIR LIFE (AND DEATH) IN CELLS.

Immunofluorescence vs. GFP and variants – positives and limitations. Click chemistry. FRET and FRET probes.

6.       My cells are looking bad. Is their energy source in a good shape? Where are those toxic agents coming from? Can I follow stress processes in a cell which is still living? MITOCHODRIA AND THEIR HEALTH. MITOPHAGY. ER STRESS.

SOFI (super-resolution). pH-, redox-, NADPH- and some other metabolic probes. Fluorescence lifetime imaging (FLIM).

7.       Where is this molecule going on? It is lost? How? Can pathogen or dangerous agent enter my cell? Where will it end up? VESICULAR TRAFFICKING. EXO/ENDOCYTOSIS. EXTRACELLULAR VESICLES IN HUMAN PATHOLOGY. VIRAL INFECTION.

SIM (super-resolution). Live cell imaging in microfluidics and other microdevices. Curvature detection.

8.       My protein (lipid) reached cell surface. Is that enough for its function? Or is it somehow organised there and I cannot ‘see’ it with my confocal microscope? What regulates organisation of molecules on cell membranes? What is it good for? PLASMA MEMBRANE AND ITS TOPOGRAPHY. MEMBRANE CONTACT SITES AND TRANSPORT.

SMLM and STED (super-resolution). TOCCSL (just another SPT – but better).   

9.       Both sides are salty, I like sweets. Can I follow specific ions or small molecules helping cells in their business? There is rapid calcium influx, can I investigate the rapid changes it caused?

IONS AND ION CHANNELS. CALCIUM SIGNALLING.

Small molecule probes. Opto-switches and light-controlled tools for biology. Fast imaging. ICS and derivatives

10.   Why is vesicular transport so fast in cells? Can we play a traffic police with speed cameras in cells? Can I follow different forces applied within/at a cell or tissue? CELLULAR AND MOLECULAR MOTORS. FORCES AND MECHANICAL ENERGY.

Atomic force microscopy. Single molecule microscopy. Fluorescent rotors. Anisotropy. 

angličtina

Poslední úprava: Mgr. Aleš Benda, Ph.D. (22.08.2017)

The aim of this course is to teach attendants how to observe physiological and molecular processes directly in cells. A number of biological structures and processes were first demonstrated in vitro. Dramatic development of imaging techniques over last decades enabled single cell/single molecule analysis in real time in living cells. Molecular and cellular processes became accessible for everyday life of biologists, including those in Prague.

In this course, lectures will be problem based; i.e. a question will be stated at the beginning of a lecture and, afterwards, we’ll try to find the best solution for an answer. We will suggest a combination of selected tools (probes), techniques and analytical methods to answer defined question(s). If possible, we will suggest two or three analytical approaches to answer a single question. We will also mention places where such instruments (and frequently expertise) are available in Prague or nearby.

Below, we present a list of questions planned for the lectures. A couple of additional lectures will be dedicated to some excellent science published at the time of the course or suggested directly by students.

1.       What is a shape and size of my cell? Where does it go? Is there any partner cell next to it? WHOLE CELL ORIENTED IMAGE ANALYSIS.

Simple but useful quantitative wide-field epifluorescence microscopy. Interference reflection microscopy. Quantitative phase imaging.

2.       Where is my cell? Is it hidden inside a tissue? Does it cooperate with the surrounding cells? Is it healthy or transformed? ANALYSIS OF TISSUES AND THEIR CELLULAR CONTENT.

Light sheet microscopy. Two-photon microscopy. SHG/THG. CARS.

3.       What keeps the shape of my cell? What happens when a cell responses to chemotactic signal or adhesion to a substrate? Can we predict cellular function from cytoskeleton reorganisation? CYTOSKELETON. CORTICAL SKELETON.

Lattice light sheet microscopy and super-resolution variants. Fluorescent speckle microscopy of cytoskeleton dynamics.

4.       Can we track chromatin remodelling? What about DNA damage? Is my gene transcribed? What is the speed of its transcription? How is it with my RNA on its way to the cytoplasm? Will it survive there? NUCLEUS, NUCLEIC ACIDS AND ASSOCIATED PROCESSES.

Laser-induced DNA damage. FISH and modified techniques. Energy transfer/quenching. Single particle tracking (SPT). Fluorescence correlation spectroscopy (FCS).

5.       Where is my protein of interest translated? Neurons can be pretty long. Is the translation efficient?  What about protein folding? Is it posttranslationally modified? Where and how? Is a protein properly localised? Oups, isn’t it degraded?

PROTEINS AND THEIR LIFE (AND DEATH) IN CELLS.

Immunofluorescence vs. GFP and variants – positives and limitations. Click chemistry. FRET and FRET probes.

6.       My cells are looking bad. Is their energy source in a good shape? Where are those toxic agents coming from? Can I follow stress processes in a cell which is still living? MITOCHODRIA AND THEIR HEALTH. MITOPHAGY. ER STRESS.

SOFI (super-resolution). pH-, redox-, NADPH- and some other metabolic probes. Fluorescence lifetime imaging (FLIM).

7.       Where is this molecule going on? It is lost? How? Can pathogen or dangerous agent enter my cell? Where will it end up? VESICULAR TRAFFICKING. EXO/ENDOCYTOSIS. EXTRACELLULAR VESICLES IN HUMAN PATHOLOGY. VIRAL INFECTION.

SIM (super-resolution). Live cell imaging in microfluidics and other microdevices. Curvature detection.

8.       My protein (lipid) reached cell surface. Is that enough for its function? Or is it somehow organised there and I cannot ‘see’ it with my confocal microscope? What regulates organisation of molecules on cell membranes? What is it good for? PLASMA MEMBRANE AND ITS TOPOGRAPHY. MEMBRANE CONTACT SITES AND TRANSPORT.

SMLM and STED (super-resolution). TOCCSL (just another SPT – but better).   

9.       Both sides are salty, I like sweets. Can I follow specific ions or small molecules helping cells in their business? There is rapid calcium influx, can I investigate the rapid changes it caused?

IONS AND ION CHANNELS. CALCIUM SIGNALLING.

Small molecule probes. Opto-switches and light-controlled tools for biology. Fast imaging. ICS and derivatives

10.   Why is vesicular transport so fast in cells? Can we play a traffic police with speed cameras in cells? Can I follow different forces applied within/at a cell or tissue? CELLULAR AND MOLECULAR MOTORS. FORCES AND MECHANICAL ENERGY.

Atomic force microscopy. Single molecule microscopy. Fluorescent rotors. Anisotropy. 

Vstupní požadavky

Poslední úprava: Mgr. Aleš Benda, Ph.D. (22.08.2017)

The lectures will be taught in English.

Prerequisite:

Biologie buňky (Biology of the cell) - MB150P31(E)

Recommended:

Fluorescenční mikroskopie v buněčné biologii (Fluorescence microscopy of cells) - MB151P96

Landmarks/Milestones of Cell Biology - MBCPLUS002