VP2 – Biochemické a biofyzikální metody analýzy biologických systémů

Výzkumný program je rozdělen na 2 části (Biochemie a Biofyzika) a celkem je tvořen 7 hlavními aktivitami

Část 1 - Biochemie

Hlavní aktivita 1 Materiály pro vysoce specifickou adsorpci biomolekul

V rámci aktivity budou vyvíjeny a testovány nové porézní materiály pro adsorpční separace organických látek v komplexních směsích vyznačující se vysoce specifickou interakcí s vybranými organickými látkami typu biomolekul. Materiály budou testovány pro aplikace v analýze biomolekul (separace, zakoncentrování před vlastním stanovením), stejně jako pro jejich odstraňování z vodného prostředí (dekontaminace). Materiály budou cílit na vybrané biotické (proteiny, nukleové kyseliny, produkty rozkladu živých organismů) i abiotické (pesticidy, farmaceutika) látky.

Hlavní aktivita 2 Analytické využití nanočástic ke studiu biologicky významných makromolekul ve vodném prostředí

V rámci aktivity budou studovány interakce vybraných nanočástic (kovy, oxidy kovů a další materiály) s biologicky významnými molekulami (aminokyseliny, proteiny, nukleové kyseliny) ve vodném prostředí. Součástí výzkumu bude také vývoj nových metod sledování interakcí a hledání možností jejich využití v analýze biomolekul.

Hlavní aktivita 3 Příprava selektivních adsorbentů biomolekul a jejich využití pro imobilizaci, izolaci, kvantifikaci a detekci biomedicínsky významných markerů z tělních tekutin a tkání.

Aktivita navazuje na aktivity 1 a 2 a zaměřuje se cíleně na analýzu biomolekul pro medicínské účely. V rámci výzkumu budou vyvíjeny, testovány a standardizovány nové povrchové úpravy nanomateriálů pro imobilizaci biomolekul významných v klinické praxi (biomarkery v krvi, slinách, moči) za účelem jejich identifikace a kvantifikace.

Hlavní aktivita 4 Nové studijní a akademické programy

V rámci aktivity budou připraveny k akreditaci nové studijní programy zaměřené na biochemii a bioanalytiku. Konkrétně bude připraven nový bakalářský studijní program Aplikovaná biochemie, současný navazující magisterský studijní program Analytická chemie bude rozšířen o specializaci Bioanalytická chemie a následně bude připraven doktorský studijní program Bioanalytická chemie.

Část 2 - Biofyzika

Hlavní aktivita 1 Strukturně-funkční charakteristika membránových systémů a makromolekul

Biofyzikální metody studia struktury a funkce biologických systémů (založené převážně na optické spektroskopii), které byly doposud rozvíjeny především v rámci studia fotosyntetického aparátu, mají široký aplikační potenciál v oblasti dalších biologických a bio-medicínských oborů.  V této hlavní aktivitě se zaměříme na rozvoj biofyzikálních metod studia struktury a funkčního stavu biologických membrán a biomolekul především v následujících oblastech: 

1. Metody studia vlastností lipidické fáze biologických membrán, 
2. Strukturně funkční analýzy biomolekul a jejich interakcí s využitím fluorescenční spektroskopie (včetně fluorescence s vysokým časovým rozlišením) a cirkulárního dichroismu,
3. Metody detekce oxidativního poškození biologických membrán a jejich komponent na molekulární úrovni.

Aktivita bude realizována v dílčích etapách:

• Studium vlivu lipidových fází, poměru lipidy/proteiny a složení lipidů na strukturu a funkci membránových systémů
• Studium strukturně-funkčních vlastností proteinů a nukleových kyselin se zaměřením na změny jejich (makro-)organizace, stability a flexibility. Během řešení této etapy budou vyvinuty pokročilé spektroskopické metody studia strukturně funkčního stavu makromolekul, využitelné nejen pro studium proteinů a nukleových kyselin asimilačního aparátu rostlin, ale i ostatních organismů v rámci biomedicinského výzkumu. 
• Studium vlivu (oxidativního) poškození membránových systémů (peroxidace lipidů) a makromolekul (oxidace proteinů) na jejich strukturně-funkční vlastnosti

 Hlavní aktivita 2 Nové metodické přístupy ke studiu oxidativního stresu v biologických systémech

Oxidativní stres je jeden z hlavních faktorů, který do značné míry ovlivňuje základní fyziologické i patologické procesy živých organizmů, od molekulární úrovně, přes buněčnou až po úroveň celého organismu. Důležitou odezvou organizmů pro zachování životních funkcí je aktivace řady ochranných procesů, které omezují vznik oxidativního stresu a potlačují jeho negativní projevy na úrovni nukleových kyselin, proteinů a biologických membrán. Mezi těmito procesy mají důležitou úlohu nízkomolekulární antioxidanty. Dosavadní výzkum skupiny je zaměřen na studium ochranných mechanismů rostlin vůči projevům klimatické změny souvisejícím s indukcí oxidativního stresu. Aktuální informace o významu jednotlivých ochranných procesů ve výsledné odolnosti různých druhů rostlin vůči oxidativnímu stresu, o jejich podílu na tzv. křížové toleranci (situaci kdy vystavení rostlin konkrétním stresovým podmínkám vyvolá zvýšenou odolnost asimilačního aparátu vůči jinému stresovému faktoru, či jejich kombinaci) jsou stále nedostatečné. V rámci této hlavní aktivity budou vyvinuté metodické přístupy rovněž aplikovány ke studiu oxidativního stresu a antioxidační ochrany v dalších biologických systémech. V jednotlivých etapách se zaměříme především na:

1. Rozvoj spektroskopických a chromatografických metod umožňujících detekci a kvantifikaci primárních reaktivních forem kyslíku a produktů jejich interakce s biomolekulami (lipidy, proteiny, DNA), tj. detekci oxidativního poškození v různých typech biologického materiálu (tkáních/pletivech; buňkách a buněčných kulturách, sub-celulárních oddílech atd.).  
2. Studium vlivu oxidativního stresu na regulaci exprese genů (selekce genů vhodných jako molekulárně biologické „markery“ oxidativního stresu, případně senescence) a studium signálních drah vedoucích k aktivaci procesů potlačujících oxidativní stres.
3. Studium změny metabolického profilu indukované působením oxidativního stresu v biologickém materiálu se zaměřením na nízkomolekulární látky s antioxidační funkcí.  

Hlavní aktivita 3 Nové studijní a akademické programy

Bude akreditován nový program habilitačního řízení s pracovním názvem "Biofyzika a fyzika nanostruktur".

Spolupráce s dalšími VP a spolupracujícími subjekty

Z důvodu velmi silné mezioborové vazby spolupracuje výzkumný tým VP2 na některých dílčích aktivitách s výzkumnými týmy:

• VP1 – v rámci transkriptomických, případně bioinformatických analýz předpokládáme spolupráci s VP1, dále budou využívány analýzy VP2 strukturně-funkčních vlastností proteinů v oblasti molekulární biologie a genomiky nukleových kyselin
• VP3 – využití podpory modelování mezimolekulárních interakcí makromolekul v biologických systémech (na základě zajímavých experimentálních dat, HA3), modelování interakce adsorbentů s cílovými molekulami (HA2), participace na akreditaci nového habilitačního řízení "Biofyzika a fyzika nanostruktur"
• VP6 – Vyvinuté metody detekce oxidativního poškození biologických membrán a makromolekul budou využity v experimentální částí hematoonkologického programu

 Pro přípravu aplikovatelnosti výzkumu do praxe budou v době experimentálního výzkumu zapojeny minimálně 2 spolupracující subjekty, které budou participovat v oblasti vývoje nových diagnostických testů/analýz.