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 - 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. Vlastní výzkum začne až po dostavbě nových prostor.

Aktivita bude realizována v dílčích etapách s definovanými cíli, očekávanými pravděpodobnými výstupy, přínosy a poznatky:

• Design a syntéza nových materiálů
  • Identifikace cílových molekul – na základě rešerše a požadavků z praxe nebo medicínských VP budou vybrány cílové látky, na které se zaměří výzkum
  • Design adsorbentů – budou popsány texturní a chemické parametry požadovaných adsorbentů, výpočty budou provedeny v rámci VP3 HA2
  • Syntéza adsorbentů – budou syntetizovány materiály pro testování a provedena jejich základní charakterizace
  
  
• Testování nových materiálů
  • základní adsorpční testy
  • optimalizace adsorbentů
  • pokročilé testování – optimalizované adsorbenty budou testovány směrem k analytickým a environmentálním aplikacím, tj. separace cílových molekul ze směsí, dekontaminační testy, průtokové testy, určení maximálních kapacit, testy ve zvětšeném měřítku apod. včetně zpětné vazby od potenciálních komerčních uživatelů
  
  
• Publikování a potenciální komercionalizace výsledků
  • Publikování výsledků
  • Potenciální uživatelé výsledků – oslovení a smluvní ošetření, potenciální transfer technologií
  • Ošetření duševního vlastnictví
  
  

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

Aktivita bude realizována v dílčích etapách s definovanými cíli, očekávanými pravděpodobnými výstupy, přínosy a poznatky:

• Interakce nanočástic s biomolekulami
  • Rešerše odborných publikací za účelem monitoringu současných pokroků v této oblasti, vytipování vhodných biomolekul (aminokyselin, proteinů – BSA, HSA, fibrinogen…, nukleových kyselin – DNA, RNA apod.) a návrh podoby experimentů včetně vhodných technik k studování vzájemné interakce.
  • Provádění experimentů – Optimalizace experimentů v závislosti na měřených datech. Cílem je popsat postupy a techniky pro konkrétní biomolekuly/skupiny biomolekul pro spolehlivou charakterizaci vzorků po interakci s nanočásticemi.
  
  
• Publikování a potenciální komercionalizace výsledků
  • Publikování výsledků
  • Potenciální uživatelé výsledků – oslovení a smluvní ošetření, potenciální transfer technologií
  • Ošetření duševního vlastnictví
  
  

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 pro medicínské účely, bude realizována v dílčích etapách s definovanými cíli, očekávanými pravděpodobnými výstupy, přínosy a poznatky:

• Výzkum možností povrchové úpravy porézních matric pro imobilizaci molekul významných z biomedicínského hlediska
  • Teoretický přehled možností modifikací povrchů porézních matric (funkční skupiny) a postupů k jejich realizaci. Budou vybrány vhodné modifikační postupy povrchů adsorbentů vzhledem k jejich charakteru a s přihlédnutím k záměru imobilizace konkrétních typů biomolekul
  • Experimentální provedení modifikací povrchů vybraných sorbentů a ověření schopnosti imobilizace vybraných biomolekul
  • Zavedení a optimalizace modifikačních postupů, standardizace imobilizačních parametrů biomolekul
  
  
• Vývoj nových technik izolace a identifikace biochemicky významných molekul z tělních tekutin (krev, sliny), ev. tkání
  • Teoretický přehled dostupných technik izolace a identifikace biomolekul a markerů stanovovaných v klinické praxi. Vytipování a charakteristika perspektivních biomarkerů s předpokládaným rutinním využitím v klinické praxi.
  • Navržení a provedení imobilizačních experimentů na reálných biologických a klinických vzorcích tělních tekutin a tkání.
  • Standardizace a optimalizace nových technik izolace a identifikace biomolekul. Hodnocení na větších souborech vzorků.
  
  
• Analytické využití vyvinutých metod
  • Identifikace a kvantifikace vybraných metabolitů, stanovení aktivity enzymů a další analýzy vzorků pro VP1 HA2, 3, 4, 5 a 7 a VP6 HA2
  
  
• Publikování a potenciální komercionalizace výsledků
  • Publikování výsledků
  • Potenciální uživatelé výsledků – oslovení a smluvní ošetření, potenciální transfer technologií
  • Ošetření duševního vlastnictví
  
  

Hlavní aktivita 4 Nové studijní a akademické programy

Bude akreditována nová specializace NMgr. Analytická chemie – rozšíření o specializaci Bioanalytická chemie, nový studijní program Bc. studijní program Biochemie a nový PhD Bioanalytická chemie

Aktivita bude realizována v dílčích etapách s definovanými cíli, očekávanými pravděpodobnými výstupy, přínosy a poznatky

• Akreditace nové specializace NMgr. Analytická chemie – rozšíření o specializaci Bioanalytická chemie
  • Příprava akreditačního spisu
  • Podání akreditačního spisu a vypořádání námitek
  
  
• Akreditace nového Bc. studijní programu Biochemie
  • Příprava akreditačního spisu
  • Podání akreditačního spisu a vypořádání námitek
  
  
• Akreditace nového studijního programu PhD Bioanalytická chemie
  • Příprava akreditačního spisu
  • Podání akreditačního spisu a vypořádání námitek
  
  

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 VP2 detekce oxidativního poškození biologických membrán a makromolekul budou využity v experimentální částí hematoonkologického programu

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