Zaměření týmu

Naše mise: zkoumat a ovlivňovat biosystémy pomocí elektromagnetického pole na biomolekulární úrovni.

Naše vize: navrhnout nové elektromagnetické metody pro šetrné a účinnější bio-nanotechnologie a medicínu, abychom se přiblížili světu, kde elektromagnetické technologie mohou bezbolestně předcházet nemocem, detekovat je a léčit.

Náš přístup: pokročilé elektromagnetické koncepty, mikro/nanotechnologické nástroje a počítačové simulace.

Výpočetní modelování: elektromagnetické vlastnosti biologických systémů

Jak biologické systémy reagují na a generují elektromagnetické pole? Používáme molekulární i hrubozrnné modelování a simulace k směrování a interpretaci našich experimentů odpovídající na tuto otázku. V současné době se zaměřujeme na modelování účinků intenzivních elektrických pulzů na struktury cytoskeletu. Dále používáme klasickou molekulární dynamiku pro simulaci dielektrických vlastností biologické hmoty. Naše práce zahrnuje i modelování procesů, které vytvářejí endogenní biologické elektromagnetické pole v mikrovlnném a viditelném pásmu. Další informace naleznete ve vybraných článcích:

• ^{Průša et al. “Electro-Opening of a Microtubule Lattice in Silico.” Computational and Structural Biotechnology Journal 19 (2021): 1488–96} 
• ^{Průša and Cifra. “Molecular Dynamics Simulation of the Nanosecond Pulsed Electric Field Effect on Kinesin Nanomotor.” Scientific Reports 9, no. 1 (2019): 19721} 
• ^{Marracino et al. “Tubulin Response to Intense Nanosecond-Scale Electric Field in Molecular Dynamics Simulation.” Scientific Reports 9, no. 1 (2019): 10477} 
• ^{Průša and Cifra. “Dependence of Amino-Acid Dielectric Relaxation on Solute-Water Interaction: Molecular Dynamics Study.” Journal of Molecular Liquids 303 (2020): 112613} 
• ^{Cifra and Pospišil. “Ultra-Weak Photon Emission from Biological Samples: Definition, Mechanisms, Properties, Detection and Applications.” Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 139 (2014): 2–10.} 
• ^{Cifra et al. “Biophotons, Coherence and Photocount Statistics: A Critical Review.” Journal of Luminescence 164 (2015): 38–51.}  
• ^{Kucera et al. “Spectral Perspective on the Electromagnetic Activity of Cells.” Current Topics in Medicinal Chemistry 15, no. 6 (2015): 513–522.} 
• ^{Havelka et al. “Multi-Mode Electro-Mechanical Vibrations of a Microtubule: In Silico Demonstration of Electric Pulse Moving along a Microtubule.” Applied Physics Letters 104, no. 24 (2014): 243702.} 
• ^{Havelka et al. “Electro-Acoustic Behavior of the Mitotic Spindle: A Semi-Classical Coarse-Grained Model.” PLoS ONE 9, no. 1 (2014): e86501.} 
• ^{Havelka et al  “High-Frequency Electric Field and Radiation Characteristics of Cellular Microtubule Network.” Journal of Theoretical Biology 286 (2011): 31–40.} 
• ^{Cifra et al.  “Electric Field Generated by Axial Longitudinal Vibration Modes of Microtubule.” Biosystems 100, no. 2 (2010): 122–31.}  

Elektromagnetické čipy: návrh a technologie 

Jaké nástroje používáme k ověření našich teorií a modelů? Vyvíjíme jedinečné radiofrekvenční/mikrovlnné čipy a planární struktury včetně mikrofluidiky pro ověření skrze experimenty. Čipy jsou navrženy pomocí moderních výpočetních nástrojů a jsou vyráběny pomocí technik mikro- a nanofabrikace. Naše čipy jsou navrženy tak, aby byly kompatibilní s pokročilými mikroskopickými systémy pro pozorování biomolekulárních struktur a buněk ve chvíli, kdy jsou vystaveny elektromagnetickému poli. Další informace naleznete ve vybraných článcích: 

• ^{Krivosudský et al. “Microfluidic On-Chip Microwave Sensing of the Self-Assembly State of Tubulin.” Sensors and Actuators B: Chemical 328 (2021): 129068} 
• ^{Havelka et al. “Nanosecond Pulsed Electric Field Lab-on-Chip Integrated in Super-Resolution Microscope for Cytoskeleton Imaging.” Advanced Materials Technologies 5, no. 3 (2020): 1900669} 
• ^{Havelka et al. “Rational Design of Sensor for Broadband Dielectric Spectroscopy of Biomolecules.” Sensors and Actuators B: Chemical 273C (2018): 62–69.}  

Biofyzikální experimenty: elektromagnetické vlastnosti proteinů a buněk 

Teoretické modely a simulace ověřujeme skrze experimenty: v současné době se zaměřujeme na experimenty na nanostrukturách cytoskeletálních proteinů, konkrétně na mikrotubulech a s nimi souvisejících proteinech. Mikrotubuly jsou klíčové struktury nacházející se v každé buňce a umožňující dělení buněk a intracelulární transport. Naše současné projekty se zaměřují na měření elektromagnetických/dielektrických vlastností mikrotubulárních systémů a jejich řízení pomocí ultrakrátkých elektrických a elektromagnetických pulzů. Naše experimentální práce také zahrnuje měření a analýzu endogenního světla (luminiscence) buněk, v současné době pro monitorování oxidativních biologických vlivů elektromagnetického pole. Další informace naleznete ve vybraných článcích: 

• ^{Havelka et al. “Nanosecond Pulsed Electric Field Lab-on-Chip Integrated in Super-Resolution Microscope for Cytoskeleton Imaging.” Advanced Materials Technologies 5, no. 3 (2020): 1900669} 
• ^{Chafai et al. “Reversible and Irreversible Modulation of Tubulin Self‐Assembly by Intense Nanosecond Pulsed Electric Fields.” Advanced Materials 31, no. 39 (2019): 1903636} 
• ^{Krivosudský et al  “Resolving Controversy of Unusually High Refractive Index of a Tubulin.” EPL (Europhysics Letters) 117, no. 3 (2017): 38003} 
• ^{Burgos et al. “Ultra-Weak Photon Emission as a Dynamic Tool for Monitoring Oxidative Stress Metabolism.” Scientific Reports 7, no. 1 (2017): 1229} 
• ^{Poplová et al. “Poisson Pre-Processing of Nonstationary Photonic Signals: Signals with Equality between Mean and Variance.” PLOS ONE 12, no. 12 (2017): e0188622.} 
• ^{Saeidfirozeh et al. “Endogenous Chemiluminescence from Germinating Arabidopsis Thaliana Seeds.” Scientific Reports 8, no. 1 (2018): 16231} 
• ^{Sardarabadi et al. “Enhancement of the Biological Autoluminescence by Mito-Liposomal Gold Nanoparticle Nanocarriers.” Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 204 (2020): 111812.}