Vědecké zaměření Oddělení biofyzikální chemie

Oddělení biofyzikální chemie kombinuje dva základní výzkumné přístupy: fluorescenční spektroskopii a mikroskopii (směr "Biospektroskopie") a elektrochemické metody (směr "Bioelektrochemie"). Oba směry, podporované výpočetními metodami, směřují ke společnému cíli: porozumět struktuře, mechanismům fungování a dynamice biologicky relevantních systémů na molekulární a atomistické úrovni. Předmětem vědeckého zájmu jsou současná témata související s neurodegenerativními chorobami, buněčnou signalizací, apoptózou buněk, imunitní odpovědí, genovou terapií a enzymologií. Konkrétně se zaměřujeme na tyto oblasti:

Biospektroskopie

  • Monitorování struktury, funkčnosti a dynamiky biologických membrán a hledání vztahu mezi její strukturou a funkčností. Konkrétně se věnujeme studiu těchto procesů na molekulární úrovni:
  1. Fúze buněčných membrán. Ta v poslední době přitahuje značnou vědeckou pozornost, a to nejen proto, že je všudypřítomná a životně důležitá v živých organismech, ale také pro její potenciál pro použití in vivo (Koukalová et al., 2018, Allolio et al 2018).
  2. Tvorba trans-membránových pórů, jež vznikají v důsledku interakce proteinů a peptidů s buněčnými membránami (Steringer et al 2017, Braun et al 2018).
  3. Nanoskopická organizace buněčných membrán se zaměřením na detekci a detailní charakterizaci lipidových nanodomén (Cebecauer et al., 2018, Vinklárek et al 2019, Koukalová 2017) a s tím související studium nanoskopické organizace gangliosidů a její vliv na interakce gangliosid-protein, jež jsou úzce spjaty s neurodegenerativními onemocněními (Cebecauer et al., 2018, Amaro et al 2016).
  4. Studium vlivu iontů a oxidovaných lipidů na organizaci lipidových membrán (Kulig et al 2018, Magarkar et al 2017).
  • Studium oligomerizace membránových proteinů a jejich nanoskopické organizace na plazmatické membráně buněk a jejích modelech pomocí mikroskopie s vysokým rozlišením. Zaměřujeme se zejména na děje, jež jsou přímo spojeny s různými onemocněními, imunitní reakcí a buněčnou signalizací. (Lukeš et al., 2017, Šachl et al 2020)
     
  • Detailní porozumění vztahu mezi funkcí a hydratací/dynamikou enzymů. (Kokkonen et al., 2018)
     
  • Studium a charakterizace procesů kondenzace DNA pomocí pokročilé in vivo fluorescenční mikroskopie, návrh lipoplexů pro genovou terapii. (Pruchnik, Kral a Hof, 2018)
     
  • Vývoj a optimalizace moderních fluorescenčních metod a jejich implementace do výzkumu biologických systémů. Například "z-scan" fluorescenční korelační spektroskopie (z-scan FCS - první FCS metoda bez nutnosti kalibrace vyvinutá v rámci našeho oddělení, Benda et al., 2014), fluorescenční "lifetime" korelační spektroskopie (FLCS, Kapusta et al., 2012), fluorescenční spektrální korelační spektroskopie (FSCS, Benda et al., 2014), optická mikroskopie s dynamickou saturací (DSOM, Humpolíčková et al., 2010), Försterův rezonanční přenos energie kombinovaný se simulacemi Monte-Carlo (MC-FRET, Šachl et al 2012) nebo dual(+1)-FCS schopná korelovat formaci membránových póru soligomerizací proteinů na membráně (Šachl et al 2020). Dále byla adaptována a vylepšena metoda optické fluktuační mikroskopie s vysokým rozlišením (SOFI, Lukeš et al., 2017).
     
  • Studium dynamiky a mechanismů fotoindukovaného přenosu elektronu v biomolekulárních systémech kombinací ultrarychlých časově rozlišených spektroskopických metod a kvantově-chemických / molekulárně dynamických simulací, směřující k biomimetické fotokatalýze a přeměně sluneční energie. (Takematsu et al., 2019)

 

Bioelektrochemie

  • Výzkum elektrochemických procesů biomimetických iontů a molekul na polarizovaných rozhraních mezi dvěma nemísitelnými roztoky elektrolytů (ITIES). (Langmaier, Záliš a Samec, 2018)
     
  • Výzkum podstaty a účinků mezifázových nestabilit ve dvoufázových kapalných systémech elektrochemickými metodami. (Trojánek, Mareček a Samec, 2018)
     
  • Studium redox vlastností fotosensitizátorů elektrochemickými a spektroelektrochemickými metodami spolu s teoretickou charakterizací jednotlivých oxidačních stavů kvantově chemickými výpočty. (Darnton et al., 2016)

 

Prezentace Oddělení biofyzikální chemie 

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Biophysical Chemistry department

Vybrané publikace

Allolio, C - ...- Jurkiewicz, P -...- Šachl, R - Cebecauer, M - Hof, M - ... - Jungwirth, P, Arginine-rich cell-penetrating peptides induce membrane multilamellarity and subsequently enter via formation of a fusion pore. PNAS. 115, 47 (2018), 11923-11928.

Amaro, M - Šachl, R - Aydogan, G - Mikhalyov, I. - .... - Hof, M, GM1 Ganglioside Inhibits β-Amyloid Oligomerization Induced by Sphingomyelin. Angewandte Chemie - International Edition. 55, 32 (2016), 9411-9415.

Benda A., Beneš M., Mareček V., Lhotský A., Hermens W. Th., Hof M., How To Determine Diffusion Coefficients in Planar Phospholipid Systems by Confocal Fluorescence Correlation Spectroscopy. Langmuir  19, 10 (2003), 4120-4126

Benda, A., Kapusta, P., Hof, M., and Gaus, K. (2014). Fluorescence spectral correlation spectroscopy (FSCS) for probes with highly overlapping emission spectra. Opt. Express 22(3), 2973-2988.

Braun, S. - Pokorná, Š - Šachl, R - Hof, M - ... - Hoernke, M., Biomembrane Permeabilization: Statistics of Individual Leakage Events Harmonize the Interpretation of Vesicle Leakage. ACS Nano. 12, 1 (2018), 813-819.

Cebecauer, M - Hof, M - Amaro, M, Impact of GM(1) on Membrane-Mediated Aggregation/Oligomerization of beta-Amyloid: Unifying View. Biophysical Journal. 113, 6 (2017), 1194-1199.

Cebecauer, M., Amaro, M., Jurkiewicz, P., Sarmento, M. J., Šachl, R., Cwiklik, L., and Hof, M. (2018). Membrane Lipid Nanodomains. Chem. Rev. 118(23), 11259-11297.

Darnton, T. V., Hunter, B. M., Hill, M. G., Záliš, S., Vlček, A., and Gray, H. B. (2016). Reduced and Superreduced Diplatinum Complexes. J. Am. Chem. Soc. 138(17), 5699-5705.

Humpolíčková, J., Benda, A., Machan, R., Enderlein, J., and Hof, M. (2010). Dynamic saturation optical microscopy: employing dark-state formation kinetics for resolution enhancement. Phys. Chem. Chem. Phys. 12(39), 12457-12465.

Kapusta, P., Macháň, R., Benda, A., and Hof, M. (2012). Fluorescence Lifetime Correlation Spectroscopy (FLCS): Concepts, Applications and Outlook. International Journal of Molecular Sciences 13(10), 12890-12910.

Kokkonen, P., Sýkora, J., Prokop, Z., Ghose, A., Bednář, D., Amaro, M., Beerens, K., Bidmanová, S., Slánská, M., Brezovský, J., Damborský, J., and Hof, M. (2018). Molecular Gating of an Engineered Enzyme Captured in Real Time. J. Am. Chem. Soc. 140(51), 17999-18008.

Koukalová, A., Pokorná, S., Boyle, A. L., Mora, N., Kros, A., Hof, M., and Šachl, R. (2018). Distinct roles of SNARE-mimicking lipopeptides during initial steps of membrane fusion. Nanoscale 10(40), 19064-19073.

Koukalová, A - Amaro, M - Aydogan, G - ... - Hof, M - Šachl, R, Lipid Driven Nanodomains in Giant Lipid Vesicles are Fluid and Disordered. Scientific Reports. 7, (2017), 5460.

Kulig, W. - ... - Olžyńska, A - Jurkiewicz, P - Cwiklik, L - Hof, M -...- Rog, T., Bobbing of Oxysterols: Molecular Mechanism for Translocation of Tail-Oxidized Sterols through Biological Membranes. Journal of Physical Chemistry Letters.  9, 5 (2018), 1118-1123.

Langmaier, J., Záliš, S., and Samec, Z. (2018). Lipophilicity of acetylcholine and related ions examined by ion transfer voltammetry at a polarized room-temperature ionic liquid membrane. J. Electroanal. Chem. 815, 183-188.

Lukeš, T., Glatzová, D., Kvíčalová, Z., Levet, F., Benda, A., Letschert, S., Sauer, M., Brdička, T., Lasser, T., and Cebecauer, M. (2017). Quantifying protein densities on cell membranes using super-resolution optical fluctuation imaging. Nat. Commun. 8.

Magarkar, A - Jurkiewicz, P -...- Hof, M - Jungwirth, P Increased Binding of Calcium Ions at Positively Curved Phospholipid Membranes. Journal of Physical Chemistry Letters. 8, 2 (2017), 518-523.

Pruchnik, H., Kral, T., and Hof, M. (2018). Lipid and DNA interaction with the triorganotin dimethylaminophenylazobenzoates studied by DSC and spectroscopy methods. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 134(1), 691-700.

Šachl, R., Čujová, S., Singh, V., Riegerová, P., Kapusta, P., Müller, H.-M., Steringer, J. P., Hof, M., & Nickel, W. (2020). Functional Assay to Correlate Protein Oligomerization States with Membrane Pore Formation. Analytical Chemistry, 92, 14861-14866. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.0c03276

Steringer, J. P.-...- Čujová, S - Šachl, R -...- Hof, M -...- Nickel, W. Key steps in unconventional secretion of fibroblast growth factor 2 reconstituted with purified components. eLife. 6, (2017), e28985.

Takematsu, K., Williamson, H. R., Nikolovski, P., Kaiser, J. T., Sheng, Y. L., Pospíšil, P., Towrie, M., Heyda, J., Hollas, D., Záliš, S., Gray, H. B., Vlček, A., and Winkler, J. R. (2019). Two Tryptophans Are Better Than One in Accelerating Electron Flow through a Protein. Acs Central Science 5(1), 192-200.

Trojánek, A., Mareček, V., and Samec, Z. (2018). Open circuit potential transients associated with single emulsion droplet collisions at an interface between two immiscible electrolyte solutions. Electrochem. Commun. 86, 113-116.

Vinklárek, IS. - Vel'as, L - Riegerová, P - Skála, K - ...- Hof, M - Šachl, R, Experimental Evidence of the Existence of Interleaflet Coupled Nanodomains: An MC-FRET Study. Journal of Physical Chemistry Letters. 10, 9 (2019), 2024-2030.

 

Oddělení biofyzikální chemie

Vedoucí
doc. RNDr. Šachl Radek Ph.D.
Zástupce vedoucího
doc. Ing. Petráková Vladimíra Ph.D.