Zahlavi

Samoskládání buněčného skeletu lze ovlivnit elektrickými pulzy

09. 10. 2019

Vědci z Akademie věd ČR objevili zcela nový způsob, jak ovlivnit samoskládání nanoskopických stavebních bloků – proteinů – do struktur buněčného skeletu, a to pomocí velice krátkých a intenzivních elektrických pulzů. Pozoruhodné na tomto objevu je, že pulzy mohou zásadně ovlivnit nanoskopický tvar poskládané struktury a to vratně, nebo nevratně, podle nastavení parametrů pulzů. Tento objev má dopad na vývoj nových bionanomateriálů a může vést až k novým elektromagnetickým postupům v biomedicínských terapeutických metodách, například v léčbě rakoviny. Objev publikoval prestižní vědecký časopis Advanced Materials.

„Krátké elektrické pulzy se používají v experimentální i klinické medicíně, například k elektrochemoterapii,“ vysvětluje Michal Cifra, vedoucí výzkumného týmu Bioelektrodynamika Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR, jehož výzkumníci jsou spoluautory nového objevu. Cílem jejich vědecké skupiny je nalézat nové elektromagnetické přístupy, které udělají biomedicínské a bionanotechnologické postupy v budoucnu účinnějšími a šetrnějšími.

Relativně novým směrem výzkumu je využívat velice krátké, nanosekundové pulzy. Djamel Eddine Chafai, člen týmu, přišel na to, že tyto pulzy mohou ovlivnit přímo proteiny, jako nanoskopické stavební bloky samoskládající se do složitějších buněčných struktur. „Nikoho předtím nenapadlo podívat se na využití těchto pulzů za jejich klasický oborový rámec, v bionanotechnologii,“ zdůrazňuje Michal Cifra.

ADMA web clanek

Objevu předcházel výzkum, jehož výsledek byl publikován v prestižním vědeckém časopisu Advanced Materials č. 39/2019. Grafické ztvárnění výsledků výzkumu se objevilo i na přebalu časopisu.

Tři ústavy AV ČR – čtyři různé národnosti

Objev vznikl spoluprací českých výzkumných institucí sdružených v Akademii věd ČR. Vedle Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR se na něm podílely Ústav molekulární genetiky AV ČR a Fyziologický ústav AV ČR. „Autoři objevu působící na těchto třech různých pracovištích Akademie věd jsou vědci celkem čtyř různých národností. To zřetelně ukazuje, jak důležitá je dnes multidisciplinární spolupráce a jak se věda v České republice internacionalizuje,“ komentuje úspěch mezinárodního týmu Jiří Homola, ředitel Ústavu fotoniky a elektroniky AV ČR.

Samoskládání je proces, při kterém se soubor neuspořádaných částic samovolně orientuje do uspořádaného vzoru nebo funkční struktury bez působení vnější síly, pouze za pomoci lokálních interakcí mezi samotnými částicemi. Samoskládání a samoorganizace jednodušších bloků do složitějších celků jsou základními principy výstavby živých buněk a organizmů. Inspirace těmito biologickými principy je horkým tématem také v nanotechnologii, kde umožňuje vytváření nanoskopických zařízení a nanorobotů. Schopnost samoskladby je ovlivňována většinou chemicky a efekt bývá často nevratný.

Na obrázku je vidět, jak je konformace tubulinu ovlivněna nanosekundovými elektrickými pulzy. Nová konformace pak určuje, zda se tubulin poskládá, a s jako kinetikou, do mikrotubulů, nebo do jiných nanoskopických struktur. Tento přístup otevírá nové možnosti v kontrole samoskládání biomolekul i v bioinspirovaných materiálech.

Bibliografický záznam publikace s výsledky výzkumu:
Chafai, Djamel Eddine, Vadym Sulimenko, Daniel Havelka, Lucie Kubínová, Pavel Dráber, and Michal Cifra. “Reversible and Irreversible Modulation of Tubulin Self‐Assembly by Intense Nanosecond Pulsed Electric Fields.” Advanced Materials, 31(39) 2019, 1903636.
https://doi.org/10.1002/adma.201903636.

Jak vypadá reverzibilní samoskládání (od 1:07):
https://www.youtube.com/watch?v=wJyUtbn0O5Y&feature=youtu.be&t=67
Autor: Harvard's educational website BioVisions at Harvard

Titulní obrázek: přebal časopisu Advanced materials č. 39/2019 © 2019 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim (původci grafiky: Anežka Juhová & Vojtěch Polesný)


Připravila: Petra Palečková, Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR, ve spolupráci s Markétou Růžičkovou, Odbor mediální komunikace Kanceláře AV ČR
Obrázek
v článku: Ústav fotoniky a elektroniky AV ČR

Aplikovaná fyzika

Vědecká pracoviště

Základní fyzikální zákony jsou v ústavech této sekce východiskem pro výzkum nových struktur a makroskopických vlastností pevných látek, tekutin a plazmatu. Studium mikrostruktury a mikroprocesů otvírá cestu k řešení problémů „materiálových věd“, jako jsou např. vlastnosti kompozitních materiálů a konstrukcí, poruchová mechanika a dynamika nebo biomechanika. Modelování prostorově vysoce strukturovaného turbulentního proudění rozličných tekutin, výzkum dynamiky kapalin a plynů biosféry či plazmových technologií jsou často výrazně aplikačně orientované. Studium vysokoteplotního plazmatu se soustřeďuje především na pulsní výkonové systémy a problémy udržení a ohřevu plazmatu v tokamaku. Bádání v oblasti aplikované fyziky má často interdisciplinární charakter a jeho výsledky také nacházejí použití v nejrůznějších oblastech vědy a techniky. Například umělá syntéza přirozené a dobře srozumitelné české řeči je důležitým úkolem v oboru zpracování číslicových signálů. Unikátní přístroje a měřící techniky byly vyvinuty pro spektroskopii a elektronovou mikroskopii živých objektů. Sekce zahrnuje sedm ústavů s přibližně 880 zaměstnanci, z nichž je asi 320 vědeckých pracovníků s vysokoškolským vzděláním.

Všechny výzkumné sekce