Fizykochemia Miękkiej Materii

Robert Hołyst (

[e-mail] , [e-mail]

)

W mojej grupie są realizowane następujące projekty: Biologistyka, fabrykacja platform do

SERS-a, fabrykacja podłoży wirusowych, parowanie w nanoskali oraz nieekstensywna

termodynamika w zastosowaniu do układów, które z definicji nie mają stanu równowagi np. żywe

komórki. Biologistyka jest obecnie najważniejszym spośród realizowanych projektów w grupie.

Biologistyka i biochemia w zatłoczonym środowisku są nowymi interdyscyplinarnymi

dziedzinami nauki, wyrastającymi z chemii, fizyki i biologii. W ich ramach analizuje sie ilościowo

transport białek w komórkach i wyznacza współczynniki dyfuzji i stałe równowagi niezbędne do

ilościowego opisywania ekspresji i regulacji genów. Regulacja genów w bakteriach zależy od czterech

podstawowych parametrów fizykochemicznych:

współczynników dyfuzji białek w cytozolu

bakterii; współczynnika dyfuzji białek poruszających się po DNA, stałej równowagi na

niespecyficzne przyłączanie białek do DNA oraz średniego czasu przebywania białka na

DNA. Jednym z celów projektu jest wyznaczenie tych wielkości w zatłoczonym środowisku

w badaniach in vivo, in vitro, a także in silico..

Rys.1 Obrazek przedstawia schematycznie zależność lepkości od skali przepływu w

układach miękkiej materii (roztworów białek, polimerów, surfaktantów lub cytoplazmie

komórek). W przypadku dyfuzji obiektu o danym rozmiarze, lepkość zależy od tego

rozmiaru. Model lepkości w nanoskali został zastosowany do cytoplazmy komórek

rakowych HeLa (rys. 2).

W ramach projektu chcemy stworzyć platformę ilościowego opisu zjawisk

zachodzących w żywych komórkach w tym oddziaływań białek z DNA oraz ich mobilności w

komórce. Oprócz lepszego zrozumienia tych procesów chcemy stworzyć bazę danych

współczynników dyfuzji dla wszystkich ~5000 białek występujących w bakterii E.coli (białka

z bazy danych http://www.uniprot.org/)oraz ich niespecyficznego przyłączania do podwójnej

nici DNA. Dodatkowo chcemy zbudować bazę danych czasów i stałych reakcji na

specyficzne przyłączanie białek do operatorów regulujących ekspresję genów dla wszystkich

~200 takich białek (czynników transkrypcyjnych) w E.coli (http://ecocyc.org). Otrzymane

wyniki pozwolą zobaczyć, które procesy badane przez biochemie w buforach, a nie w

zatłoczonym środowisku maja jakiekolwiek znaczenie dla biologii komórki.

Fig. 2 Lepkość w cytoplazmie komórek
rakowych HeLa odczuwana przez obiekt o
promieniu hydrodynamicznym r

p

. Linią ciagłą

pokazano krzywą teoretyczna daną wzorem
[Nano Letters 11, 2157, 2011]:

(1)

(2)

gdzie



0

jest lepkością matrycy (wody),



jest

długością korelacji,



~1 jest wykładnikiem, a R

h

jest

efektywnym

promieniem

hydrodynamicznym obiektów zatłaczających
ośrodek wodny. Współczynnik dyfuzji dla
poruszających się w tym ośrodku obiektów jest
dany

zmodyfikowanym

wzorem

Stokes-

Sutherland-Einstein

(3)

gdzie



(r

p

) jest dane równaniami (1-2).

Wyznaczone parametry z dopasowania do
danych eksperymentalnych: η

0

~0.001 Pas, ξ = 5

±4 nm, R

h

≈ 86 nm, i



= 0.49 ±0.22. R

h

=86 nm

odpowiada filamentom aktyny o długości 660
nm. Dane eksperymentalne wzięliśmy z: Dauty
2005, Zhao 2008, Ruan 2002, Hiu 2010.

Projekt jest interdyscyplinarny, na granicy fizyki, chemii i biologii. Do pomiarów używamy

następujących technik eksperymentalnych: Spektroskopii Korelacji Fluorescencji,

Mikroskopii Fluorescencji przy całkowitym odbiciu, Dynamicznego rozpraszania światła,

reometrii, elektroforezy żelowej i kapilarnej, chromatografii w połączeniu z metodą Taylora.

Wśród stosowanych metod teoretycznych mamy: fizykę statystyczną, procesy stochastyczne

oraz symulacje metodami molekularnej dynamiki.

Literature:

Comparative Analysis of Viscosity of Complex Liquids and Cytoplasm of Mammalian Cells
at the Nanoscale NANO LETTERS 11, 2157-2163 (2011)

;

Scaling form of viscosity at all length-scales in poly(ethylene glycol) solutions studied by
fluorescence correlation spectroscopy and capillary electrophoresis PHYSICAL CHEMISTRY
CHEMICAL PHYSICS 9025-9032 (2009)

;

Evaluation of Ligand-Selector Interaction from Effective Diffusion Coefficient ANALYTICAL
CHEMISTRY 82 5463-5469 (2010)

;

Accurate genetic switch in Escherichia coli: Novel mechanism of regulation by co-repressor
JOURNAL OF MOLECULAR BIOLOGY 377, 1002-1014 (2008);
Diffusion and viscosity in a crowded environment: From nano- to macroscale JOURNAL OF
PHYSICAL CHEMISTRY B; 110, 25593-25597 (2006)

.