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 rp. Linią ciagłą
pokazano krzywÄ… teoretyczna danÄ… wzorem
[Nano Letters 11, 2157, 2011]:
(1)
(2)
gdzie hð0 jest lepkoÅ›ciÄ… matrycy (wody), jest
xð
długością korelacji, jest wykładnikiem, a Rh
að~1
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 hð(rp) jest dane równaniami (1-2).
Wyznaczone parametry z dopasowania do
danych eksperymentalnych: ·0~0.001 Pas, ¾ = 5
Ä…4 nm, Rh H" 86 nm, i að = 0.49 Ä…0.22. Rh=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).