Celem prac grupy kierowanej przez Bożenę Sikorę jest wytworzenie wielofunkcyjnych nanocząstek opto-magnetycznych do zastosowań w teranostyce nowotworowej. Nanocząstki oparte na właściwościach up-konwertujących światło podczerwone do światła widzialnego mają być wykorzystane w diagnostyce nowotworu (obrazowanie) oraz do pobudzenia fotouczulaczy znajdujących się na powierzchni tychże nanocząstek – fototerapia nowotworów. Właściwości magnetyczne tych nanocząstek posłużą w diagnostyce – kontrasty w obrazowaniu MRI, oraz w terapii – hipertermia magnetyczna. Wszystkie te metody diagnostyki oraz terapii zostaną połączone w jednej nanocząstce. Nanocząstka ta zostanie zbiofunkcjonalizowana specyficznym dla danego nowotworu przeciwciałem, co pozwoli wykorzystać ją w terapii celowanej oraz do detekcji komórek krążących w krwi odpowiedzialnych za przerzuty. Badania opierają się na wytworzeniu, charakteryzacji fizycznej nanomateriałów oraz zbadaniu ich interakcji z materiałem biologicznym (komórki, tkanki). Inicjatorem tych badań był prof. Danek Elbaum, który przeszedł na emeryturę w 2018 r..

Badaniami tymi kieruje Anna Niedźwiecka. Biosynteza białek na podstawie informacji genetycznej zawartej w DNA jest skomplikowanym procesem chemicznym i mechanicznym, angażującym ogromną liczbę makrocząsteczek biologicznych: białek i kwasów nukleinowych, jak również rozliczne ich ligandy. Białka badane w Laboratorium oddziałują z obszarami regulatorowymi 5' i 3' mRNA nie ulegającymi translacji.
Głównym aspektem tych badań jest poznanie molekularnych mechanizmów oddziaływania struktur chemicznych znajdujących się na końcach różnych form RNA, tzw. kapu 5’ oraz łańcucha 3' poli(A), z białkami kluczowymi dla poprawnego przebiegu ekspresji genów organizmów eukariotycznych (ssaki i ich pasożyty) oraz wirusów. Zaburzenia równowag termodynamicznych kontrolujących tworzenie kompleksów z udziałem tych białek prowadzi do złośliwych transformacji nowotworowych, ciężkich chorób neurologicznych, metabolicznych, zahamowania programowanej śmierci komórki i reakcji immunologicznych. Również podczas infekcji wirusowych i zakażeń pasożytniczych atakowane są szlaki biochemiczne związane z rozpoznawaniem końców 5’ i 3’ RNA komórek gospodarza.
Submolekularny wgląd w procesy rozpoznawania międzycząsteczkowego za pomocą doświadczalnych i teoretycznych metod biofizyki molekularnej pozwoliły nam wyjaśnić specyficzność i selektywność oddziaływań białek eIF4E, CBC i PARN z kapem 5’ mRNA w języku energii swobodnej Gibbsa i pozostałych parametrów termodynamicznych oraz kinetycznych, zapewniając konieczną podstawę do projektowania leków przeciwnowotworowych, przeciwpasożytniczych i przeciwwirusowych w postaci małych cząsteczek chemicznych o optymalnej aktywności biologicznej i do dalszych badań ich fuzji z nośnikami przez błony fosfolipidowe. Prowadzone dotąd badania doprowadziły również do opracowania hierarchicznego modelu regulacji aktywności eIF4E przez centralny inhibitor translacji 4E-BP1.
Drugim aspektem tych badań jest detekcja, obrazowanie i analiza procesów biochemicznych z udziałem pojedynczych cząsteczek białek i kwasów nukleinowych w czasie realnym za pomocą średniorozdzielczych metod mikroskopowych i spektroskopowych (t.j. AFM i FCS).

Badaniami tymi kieruje Remigiusz Worch. Wirusy otoczkowane, takie jak np. wirus grypy, posiadają glikoproteiny zaangażowane w proces fuzji błonowej pomiędzy otoczką wirusa a endosomem zainfekowanej komórki gospodarza. Proces ten jest kluczowy podczas dostarczania materiału genetycznego do komórki. W przypadku wirusa grypy procesowi temu pośredniczy hemaglutynina, złożona z dwóch podjednostek, HA1 oraz HA2, które są wytwarzane przez proteolityczne cięcie prekursora HA0. N-końcowa część HA1 jest nazywana peptydem fuzyjnym (HAfp) i bezpośrednio kotwiczy się w błonie podczas procesu fuzji.
Badamy wpływ długości oraz N-końcowego ładunku peptydu na własności fuzji, dynamikę struktury oraz wiązanie do błon za pomocą różnych fluorescencyjnych technik mikroskopowych i spektroskopowych. Dotychczas opracowaliśmy nowy sposób wizualizacji i oceny ilościowej fuzji stosując mikroskopię czasów życia (FLIM), obrazując liposomy typu GUV (giant unilamellar vesicles). Zaobserwowaliśmy, że peptyd HAfp1-23, zawierający trzy zachowane reszty aminokwasowe W21-Y22-G23, posiada najwyższą zdolność w pośredniczeniu fuzji spośród wszystkich badanych peptydów. Co więcej, opisaliśmy powstawanie nowej, bogatej w cholesterol fazy lipidowej wywołanej wyłącznie przez HAfp1-23. Uważamy, że zdolność do sortowania lipidów może być istotnym czynnikiem wpływającym na poza-płaszczyznowe konformacje lipidów, co może dawać wkład do obniżenia bariery energetycznej na fuzję błonową.

Badaniami teoretycznymi kieruje Marek Cieplak. Prowadzone w Laboratorium symulacje typu dynamiki molekularnej dotyczą przebiegu dużych zmian konformacyjnych białek i większych układów biomolekularnych oraz zachowania się biomolekuł w obecności powierzchni czujnika biologicznego, bądź na granicy faz, np. woda-powietrze. Symulacje wykorzystują przede wszystkim własne modele gruboziarniste ale i również modele pełno-atomowe. Za ważkie osiągnięcie można uznać dokonanie przeglądu stabilności mechanicznej ponad 17 000 białek i odkrycie nowych mechanizmów tej stabilności. W szczególności wykazano, że największą odporność na rozciąganie powinny mieć białka z ruchomym węzłem cysteinowym. Innym ważkim osiągnięciem jest zbadanie procesów nanoindentacji wirusów w modelu molekularnym i wykazanie, że aspekty molekularne mają wpływ na deformację otoczki wirusa. Prowadzone są także symulacje białek wewnętrznie nieuporządkowanych, które w warunkach fizjologicznych mogą przyjmować wiele różnych konformacji.

Oprócz badań symulacyjnych w Laboratorium prowadzi się prace nad różnymi zagadnieniami podstawowymi, takimi jak przebieg procesu zwijania się białek i stosowalność opisu dwu-stanowego, które dają się analizować w ściśle rozwiązywalnych modelach uproszczonych. Innym obszarem badań teoretycznych jest interpretacja danych z mikromacierzy genetycznych dotyczących wyrażania się wszystkich genów organizmu (drożdże, rzodkiewnik) po podaniu czynnika stresu. Laboratorium uczestniczy także w badaniach numerycznych dotyczących samo-organizowania się agregatów biofunkcjonalizowanych nanocząstek.

Teoretycznymi badaniami dotyczącymi błon lipidowych kieruje Bartosz Różycki. Ich tematem są, po pierwsze, duże zmiany konformacyjne białek wielodomenowych i częściowo nieustrukturyzowanych, po drugie, mechanizmy działania białek błonowych oraz, po trzecie, mechanizmy deformacji błon lipidowych. Do badań białek wielodomenowych wykorzystuje metody symulacji dynamiki molekularnej oraz doświadczenia rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod małymi kątami (SAXS). Prace dotyczące białek błonowych prowadzone są we współpracy z pracownikami Instytutu Chemii Organicznej i Biochemii Czeskiej Akademii Nauk. Natomiast prace na temat deformacji dwuwarstw lipidowych - we współpracy z naukowcami z Instytutu Koloidów i Międzypowierzchni im. Maxa Plancka. Wspólnym mianownikiem tych prac są fizykochemiczne własności błon lipidowo-białkowych. Badania zarówno białek błonowych jak i samych błon lipidowych motywowane są chęcią zrozumienia – na poziomie molekularnym – mechanizmów funkcjonowania błon komórkowych.

Przykłady publikacji teoretycznych z Laboratorium:

1. Kinetics of protein folding in lattice models
2. Kinetics of protein folding in molecular dynamics studies
3. Stretching of proteins
4. Genetic micro-arrays
5. Structure prediction and related subjects
6. Knots and entanglements
7. Cellulosome
8. Virus capsids
9. Proteins at solid-water, fluid-fluid interfaces and molecular crowding
10. Intrinsically disordered proteins
11. Other

Badania są prowadzone we współpracy z innymi zespołami IF PAN, wydziałami Fizyki, Chemii i Biologii UW, Uniwersytetem im. A. Mickiewicza w Poznaniu, Warszawskim Uniwersytetem Medycznym, IBB PAN, IBD PAN, IChF PAN, Centrum Onkologii - Instytutem w Warszawie, Instytutem Fizyki Jądrowej im. H. Niewodniczańskiego w Krakowie oraz z wieloma ośrodkami zagranicznymi, takimi jak instytuty Maxa Plancka w Moguncji i Poczdamie, uniwersytety Johnsa Hopkinsa, Penn State, Kalifornijski w San Diego, Kolorado, McGilla, Padewski, w Limerick, w Uppsali, z Politechniką w Lozannie, czy instytutami Weizmanna, CSIC w Madrycie i Instytutem Chemii Organicznej i Biochemii w Pradze.
Laboratorium uczestniczyło w wielu projektach finansowanych z europejskich funduszy strukturalnych: w projekcie kluczowym POIG 1.1.2. "Kwantowe nanostruktury półprzewodnikowe do zastosowań w biologii i medycynie"", konkursowym POIG 2.2. "Krajowe Laboratorium Multidyscyplinarnych Nanomateriałów Funkcjonalnych" (projekt ten powstał z inicjatywy Anny Niedźwieckiej), oraz w projekcie FP7 CellulosomPlus „Boosting lignocellulose biomass deconstruction with designer cellulosomes for industrial applications”. Zakończone zostały projekty Homing Plus (laureatką była Joanna Grzyb) oraz Lider.

Prace nad modelowaniem białek w IF PAN zainicjował Marek Cieplak w 1995 r. w oddziale Spektroskopii Ciała Stałego. W lutym 2004 r. uformowany został Zespół Fizyki Biologicznej w ramach Środowiskowego Laboratorium Badań Rentgenowskich i Elektronomikroskopowych. Środowiskowe Laboratorium Fizyki Biologicznej zostało powołane w styczniu 2010 r.

    Byli członkowie laboratorium