Badania realizowane przez Laboratorium mają charakter interdyscyplinarny - realizowane są na pograniczu fizyki, chemii, biologii i bioinformatyki - oraz posługują się metodami doświadczalnymi i teoretycznymi. Badania te należą do głównych nurtów badań podstawowych współczesnej biofizyki i biologii molekularnej a jednocześnie mają aspekty aplikacyjne.
Zagadnienia będące przedmiotem zainteresowania Laboratorium dotyczą bionanotechnologii, molekularnych aspektów procesów życiowych w komórce, takich jak wytwarzanie białek, oraz mechanicznego manipulowania biomolekułami i wirusami. Poniżej są podane przykłady tych zagadnień.
Badania nanocząstek do użycia w diagnostyce i fototerapii nowotworów
Badania fizycznych podstaw procesów molekularnych regulujących aktywność genów
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).
Fuzja błonowa wywołana przez białka wirusowe
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.
Analiza teoretyczna zagadnień biofizycznych
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:
- Kinetics of protein folding in lattice models
- Kinetics of protein folding in molecular dynamics studies
- Stretching of proteins
- Genetic micro-arrays
- Structure prediction and related subjects
- Knots and entanglements
- Cellulosome
- Virus capsids
- Proteins at solid-water, fluid-fluid interfaces and molecular crowding
- Intrinsically disordered proteins
- Other
Współprace i większe projekty badawcze
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.
- Doktoranci
- Trinh Xuan Hoang (doktorat 2000)
- Joanna Sułkowska (doktorat 2007)
- Szymon Niewieczerzał (doktorat 2009)
- Wojciech Puławski (do 2008)
- Mateusz Sikora (doktorat 2012)
- Anna Korczyc-Baranowska (doktorat 2013)
- Grzegorz Nawrocki (doktorat 2014)
- Anna Starzyk (doktorat 2015)
- Karol Wołek (do 2017)
- Pracownicy naukowi
- dr hab. Ewa Sobczak, prof. IFPAN (do 2006)
- dr hab. Andrzej Sienkiewicz, ADSresonances (do 2006)
- dr Tomasz Kobiela (do 2007)
- dr Aleksandra Nowicka (do 2010)
- dr Joanna Grzyb (do 2017)
- dr Panagiotis Theodorakis (do 2018)
- prof. Danek Elbaum (do 2018)
- dr Ewa Golaś (do 2018)
- dr Yani Zhao (do 2018)
- Pracownicy laboratoryjni
- mgr Izabela Rutkowska-Włodarczyk (do 2008)
- dr Anna Wałkiewicz (do 2011)
- mgr inż. Marta Pędziwiatr (2014-2017)
- mgr inż. Katarzyna Kopeć (2015-2017)