Zespół 31 Chemia biofizyczna: Dyfuzja i reakcje chemiczne w zatłoczonym środowisku Zainteresowania naukowe Dyfuzja w zatłoczonym środowisku Stochastyczna ekspresja genów Bieżące projekty 7.2013-7.2015: grant Iuventus Plus grant Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego na projekt: Teoretyczne badanie warunków na dokładną regulację genów w 2-genowej kaskadzie z autoregulacją W pracy [A. Ochab-Marcinek, M. Tabaka, PNAS, 2010] badaliśmy teoretyczny model ekspresji genów w najprostszym z możliwych układzie regulacyjnym: dwustopniowej kaskadzie z niekooperatywnym wiązaniem czynników transkrypcyjnych. Taki układ jest deterministycznie monostabilny. Pokazaliśmy, że w tym układzie jest jednak możliwa bimodalna ekspresja genu: Reakcja wiązania czynników transkrypcyjnych do DNA działa jak nieliniowy filtr szumu, który transformuje unimodalny rozkład statystyczny czynników transkrypcyjnych w populacji komórek w bimodalny rozkład białek produkowanych przez regulowany gen. Znaleźliśmy prostą metodę opartą na konstrukcji geometrycznej, która pozwala przewidywać pojawienie się bimodalności. Te wyniki mogą wyjaśniać obserwowaną eksperymentalnie bimodalną odpowiedź kaskad genowych kontrolowanych przez represor tetracyklinowy. W bieżącym projekcie, rozszerzamy nasze badania na bardziej skomplikowane motywy regulacyjne. Chcemy znaleźć warunki na dokładną regulację genów w tych układach. 12.2011- 12.2014: Ngrant Narodowego Centrum Nauki SONATA nr 2011/01/D/ST3/00751 na projekt: Przejście od nano- do makrolepkości w dyfuzji nanocząstek w zatłoczonym środowisku: Teoretyczne i doświadczalne badania efektu warstwy zubożonej Ekspresja genów w dużym stopniu zależy od stałych szybkości reakcji biochemicznych, takich jak np. czynnik transkrypcyjny + DNA . Mała różnica w tych szybkościach reakcji może radykalnie zmienić ekspresję genów. Dlatego też, w celu zaprojektowania obwodów genetycznych mających pożądane właściwości, biotechnolodzy muszą dokładnie znać szybkości reakcji kontrolujących ekspresję genów. W biochemii, standardowa analiza szybkości reakcji jest zwykle wykonywana w warunkach in vitro w buforze o lepkości wody. Jednakże in vivo, w zatłoczonym środowisku o wysokiej lepkości, reakcje biochemiczne są zwykle ograniczone przez dyfuzję i ich szybkości mogą się różnić o kilka rzędów wielkości od tych wyznaczanych w oparciu o standardowe pomiary. Ponadto wiele reakcji biochemicznych w żywych komórkach jest limitowanych dyfuzją. Jeśli dyfuzja cząsteczek w zatłoczonym środowisku różni się od tej oczekiwanej na podstawie eksperymentów in vitro, to również szybkości reakcji biochemicznych mogą być zupełnie inne od przewidywań in vitro. W tym projekcie badamy (teoretycznie i doświadczalnie) przejście od nanoskopowej do makroskopowej dyfuzji w zatłoczonym środowisku . W szczególności, badamy wpływ mniej zatłoczonej warstwy zubożonej wokół dyfundującej nanocząstki.. Warstwa zubożona wpływa na szybkość dyfuzji na różnych skalach długości: ruch nanocząstek jest szybszy w mniej zatłoczonej warstwie i wolniejszy na dłuższych dystansach . Chcemy zmierzyć doświadczalnie grubość warstwy zubożonej, aby zrozumieć teoretycznie zależność tej grubości od rozmiaru cząstek i innych czynników. Następnie chcemy zrozumieć, jak owa niejednorodna dyfuzja wpływa na szybkości reakcji biochemicznych, w szczególności tych związanych z regulacją genów. Metody eksperymentalne, których używamy, to: dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) i spektroskopia korelacji fluorescencji (FCS ) . Wybrane publikacje 1. A. Lewandrowska, A. Majcher, A. Ochab-Marcinek, M. Tabaka, R. Hołyst, Taylor Dispersion Analysis in Coiled Capillaries at High Flow Rates, Anal. Chem., 2013, 85 (8), 4051–4056 2. A. Ochab-Marcinek, R. Hołyst, Scale-dependent diffusion of spheres in solutions of flexible and rigid polymers: mean square displacement and autocorrelation function for FCS and DLS measurements , Soft Matter 2011, 7, 7366-7374 3. A. Ochab-Marcinek, M. Tabaka, Bimodal gene expression in noncooperative regulatory systems , PNAS 107(51) (2010) 22096-22101 Ludzie Prof dr hab. Andrzej Poniewierski Dr Jakub Jędrak Dr Anna Ochab-Marcinek