Dyfuzja i reakcje chemiczne w zatłoczonym środowisku

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