Táto prezentácia bola použitá v rámci projektu

Projekt je spolufinancovaný Európskou úniou.Portál Európske únie http://www.europa.eu.int/ European Social Fund http://europa.eu.int/comm/employment_social/esf2000 ESF na Slovensku http://www.esf.gov.sk/

ITMS 11230310158

http://provek.fns.uniba.sk

BIOFYZIKÁLNA CHÉMIA

Od matematiky k biológii a medicíne a späť.

Budú prírodné vedy v 21. storočí znovu zjednotené?

Ivan Valent

Katedra fyzikálnej a teoretickej chémie

valent@fns.uniba.sk

Chemické oscilácie: Briggsova-Raucherova reakcia

• 24 ml H2O + 1 ml škrobu

• 25 ml 0,268 M KIO3

• 20 ml 6 M H2O2

• 10 ml 0,5 M kyselina malónová

• 10 ml 0,53 M HClO4

• 10 ml 0,067 M MnSO4

Biologické rytmy

• sekundové – tlkot srdca (EKG), mozog (EEG)

• denné (cirkadiánne) - spánok

• mesačné, ročné

• dlhodobé – doba kamenná, železná

Chemické vlny: Belousovova-Žabotinského reakcia

Kurin-Csörgei, K., Zhabotinsky, A. M., Orbán, M. and Epstein, I. R., "The bromate-1,4- cyclohexane-dione-ferroin gas-free oscillating reaction. I. Basic features and crossing wave patterns in a reaction-diffusion system without gel,"

J. Phys. Chem. 100, 5393 (1996).

Klasický systém:

1. 67 ml H2O + 5 g NaBrO3 + 2 ml H2SO4

2. 1 g NaBr na 10 ml H2O

3. 1 g kyseliny malónovej na 10 ml H2O

4. 1 ml 0,025 M feroínu

Boris P. Belousov: Cesta k objavu• Narodil sa v rodine ruského účtovníka na konci 19. storočia.

• Možno prvý záujem o chémiu v ňom prebudil nápad vyrobiť spolu so starším bratom bombu pre atentát na cára.

• Na začiatku 50-tych rokov 20. stor. napísal článok o oscilačnej reakcii. Článok poslal do vedeckého časopisu, kde ho odmietli publikovať z dôvodu, že „také reakcie nie sú možné“.

• V polovici 50-tych rokov sa mladý biochemik S.E. Schnoll začal zaujímať o periodické procesy v biochémii.

• Belousov sa nakoniec rozhodol vedu opustiť. Návod na reakciu prenechal Schnollovi a súhlasil s napísaním vlastného článku:

Belousov, B. P., Sb. Ref. Rad. Med. 1958, 145 (1959).

Anatol M. Žabotinskij

A.M. Žabotinskij pod vedením S.E. Schnolla detailne skúmal mechanizmus tejto reakcie; ako prvý použil reakciu na štúdium priestorvých štruktúr. Tieto výsledky zaujali fyzikov, ktorí podobné objavy už očakávali...

Adjunct Professor of Chemistry, Department of Chemistry, Brandeis University

Súčasné vyskumné záujmy:

• Experimentálne štúdium chemických vĺn a priestorových štruktúr v priemyselných reaktoroch a excitabilných biologických a ekologických systémoch.

• Matematické modelovanie a počítačové simulácie vzniku priestorových štruktúr v chemických a biologických reakčno-difúznych systémoch.

Periodická precipitácia: Liesegangove krúžky

• ióny ťažkých kovov (napr. Ag+, Cu2+, Co2+)• gélové prostredie (želatína, agar)• zrážadlo (NH3, K2Cr2O7)

Biologické systémy

Vlny Ca2+ v srdcovom myocyte (I. Zahradník, ÚMFG SAV)

Agregácia Dictyostelium discoideum

Deterministický chaos

Lorenzov atraktor

nekonečne zložité správanie

Nelineárna dynamika

Skúma sústavy (fyzikálne, chemické, biologické, ekonomické, sociologické, ...) vzdialené od termodynamickej rovnováhy, najmä ich vývoj v čase a priestore

“It has to be physiology?… I’d be delighted to study it and find out all about it, because I can guarantee you it would be very interesting.”

In: Richard P. Feynman, The Pleasure of Finding Things Out, Perseus Publishing, Cambridge, Massachusetts, 1999, p. 203.

Richard P. Feynman

Cieľ systémovej biológie

Aby sme porozumeli biológii na úrovni celých systémov, musíme skúmať štruktúru a dynamiku funkcie bunky a organizmu ako celku, namiesto charakterizácie izolovaných častí týchto bilogických sústav.

Hiroaki Kitano, Systems Biology: A Brief Overview, Science, 295, 1662 (2002).

Tento cieľ vyžaduje posun v myslení „čo v biológii hľadať“. Aj keď skúmanie génov a proteínov zostáva dôležité, hlavným zameraním je pochopenie systémovej štruktúry a dynamiky.

Systémová biológia a počítačové modelovanie

„Vysvetlenie zložitých biologických systémov vyžaduje spojenie experimentálneho a počítačového výskumu. Počítačová biológia, pomocou modelovania a teoretickej interpretácie, ponúka významný prostriedok na riešenie kľúčových vedeckých otázok súčasnosti.“

Hiroaki Kitano, Computational systems biology, Nature, 420, 206 (2002).

„Systémová fyziológia 21. storočia sa nezvratne stáva kvantitatívnou vedou, a preto jednou z disciplín, ktoré najintenzívnejšie využívajú výpočtovú techniku.“

Denis Noble, Modeling the Heart - from Genes to Cells to the Whole Organ, Science, 295, 1678 (2002).

Mathematical Biology

Biophysical Chemistry

Computational Biology

Biophysics Mathematical

PhysiologyBioinformatics

Neurodynamics

Computational Neuroscience

Výskum založený na hypotézach v systémovej biológii

H. Kitano, Science, 295, 1662 (2002)

http://systemsbiology.rcsi.ie/apopto-cell.html

Vápnikové záblesky a vlny

Konfokálna mikroskopia, Ústav molekulárnej fyziológie a genetiky SAV, Bratislava

I. Zahradník, A. Zahradníková

bunka srdcového svalu

ŠŠtrutrukkttúúrraa svalovej bunkysvalovej bunky

ŠŠtrutrukkttúúrraa svalovej bunkysvalovej bunky

ŠŠtrutrukkttúúrraa svalovej bunkysvalovej bunky

ECCU – excitation-contraction coupling unit

t-tubult-tubulusus

Cisterna Cisterna SRSR

RyRRyR

DHPRDHPR

Typická cicavčia svalová bunka obsahuje cca 10 000 ECCU

Stochastické difúzne procesy:Šírenie vápnikovej vlny

S. Coombes, R. Hinch, and Y. Timofeeva, Prog. Biophys. Mol. Biol. 85, 197 (2004).

Analytické riešenie parciálnej diferenciálnej rovnice s generáciou náhodných čísiel

BudBudúcnosť prírodných vied v postgenómovej éreúcnosť prírodných vied v postgenómovej ére

Howard Hughes Medical InstituteHoward Hughes Medical Institute

Searching for group leaders at theSearching for group leaders at the Janelia FarmJanelia Farm Research CampusResearch Campus

“… “… We will promote the We will promote the self-assemblyself-assembly of of interdisciplinaryinterdisciplinary teams of scientists who teams of scientists who seek to seek to breakbreak through existing through existing barriersbarriers. . …”…”

((www.hhmi.org/janeliawww.hhmi.org/janelia))