F7PBNNBM - Nanobiomechanika - interakce buňky s nanostrukturami

Výuka bude realizována prezenční formou a zahrnuje přednášky, praktická cvičení a laboratorní práce. Přednášky se zaměří na teoretické základy mechaniky buňky a příbuzných oblastí, přičemž budou doplněny diskusemi nad klíčovými tématy, aby došlo k aktivizaci studentů a podpoře jejich kritického myšlení. Praktická cvičení budou orientována na aplikaci teoretických poznatků při řešení konkrétních úkolů, například analýzu mechanických vlastností membrán nebo simulaci mechaniky makromolekul. Na začátku každého cvičení budou studenti psát krátké testy k ověření znalostí z předchozích hodin, čímž se zajistí průběžná zpětná vazba o úrovni jejich pochopení.

Laboratorní práce budou zaměřeny na experimentální ověřování teoretických poznatků, například měření fluktuací membrán nebo zkoumání mechaniky cytoskeletu. Studenti budou také zpracovávat samostatné odborné úkoly, což jim umožní rozvíjet kreativitu, analytické myšlení a schopnost prezentace závěrů.

Pro podporu výuky a komunikaci bude využívána platforma Moodle, kde budou dostupné studijní materiály, zadání úkolů a zpětná vazba. V případě potřeby distanční výuky budou využity MS Teams pro online přednášky a konzultace. Studenti se rovněž mohou zapojit do pravidelné ankety FBMI ČVUT, která poskytuje zpětnou vazbu na kvalitu výuky a přístup vyučujících.

Podmínky zápočtu: účast na řešení úloh při cvičeních minimálně 70%. Složení zápočtového testu.

Podmínky zkoušky: splnění podmínek zápočtu, prokázání znalostí odpovídajících odpřednášené látce formou písemného testu obsahujícího jak teoretické otázky (tři), tak početní příklady (tři). Písemný test bude hodnocen body. Z každé odpovědi může student získat 0,5 nebo 1 bod. Pro získání E je nutný min. počet 3 bodů, pro získání A je nutných 5 a více bodů. V případě nejednoznačného klasifikačního stupně bude navazovat zkouška ústní.

Garant předmětu

1. Přehled složení buňky, struktura a funkce stavebních jednotek, síly a energie v mechanice buňky

2. Struktura biologických membrán, principy samoorganizace, hydrofóbní interakce

3. Polymorfizmus membrán, tvarový faktor, laterální napětí, energetika fosfolipidů

4. Zatížení membrány tahem a smykem, aplikace teorie skořepin

5. Zatížené membrány ohybem, Helfrichova energie, fluktuace membrány

6. Mechanika uzavřených struktur

7. Přehled statistické mechaniky, mikrostavy, makrostavy, centrální postulát, entropie a teplota

8. Mechanika makromolekul, perzistentní délka, volný rětězec v 1D a 3D

9. Principy entropické elasticity

10.Elasticita makromolekulárních sítí, pricipy homogenizace

11.Mechanika cytoskeletu, polymerizace, mezní stavy stability

12.Molekulární motory

13.Elektrofyziologie buňky, akční potenciál, receptory ve vztahu k mechanice buňky, princip solitonu

14.Shrnutí, zápočtový test.

1. Úvod do AFM a příprava vzorků: Seznámení s principem fungování AFM a jeho různými módy, příprava vzorků pro měření mechanických vlastností (fixace, imobilizace), kalibrace AFM a nastavení parametrů pro měření mechanických vlastností.

2. Měření topografie a morfologie pomocí AFM: Získání topografických obrazů vzorků v kontaktním a bezkontaktním módu, analýza morfologie a struktury povrchu, identifikace relevantních oblastí pro měření mechanických vlastností.

3. Silová spektros kopie a měření elasticity: Získání silových křivek (force-distance curves) na vybraných místech vzorku, analýza silových křivek a určení elastického modulu, mapování elasticity povrchu.

4. Měření adheze a viskoelasticity: Měření adhezních sil mezi hrotem a povrchem, analýza viskoelastických vlastností pomocí dynamické silové spektroskopie, určení deformačních vlastností materiálů.

5. Laterální silová mikroskopie (LFM) a tření: Měření laterálních sil a tření na povrchu vzorku, analýza map tření a identifikace rozdílů v adhezi, korelace tření s morfologií povrchu.

6. Mechanika biologických vzorků a modelování buněk: Měření mechanických vlastností buněk, membrán a biomolekul, analýza deformačních vlastností biologických vzorků, aplikace AFM v biomedicínském výzkumu, modelování mechanických vlastností buněk pomocí softwarových nástrojů.

7. Analýza dat a interpretace výsledků: Zpracování a analýza dat z AFM měření, interpretace výsledků a korelace s morfologií a strukturou vzorku, diskuze o aplikacích měření mechanických vlastností pomocí AFM.

Předmět se zaměřuje na studium mechanických vlastností biologických struktur na úrovni nanočástic. Obsahuje přehled složení a funkcí buněk, struktury biologických membrán, a interakce mezi nanomateriály a buňkami. Studenti se seznámí s mechanismy samoorganizace membrán, zatížením membrán a mechanikou cytoskeletu. Předmět zahrnuje také základy statistické mechaniky, elasticitu makromolekulárních sítí, a roli molekulárních motorů. Důraz je kladen na aplikace v oblasti nanotechnologií, kde se interakce buňky s nanočásticemi využívají v biomedicínských a biotechnologických aplikacích.

Povinná literatura:

[1] DANIEL, M., MAREŠ, T. Biomechanics of Biomembranes. 2007. ISBN 978-80-01-03915-1.

[2] BOAL, D. Mechanics of the cell. 2nd ed. Cambridge University Press, 2012.

[3] MIERKE, Claudia Tanja. Cellular Mechanics and Biophysics: Structure and Function of Basic Cellular Components Regulating Cell Mechanics. Springer International Publishing AG, 2020. ProQuest Ebook Central, dostupné z: https://ebookcentral.proquest.com/lib/cvut/detail.action?docID=6382164.

[4] PHILLIPS, Rob, et al. Physical Biology of the Cell. CRC Press LLC, 2012. ProQuest Ebook Central, dostupné z: https://ebookcentral.proquest.com/lib/cvut/detail.action?docID=5992774.

Doporučená literatura:

[1] DILL, Ken, BROMBERG, Sarina. Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Biology, Chemistry, Physics, and Nanoscience. CRC Press LLC, 2010. ProQuest Ebook Central, dostupné z: https://ebookcentral.proquest.com/lib/cvut/detail.action?docID=5992827.

• Bakalářský studijní program Biomedicínské nanotechnologie (povinný předmět)