|
|
Ultra-weak photon emission from biological samples
Vahalová, Petra ; Cifra, Michal (vedoucí práce) ; Rác, Marek (oponent) ; Šachl, Radek (oponent)
Oxidativní procesy jsou nedílnou součástí života téměř všech živých organismů. Pomáhají udržet homeostázu, ale zároveň mohou stát za rozličnými dysfunkcemi či nemocemi. Efektivní metoda monitorování oxidativních procesů v biologických vzorcích je proto nepostradatelným nástrojem pro medicínu, zemědělství i potravinářský průmysl. Součástí této práce je přehled dostupných monitorovacích metod oxidativních procesů v biologických vzorcích se speciálním zaměřením na metodu využívající biologickou autoluminescenci (BAL). Pojem BAL zde reprezentuje i další synonyma používaná pro daný fenomén, mimo jiné také často používaný pojem "ultra slabá emise fotonů". V práci jsou prezentovány korelace mezi BAL a různými fyzikálními, chemickými a biologickými faktory (ve formě vlastního výzkumu i jako přehled výsledků jiných autorů). Je zde například ukázán vztah mezi spontánní BAL z kvasinek Saccharomyces cerevisiae a pH, parciálním tlakem kyslíku či koncentrací buněk během kultivace kvasinkových buněk v bioreaktoru. Práce taktéž ukazuje měření zabývající se vztahem počtu reaktivních forem kyslíku (ROS) pocházejících z Fentonovy reakce a indukované intenzity BAL z kvasinek či proteinu hovězí sérový albumin. Vliv pulzního elektrického pole na zesílení signálu BAL a možný reakční mechanismus elektrogenerovaných ROS v...
|
|
|
Novel Devices and Materials for Bioelectronics
Ehlich, Jiří ; Achilleas Savva, Ph.D (oponent) ; Cifra,, Michal (oponent) ; Salyk, Ota (vedoucí práce)
This dissertation represents a synthesis of projects I have been working on in the course of my Ph.D. studies. The projects evolve around a wide range of topics, which is the reason for the broad and general title. Projects described it the thesis involve the development of electronic tools which can be applied to several areas of bioelectronics: The first part of the thesis concerns platforms for the study of unique microorganisms capable of direct electron exchange with electronic devices. This involved design, fabrication, and application of such platforms. The second part of the thesis deals with electrical stimulation; its application to stem cells towards their directed differentiation, and fundamental studies of possibly harmful irreversible faradaic reactions happening in the course of broadly used electrical stimulation protocols applied in clinical practice. All the projects share core, common, theoretical, and practical foundation originating in chemical engineering, electrochemistry, and materials science. A unifying feature playing a major factor and appearing throughout all the projects would be a family of oxygen reduction reactions. Oxygen reduction is a necessary half-cell reaction taking place in the developed device studying electroactive microorganisms. Oxygen reduction and subsequent generation of reactive oxygen species might arguably play a significant role in the direct electrical stimulation of stem cells towards their differentiation. Lastly, oxygen reduction reactions were the main irreversible faradaic reactions we have been observing during standard electrical stimulation protocols. The thesis presents summarized theoretical background necessary to understand presented projects. Goals are defined. Results are introduced as a commented list of published scientific publications. Achieved outcomes are summarized and discussed. Also, a perspective into the future is given. Main results can be summarized as follows. First goal was to develop a platform for electrochemical characterization of electroactive microorganisms. The platform was based on 24 or 96-well Microbial Fuel Cell array. After two design iterations a prototype fulfilling all the intended requirements was developed, tested, and proven to be reliably working. Next, a multi-well platform of interdigitated electrodes was fabricated and used for electrical stimulation of stem cells. Unfortunately, the platform turned out to be unreliable and not working properly which resulted in the failed attempt to differentiate stem cells into a specific type of cells. Lastly, we have examined oxygen reduction reactions (ORRs) on electrodes made of typical materials used for neural stimulation electrodes. Oxygen can be reduced either to water or hydrogen peroxide. Both reactions can significantly reduce the quantity of dissolved oxygen near the electrode, creating hypoxic conditions harmful to neurons. Peroxide, meanwhile, can induce toxic reactions or act as a signaling molecule. We have examined the amount of reduced oxygen and produced peroxide by various stimulation protocols using amperometric sensors and compared electro-catalytic activities of studied materials. Main finding is that typical protocols lead to irreversible ORRs. Some electrode materials induce highly hypoxic conditions, others additionally produce hydrogen peroxide into the mM range.
|
|
|
Electronic effects at the interface between biomolecules, cells and diamond
Krátká, Marie ; Rezek, Bohuslav (vedoucí práce) ; Cifra, Michal (oponent) ; Skládal, Petr (oponent)
Pro biomedicínské aplikace, jako jsou biosenzory, bioelektronika, tkáňové inženýrství, optimalizace materiálů pro implantáty, monitorování životního prostředí atd., je zásadní interakce mezi biologickým prostředím (buňky, proteiny, tkáně, membrány, elektrolyty apod.) a povrchem pevné látky. Diamant může v tomto směru poskytnout unikátní kombinaci výborných polovodičových, mechanických, chemických, biokompatibilních a dalších vlastností. V této dizertační práci charakterizujeme elektronické vlastnosti rozhraní protein- diamant pomocí polních tranzistorů na bázi diamantu zakončeného vodíkem, jehož hradlo je vystaveno biologickému médiu (SGFET). Objasňujeme roli adsorbované proteinové vrstvy na elektronickou odezvu diamantového tranzistoru. Zkoumáme vliv buněk (převážně osteoblastů jako modelových buněk) na převodní charakteristiky a na svodové proudy diamantových polních tranzistorů. Pro posouzení vlivu hranic zrn a sp2 fáze na bio-elektronickou funkci diamantových SGFETů jsme použili vrstvy nanokrystalického diamantu o různých velikostech zrn (80 nm - 250 nm). Studujeme vliv gamma záření na funkci a stabilitu diamantových polních tranzistorů s proteiny a buňkami, což může být užitečné pro monitorování biochemických procesů během radiační léčby. Vyvinuli a otestovali jsme přenosné zařízení pro měření...
|
|
|
Regulation of microtubule dynamics revealed by single-molecule TIRF and IRM microscopy
Zhernov, Ilia ; Lánský, Zdeněk (vedoucí práce) ; Cifra, Michal (oponent) ; Varga, Vladimír (oponent)
Mikrotubulární cytoskelet je rozmanitá bio-polymerní síť nezbytná pro život všech eukaryotních buněk. Mikrotubuly stochasticky přechází mezi fázemi polymerace a depolymerace. Tato dynamika je využívána buňkami ke generování sil nezbytných pro základní buněčné procesy, jako například buněčné dělení, motilita nebo morfogeneze. Regulace mikrotubulární dynamiky umožňuje buňkám adaptivně reagovat na změny podmínek. Molekulární mechanismy této regulace však nejsou zcela objasněny. V této práci jsme rekonstituovali dva mikrotubulární systémy, které jsme prozkoumali a popsali za použití kombinace TIRF mikroskopie s rozlišením na úrovni jedné molekuly a interferenční reflekční mikroskopie. (i) Zdvojené mikrotubuly, složené z kompletního mikrotubulu A s přisedlým mikrotubulem B, zajišťují strukturní stabilitu buněčných řasinek. I přes jejich fundamentální úlohu, není zatím znám molekulární mechanismus jejich formování. V této práci ukazujeme inhibiční roli C-terminální části tubulinu během tvorby zdvojených mikrotubulů. Zdvojené mikrotubuly jsme rekonstituovali pomocí částečného enzymatického štěpení mikrotubulů, následovaného přidáním volného tubulinu za přítomnosti stabilizačního činidla, čímž jsme objasnili dynamiku jejich vzniku. Ukázali jsme tedy, že inherentní vlastnosti tubulinu poskytují dostatečnou...
|
|
|
Electronic effects at the interface between biomolecules, cells and diamond
Krátká, Marie ; Rezek, Bohuslav (vedoucí práce) ; Cifra, Michal (oponent) ; Skládal, Petr (oponent)
Pro biomedicínské aplikace, jako jsou biosenzory, bioelektronika, tkáňové inženýrství, optimalizace materiálů pro implantáty, monitorování životního prostředí atd., je zásadní interakce mezi biologickým prostředím (buňky, proteiny, tkáně, membrány, elektrolyty apod.) a povrchem pevné látky. Diamant může v tomto směru poskytnout unikátní kombinaci výborných polovodičových, mechanických, chemických, biokompatibilních a dalších vlastností. V této dizertační práci charakterizujeme elektronické vlastnosti rozhraní protein- diamant pomocí polních tranzistorů na bázi diamantu zakončeného vodíkem, jehož hradlo je vystaveno biologickému médiu (SGFET). Objasňujeme roli adsorbované proteinové vrstvy na elektronickou odezvu diamantového tranzistoru. Zkoumáme vliv buněk (převážně osteoblastů jako modelových buněk) na převodní charakteristiky a na svodové proudy diamantových polních tranzistorů. Pro posouzení vlivu hranic zrn a sp2 fáze na bio-elektronickou funkci diamantových SGFETů jsme použili vrstvy nanokrystalického diamantu o různých velikostech zrn (80 nm - 250 nm). Studujeme vliv gamma záření na funkci a stabilitu diamantových polních tranzistorů s proteiny a buňkami, což může být užitečné pro monitorování biochemických procesů během radiační léčby. Vyvinuli a otestovali jsme přenosné zařízení pro měření...
|
|
|
Sledování vlivu expozice elektromagnetickým polem na kolonii kvasinek
Hájková, Renata ; Vorlíček, Jaroslav (vedoucí práce) ; Cifra, Michal (oponent)
Identifikační záznam: HÁJKOVÁ, Renata. Sledování vlivu expozice elektromagnetickým polem na kolonii kvasinek [Monitoring the impact of exposure to electromagnetic fields in yeast colonies]. Praha, 2011, rok vydání. 74s., 2. příl. Diplomová práce (Mgr.). Univerzita Karlova v Praze, 1. Lékařská fakulta, Fakulta elektrotechnická, Katedra elektromagnetického pole, ČVUT v Praze. Vedoucí závěrečné práce Vorlíček, Jaroslav, Ing. Abstrakt: Současný rozvoj mobilních komunikačních zařízení a jejich rozšíření ve společnosti, obrací pozornost veřejného mínění směrem ke studiu vlivu možného působení elektromagnetického pole na živé organismy. Výsledky této práce přispívají k hlubšímu poznání interakcí elektromagnetického pole s buněčnými strukturami. V úvodu práce jsou shrnuté morfologické a fyziologické znaky kvasinek, které jsme v této práci použili jako modelový organismus. Další kapitola se věnuje základním faktům o elektromagnetickém záření a bezdrátovému přenosu energie. Cílem praktické části této diplomové práce je zmapovat účinky působení elektromagnetického pole na kvasinkovou kulturu v průběhu jejich buněčného dělení. Buňky jsou naředěny do živných roztoků o různé koncentraci a poté je sledován jejich proces dělení v přesně definovaném elektromagnetickém poli. Pro tyto účely byla zkonstruována unikátní...
|
|
|
Electromagnetic-based nano-resolution microscopies for biological research
Kučera, Ondřej ; Cifra, Michal
Research of cell biology is principally related to progress in imaging under diffraction limit of visible light and to the functional imaging. This paper brings short review of experimental techniques including Photonic force microscopy, Scanning microwave microscopy and other relevant techniques. The possibility of employing these techniques for elucidation of endogenous biological electromagnetic activity is discussed
|
|
|
Electric field generated by higher vibration modes of microtubule
Cifra, Michal ; Havelka, D. ; Kučera, Ondřej ; Pokorný, Jiří
Certain structures in a living cell may generate electric oscillations. Microtubules, which form a part of a cellular skeleton, belong to this class of structures and ful-fill all conditions for generation of electric oscillations in kHz÷GHz band. We present selected results from calculations of the oscillatory electric field generated by higher vibration modes of microtubules. We propose that the electric field of certain modes may play specific function in cellular organization
|
|
|
Calculation of the Electromagnetic Field Around Microtubule
Havelka, D. ; Cifra, Michal
Microtubules are important structures in cytoskeleton which organizes the cell. Single microtubule is composed of electrically polar structures, tubulin heterodimers, which have strong electric dipole moment. Vibrations are expected to be generated in microtubules, thus tubulin heterodimers as electric dipoles are oscillating. This gives rise to electromagnetic field, which is detected around the cells. We calculate here the electromagnetic field of microtubules if they are excited at 1 GHz. This paper includes the work done in bachelor thesis of the first author.
|
|
|
Measurement and Computer Simulation of Electromagnetic Oscillations of Living Cells
Cifra, Michal ; Pokorný, Jiří ; Vrba, J.
Frohlich postulated coherent polar oscillations as a fundamental biophysical property of biological systems. Recently, Pelling et al. (2004, 2005) detected mechanical vibrations of yeast cell membrane with atomic force microscope (AFM) and analyzed by Fourier analysis in the frequency range 0.5-2 kHz with amplitudes of the order of 1 nm. This article describes the measurement of electric activity of yeast cells in the acoustic frequency range and of mechanical vibrations of cell membrane. Spectrum analyzer and electrically and > electromagnetically screened box with point sensor and amplifiers fed by batteries were used for measurement of synchronized and non synchronized tubulin mutants of yeast cells. We show that the electric activity of synchronized cells in the M phase is greater that of non synchronized cells. That corresponds to the findings of Pohl et al. (1981). Obtained results of measurement of cell electric activity are in good agreement with AFM findings.
|
host ::
RSS.