|
|
Ultra-weak photon emission from biological samples
Vahalová, Petra ; Cifra, Michal (advisor) ; Rác, Marek (referee) ; Šachl, Radek (referee)
Oxidative processes are an inseparable part of the life of almost all living organisms. They help to maintain homeostasis but they can also stand behind various dysfunctions or diseases. Therefore, an effective method for monitoring oxidative processes in biosamples is an essential tool for medicine, agriculture, and food industry. In this thesis, an overview of available methods for monitoring oxidation in biosamples with a special focus on biological autoluminescence (BAL) is provided. This thesis uses the term BAL to encapsulate various synonyms including the commonly used term ultra-weak photon emission. BAL correlations with various physical, chemical, and biological factors (as original research and an overview from other authors) are also presented. Specifically, the relationships between spontaneous BAL of yeast Saccharomyces cerevisiae and the selected physical and chemical parameters (pH, oxygen partial pressure, and cell concentration) during cell growth were established. Additionally, the correlation of BAL intensity from yeast cells or protein bovine serum albumin (BSA) and the number of reactive oxygen species (ROS) that originated as a result of the Fenton reaction were measured. Physical enhancement of BAL from BSA by pulsed electric field was also studied and a basic reaction...
|
|
|
Novel Devices and Materials for Bioelectronics
Ehlich, Jiří ; Achilleas Savva, Ph.D (referee) ; Cifra,, Michal (referee) ; Salyk, Ota (advisor)
Tato dizertace je syntézou hlavních projektů, kterým jsem se věnoval v průběhu mého doktorského studia. Projekty se rozvíjejí kolem širokého spektra témat, z toho důvodu byl zvolen široký a obecný název. Projekty popsané v této práci se zabývají vývojem elektronických zařízení s využitím v řadě bioelektronických aplikací. První část práce se věnuje vývoji, testování a aplikací platforem pro studium mikroorganismů schopných přímé výměny elektronů s elektronickými zařízeními. Druhá část práce se věnuje elektrické stimulaci kmenových buněk pro jejich řízenou diferenciaci. Dále se zabývá fundamentálním studiem potenciálně škodlivých faradaických reakcí, ke kterým dochází v průběhu stimulačních protokolů používaných v klinické praxi. Všechny popsané projekty sdílí společné teoretické a praktické základy vycházející z chemického inženýrství, elektrochemie a materiálových věd. Sjednocující faktor hrající zásadní roli a objevující se napříč všemi projekty je skupina reakcí souvisejících s redukcí kyslíku. Redukce kyslíku je nezbytná reakce odehrávající se v katodovém poločlánku zařízení pro stadium elektroaktivních mikroorganismů. Redukce kyslíku a následná produkce reaktivních forem kyslíku může mít diskutabilně větší vliv na diferenciaci kmenových buněk pomocí elektrické stimulace než samotná elektrická stimulace. V neposlední řadě reakce související s redukcí kyslíku byly hlavními reakcemi, které jsme pozorovali při aplikaci standardních stimulačních protokolů. Disertace prezentuje stručný teoretický úvod nezbytný pro pochopení prezentovaných projektů. Definuje cíle a prezentuje výsledky formou komentovaného seznamu vědeckých publikací. Rovněž nastiňuje budoucí směřování práce. Hlavní dosažené výsledky mohou být shrnuty následujícím způsobem: Prvním cílem bylo vyvinout platformu založenou na poli mikrobiálních palivových článků pro elektrochemickou charakterizaci elektroaktivních mikroorganismů. Po sérii testovacích prototypů byla vyvinuta platforma splňující všechny předem určené parametry. Platforma se osvědčila jako dostatečně přesná a spolehlivá pro zamýšlené biologické experimenty. Dalším cílem bylo vyrobit platformu pro řízenou diferenciaci kmenových buněk pomocí elektrické stimulace. Bohužel připravená platforma se ukázala jako nespolehlivá a nevhodná pro daný účel. To vedlo k neúspěšné snaze o diferenci kmenových buněk požadovaným směrem. Nakonec jsme se zabývali reakcemi souvisejícími s redukcí kyslíku na elektrodách připravených z nejčastěji používaných materiálů pro neurální stimulaci. Kyslík může být redukovaný na vodu a na peroxid vodíku v závislosti na katalytické aktivitě daného materiálu a charakteru stimulačního protokolu. Změřili jsme množství redukovaného kyslíku a produkovaného peroxidu v blízkosti stimulačních elektrod při aplikaci standardních stimulačních protokolů. Následně jsme porovnali katalytickou aktivitu všech materiálů vzhledem k množství redukovaného kyslíku a produkovaného peroxidu vodíku. Hlavním zjištěním bylo, že všechny elektrodové materiály a všechny testované stimulační protokoly vedou k redukci kyslíku, v některých případech až k lokální hypoxii a všechny materiály generují peroxid vodíku, některé až v řádech jednotek mM. Tyto zjištění považujeme za velmi významné, jelikož ovlivnění koncentrace kyslíku a generace peroxidu vodíku mohou mít výrazný vliv na tkáň v okolí elektrod.
|
|
|
Electronic effects at the interface between biomolecules, cells and diamond
Krátká, Marie ; Rezek, Bohuslav (advisor) ; Cifra, Michal (referee) ; Skládal, Petr (referee)
Understanding and control of interactions between biological environment (cells, proteins, tissues, membranes, electrolytes, etc.) and solid-state surfaces is fundamental for biomedical applications such as bio-sensors, bio-electronics, tissue engineering and implant materials as well as for environmental monitoring, security and other fields. Diamond can provide unique combination of semiconducting, chemical, optical, biocompatible and other properties for this purpose. In this thesis we characterize electronic properties of protein-diamond interface by employing a solution-gated field-effect transistor (SGFET) based on hydrogen-terminated diamond, surface of which is exposed to biological media. We elucidate the role of adsorbed protein layer on the electronic response of the diamond transistor. We investigate effects of cells (using mainly osteoblast cells as model) on diamond SGFETs transfer characteristics and gate currents. We employ nanocrystalline diamond (NCD) thin films of different grain sizes (80 - 250 nm) to characterize and discuss influence of grain boundaries and sp2 phase on bio- electronic function of SGFETs. We investigate effects of gamma irradiation on function and stability of hydrogen-terminated diamond SGFETs interfaced with proteins and cells, showing feasibility of...
|
|
|
Regulation of microtubule dynamics revealed by single-molecule TIRF and IRM microscopy
Zhernov, Ilia ; Lánský, Zdeněk (advisor) ; Cifra, Michal (referee) ; Varga, Vladimír (referee)
The microtubular cytoskeleton is a ubiquitous and highly diverse biopolymer network present in all eukaryotic cells. Microtubules stochastically alternate between phases of growth and shrinkage. Cells take advantage of this dynamicity to generate forces for essential processes, such as cell division, motility or morphogenesis. Regulating the microtubule dynamics enables cells to adaptively respond to a wide range of tasks and conditions. Molecular mechanisms underpinning the regulation are not fully understood. Using a bottom-up approach and the combination of single molecule total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy and interference reflection microscopy (IRM), we here reconstituted and explored two dynamic cytoskeletal systems. (i) Microtubule doublets, comprising incomplete B-microtubule on the surface of a complete A- microtubule, provide an essential structural scaffold for flagella. Despite the fundamental role of microtubule doublets, the molecular mechanism governing their formation is unknown. We here demonstrate an inhibitory role of tubulin C-terminus in microtubule doublet assembly. By partial enzymatic digestion of polymerized microtubules followed by the addition of free tubulin in the presence of a stabilizing agent, we assembled microtubule doublets and revealed the B-...
|
|
|
Electronic effects at the interface between biomolecules, cells and diamond
Krátká, Marie ; Rezek, Bohuslav (advisor) ; Cifra, Michal (referee) ; Skládal, Petr (referee)
Understanding and control of interactions between biological environment (cells, proteins, tissues, membranes, electrolytes, etc.) and solid-state surfaces is fundamental for biomedical applications such as bio-sensors, bio-electronics, tissue engineering and implant materials as well as for environmental monitoring, security and other fields. Diamond can provide unique combination of semiconducting, chemical, optical, biocompatible and other properties for this purpose. In this thesis we characterize electronic properties of protein-diamond interface by employing a solution-gated field-effect transistor (SGFET) based on hydrogen-terminated diamond, surface of which is exposed to biological media. We elucidate the role of adsorbed protein layer on the electronic response of the diamond transistor. We investigate effects of cells (using mainly osteoblast cells as model) on diamond SGFETs transfer characteristics and gate currents. We employ nanocrystalline diamond (NCD) thin films of different grain sizes (80 - 250 nm) to characterize and discuss influence of grain boundaries and sp2 phase on bio- electronic function of SGFETs. We investigate effects of gamma irradiation on function and stability of hydrogen-terminated diamond SGFETs interfaced with proteins and cells, showing feasibility of...
|
|
|
Monitoring the impact of exposure to electromagnetic fields in yeast colonies
Hájková, Renata ; Vorlíček, Jaroslav (advisor) ; Cifra, Michal (referee)
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. Abstract: Current development of mobile telecommunication device increases interest of public to the question of influence of electromagnetic field to the living organisms. Results of this work contribute to better knowledge of interaction between electromagnetic field and cell structures. Beginning of the thesis is review of morphology and physiology of the yeast cell that was used in this work as a tested organism. Second chapter describe the basic facts about electromagnetic fiend and wireless energy transfer. Goal of the practical part of this master thesis is describe influence of electromagnetic field on population of yeast during their proliferation. We constructed special box connected with wireless energy generator that was source of exactly defined electromagnetic field. Cells of Saccharomyces cerevisiae were diluted in fluid medium YPD and the proliferation of the culture was...
|
|
|
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.
|
guest ::
RSS feed.