Elektrochemie a struktura nukleových kyselin

(Vedoucí skupiny: Miroslav Fojta)

Zabýváme se vztahy mezi primární (sekvencí), sekundární (globální a lokální konformací) a terciární (superhelicitou a topologií) strukturou DNA a jejími interakcemi s povrchy elektrod. Tyto interakce se projevují v elektrochemickém (oxidace a redukce) a povrchovém (adsorpce a dvourozměrná kondenzace) chování DNA a jejích složek. Zvláštní pozornost je věnována mechanismu redukce guaninových zbytků a úloze ostatních složek v tomto procesu.

Ještě donedávna bylo možné elektrochemickou redukci nukleových kyselin pozorovat jen na elektrodách na bázi rtuti, zatímco jejich oxidace byla víceméně omezena na uhlíkové elektrody. Naše práce prokázala, že redukci nukleových kyselin lze studovat také na grafitových elektrodách, což umožňuje provádět měření redukce i oxidace na stejném povrchu elektrody. Současně dostupnost dvou odlišných elektrodových materiálů pro katodická měření – kde jsou efekty struktury  DNA obzvláště výrazné – rozšiřuje škálu využitelných experimentálních proměnných, při nichž lze  optimalizovat strukturálně citlivé analýzy DNA.

V rámci našeho výzkumu vztahu mezi strukturou a elektrochemickými vlastnostmi DNA se intenzivně zaměřujeme na chování G-quadruplexů (G4) a sekvencí schopných tyto struktury tvořit, jakož i na interakce mezi G4 a specifickými ligandy – potenciálními léčivy určenými k cílení na struktury G4.

Zabýváme se také podrobným zkoumáním toho, jak mikrostruktura a nanostruktura uhlíkových elektrod, a také jejich povrchová chemie, ovlivňují elektrochemické signály polymerních nukleových kyselin, jejich monomerních složek a souvisejících typů sloučenin.

Elektrochemie modifikovaných nukleových kyselin

(Luděk Havran)

Skupina se zaměřuje na využití chemicky značených molekul DNA při vývoji elektrochemických biosenzorů. Značená DNA je připravována buď začleněním chemicky modifikovaných nukleobází pomocí DNA polymeráz, nebo přímou chemickou modifikací syntetických oligonukleotidů. Inkorporované analogy nukleobází nesou elektrochemicky aktivní substituenty nebo funkční skupiny, které umožňují následné modifikační reakce. Kromě konvenčních elektroaktivních značek založených na různých redoxně aktivních skupinách se jako jedinečné elektrochemické značky používají také sloučeniny borátových klastrů.

Náš výzkum dále zahrnuje systematické studie vlivu chemických modifikací na strukturu DNA a na její elektrochemické chování na různých typech pracovních elektrod. Vývoj těchto přístupů je zaměřen především na biosenzory a bioanalytické postupy pro monitorování široké škály procesů a interakcí souvisejících s analýzou DNA, včetně hybridizace DNA, poškození DNA a interakcí mezi DNA a proteiny.

Další typ „chemicky modifikované“ DNA tvoří molekuly obsahující nepřirozené (syntetické) báze, které se zavádějí za účelem rozšíření genetické abecedy v oblasti syntetické biologie. Tyto báze často vykazují specifické elektrochemické vlastnosti, které se liší od vlastností přírodních složek nukleových kyselin, což umožňuje jejich elektrochemické začlenění do „semi-syntetických“ organismů. 

Biomolekuly na nabitých površích

(Veronika Ostatná)

Výzkumná skupina Biomolekuly na nabitých površích se zaměřuje na studium biomolekul na elektricky nabitých rozhraních a na vývoj citlivých elektrochemických přístupů pro jejich analýzu.

Skupina zkoumá, jak povrchový náboj a vlastnosti rozhraní ovlivňují chování proteinů, nukleových kyselin, glykanů a jejich komplexů. Významnou část výzkumu tvoří příprava a charakterizace mikro- a nanostrukturovaných povrchů, včetně kovových a uhlíkových materiálů, vhodných pro detekci biomolekul.

Skupina se dlouhodobě věnuje zejména analýze proteinů pomocí chronopotenciometrie s konstantním proudem, která umožňuje sledovat jemné změny struktury i interakce bez nutnosti značení. Tento přístup se uplatňuje při studiu denaturace, agregace, oligomerizace i specifických interakcí proteinů s DNA, ligandy nebo dalšími proteiny.

Důležitou oblast představuje také elektrochemická analýza glykanů, oligosacharidů, polysacharidů a glykoproteinů, včetně detekce specifických struktur souvisejících s nádorovými biomarkery. Skupina rozvíjí i přístupy založené na chemickém značení, například s využitím komplexů osmia, které zvyšují citlivost a selektivitu detekce sacharidových struktur.

Výzkum skupiny směřuje k lepšímu porozumění dějům na rozhraní biomolekula–povrch (komplex – povrch), a tím vytváří podmínky pro rozvoj biomedicínských a analytických aplikací.