Fascinující struktura Hollidayova spoje: Klíčový prvek biofyziky DNA studovaný molekulově dynamickými simulacemi
Číslo projektu: 25-16134S
Hlavní řešitel: RNDr. Miroslav Krepl, Ph.D.
Poskytovatel: Grantová agentura České republiky (GA ČR)
Doba řešení: 2025–2027
Pracoviště: Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Popis projektu
Projekt se zaměřuje na detailní studium tzv. Holliday Junction (HJ), unikátní čtyřvláknové struktury DNA, která hraje klíčovou roli v opravách genetického materiálu a při výměně genetické informace mezi chromozomy. Tyto procesy jsou zásadní pro stabilitu genomu, buněčné přežití i genetickou variabilitu organismů. Přestože biologický význam těchto struktur je dobře znám, jejich dynamické chování a strukturální vlastnosti zůstávají dosud jen částečně pochopeny.
Cílem projektu je využít pokročilé výpočetní metody, zejména molekulárně-dynamické simulace, k podrobnému popisu struktury, pohybů a interakcí Holliday Junction na atomární úrovni. Výzkum se zaměří na několik klíčových aspektů: přeměny mezi různými konformačními stavy, tzv. branch migration (posun místa křížení vláken DNA), a interakce s proteiny, které tyto procesy v buňce řídí.
Významnou součástí projektu je také aplikace získaných poznatků v oblasti DNA nanotechnologií. Holliday Junction totiž slouží jako stavební blok pro konstrukci nanostruktur a materiálů. Lepší pochopení jejich vlastností může vést k efektivnějšímu návrhu nových funkčních nanostruktur využitelných například v medicíně nebo nanoelektronice.
Projekt navazuje na předchozí úspěšný výzkum řešitelského týmu a přináší inovace jak v samotné metodice simulací, tak v interpretaci experimentálních dat. Očekávaným výstupem je zásadní prohloubení znalostí o dynamice DNA, publikace v prestižních vědeckých časopisech a posílení mezinárodní spolupráce.
Celkově projekt přispěje k lepšímu pochopení základních biologických procesů i k rozvoji moderních technologických aplikací založených na DNA.
Prebiotická cesta k informačním polymerům založená na chemii H-fosfonátů
Číslo projektu: 1319776
Hlavní řešitel: Judit E. Šponer (PI) ve spolupráci s Matthew Pasekem (co-PI) (Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, USA)
Poskytovatel: Human Frontier Science Program
Doba řešení: 1. 7. 2025 – 31. 6. 2028
Pracoviště: Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Popis projektu
V rámci tohoto projektu se zabýváme jedním z ústředních problémů týkajících se vzniku života na naší planetě, tj. jak byly první genetické polymery, pravděpodobně nukleové kyseliny, syntetizovány z jednoduchých prebiotických stavebních bloků. Předchozí přístupy zabývající se touto problematikou se pokoušely rekonstruovat cestu k prvním oligonukleotidovým sekvencím s použitím nukleotidových monomerů, které obsahují fosfor v oxidačním stavu +5.
Nedávné výzkumy v oblasti prebiotické chemie fosforu naznačují, že sloučeniny fosforu s nižším oxidačním stavem by mohly být relevantnější v redukčním primordiálním geochemickém prostředí. Vzhledem k tomu, že tyto sloučeniny jsou chemicky aktivnější než sloučeniny v nejvyšší (+5) oxidační formě, zdá se rozumné předpokládat, že nukleotidové monomery v redukované formě, jako jsou nukleosidové H-fosfonáty, mohou vykazovat vyšší sklon k oligomerizaci.
Na základě této motivace zkoumáme procesy, které by mohly vést k tvorbě, akumulaci a polymeraci těchto sloučenin v realistickém geologickém kontextu, který pravděpodobně existoval na rané Zemi. Naším konečným cílem je rekonstruovat prebiotický scénář, který nastiňuje geochemicky věrohodnou cestu vedoucí od jednoduchých prekurzorů, jako jsou nukleosidy, až k funkčním oligomerům podobným RNA prostřednictvím chemie redukovaných fosfátových sloučenin, zejména těch, které mají fosfor v oxidačním stavu +3.
Nezbytnost krystalizačních nerovnováh pro akumulaci a polymerizaci RNA v rané evoluci
Číslo projektu: 25-16127K
Hlavní řešitel: Judit E. Šponer (PI) ve spolupráci s Dieter Braunem (co-PI) (Ludwig-Maximilians-Universität München)
Poskytovatel: Grantová agentura České republiky (GA ČR) ve spolupráci s Deutsche Forschungsgemeinschaft
Doba řešení: 1. 4. 2025 – 31. 3. 2028
Pracoviště: Biofyzikální ústav AV ČR, v.v.i.
Popis projektu
Pochopení toho, jak byly jednoduché organické prekurzorové molekuly vybrány a akumulovány z údajně vysoce komplexního prebiotického poolu, je jedním z ústředních problémů výzkumu zabývajícího se původem života.
Předchozí výzkumy naznačovaly, že nukleotidy s nízkou rozpustností by mohly být sekvestrovány krystalizací nebo akumulací v tepelných pastích, jako jsou póry hornin. V rámci tohoto projektu kombinujeme tyto dva přístupy, abychom studovali, jak by synergický efekt organické krystalizace a nerovnovážných fyzikálních jevů, které pravděpodobně existovaly v primordiálním prostředí, mohl napomoci selektivní akumulaci prvních molekul nukleových kyselin a peptidů a jejich prekurzorů.
Konečným cílem je tedy rekonstruovat prebiotický scénář, jak by organická krystalizace v nerovnovážném systému reprezentovaném póry hornin vystavenými tepelným gradientům mohla vést k prostorové separaci a akumulaci nukleotidů, aminokyselin a jejich oligomerů, které tvořily základy pozemského života.