Laboratoř biologie kvasinkových kolonií
Vedoucí:
prof. RNDr. Zdena Palková, CSc.
Katedra genetiky a mikrobiologie
Poradce pro studium a garantka magisterského studijního programu Genetika, molekulární biologie a virologie
BIOCEV Vestec, 2NP, místnost A2.076
Viničná 5, 2NP, místnost 116
Kde nás najdete:
Areál BIOCEV, Průmyslová 595, Vestec u Prahy, 252 42
1. nadzemní podlaží, křídlo 6 (místnosti 072, 074, 075, 076, 077, 078, 079)
Budova Viničná 5, Praha 2 - Nové Město, 128 43
přízemí (místnost P8), 1. patro (místnosti 116, 118A)
Výzkumná problematika
Další informace lze nalézt i na adrese http://web.natur.cuni.cz/~zdenap/
Z historických důvodů stále bývá zvykem rozdělovat organizmy na jednobuněčné a mnohobuněčné. Během posledních let se však ukazuje, že pomyslné hranice rozdělující tyto dvě skupiny nejsou tak striktní, jak by se mohlo zdát. Většina jednobuněčných organizmů včetně kvasinek je schopna za určitých podmínek tvořit organizované mnohobuněčné struktury - povlaky, biofilmy a kolonie. V přírodních podmínkách takové struktury představují převládající formu výskytu mikroorganizmů a umožňují jim lépe přežívat nepříznivé vlivy.
Kvasinky, které žijí na pevných površích, vytvářejí mnohobuněčné struktury - kolonie - s typickými morfologiemi a organizací. Během vývoje takové kolonie jednotlivé kvasinkové buňky diferencují a vytvářejí specificky lokalizované subpopulace buněk, které mají v celé struktuře specifické úlohy. Kvasinkové kolonie se tedy chovají jako primitivní mnohobuněčné organizmy: buňky mezi sebou komunikují, synchronizují svůj vývoj a diferencují do primitivních "tkání". Tato diferenciace často přispívá k prodloužení životaschopnosti celé buněčné populace v rámci kolonie.
Laboratoř biologie kvasinkových kolonií se dlouhodobě zabývá studiem signalizace, diferenciace, adaptace a přežívání v mnohobuněčných kvasinkových populacích - koloniích a biofilmech. Znalosti molekulárních a buněčných mechanizmů uplatňujících se při tvorbě a vývoji populací mikroorganizmů mohou pomoci například v boji proti mikrobiálním biofilmům, které jsou závažným problémem v medicíně. Mohou ale také přispět k poznání některých zákonitostí, důležitých pro tvorbu a vývoj tkání vyšších živočichů včetně člověka.
V současnosti se Laboratoř věnuje dvěma hlavním směrům výzkumu:
1) Vývoj a diferenciace biofilmových kolonií vytvářených "divokými" kmeny kvasinky Saccharomyces cerevisiae
Na rozdíl od hladkých kolonií, vytvářených kmeny S. cerevisiae dlouhodobě kultivovanými v laboratorních podmínkách, je pro "divoké" kmeny S. cerevisiae izolované z přírody typické, že jejich kolonie vykazují výrazně strukturovanou morfologii, ve kterých jsou buňky propojeny tzv. extracelulární matrix, vytvářející kanálky a prostory pro tok živin a odpadních látek. Tyto kolonie stavbou blízce připomínají přírodní biofilmy a jsou charakterizovány specifickou vnitřní organizací. Jejich buňky během vývoje kolonie diferencují a tvoří subpopulace s určitou lokalizací v rámci kolonie a s odlišnými obrannými mechanizmy, čímž koloniím poskytují vysokou odolnost vůči různým nepříznivým faktorům prostředí. Vznikají buněčné subpopulace s aktivními transportérovými proteiny lékové rezistence (multidrug resistance), stejně jako subpopulace produkující extracelulární matrix, a tyto subpopulace mají v rámci kolonie zcela specifické umístění. V případě, že jsou "divoké" kmeny S. cerevisiae kultivovány na médiích bohatých na glukózu, jsou schopny tzv. “domestikace”, tj, reorganizují svůj koloniální způsob života a vypínají některé z obranných mechanizmů. Tato "domestikace" je provázena změnami v expresi genů vedoucími ke změně metabolizmu a zastavení produkce extracelulární hmoty, je však reverzibilním procesem.
Cílem výzkumu Laboratoře v této oblasti je identifikovat nové regulační mechanizmy, které přispívají k tvorbě biofilmových kolonií a diferenciace buněk. Zvláště se zaměřujeme na mechanizmy, uplatňující se v odolnosti vůči nepříznivým faktorům prostředí, a na mechanizmy, uplatňující se při "domestikaci" příslušných kvasinkových kmenů.
2) Vývoj a diferenciace hladkých kolonií vytvářených laboratorními a "domestikovanými" kmeny S. cerevisiae
Jednou z typických vlastností mnohobuněčných organizmů je jejich schopnost produkovat a přijímat signály na velké vzdálenosti. Pro tuto signalizaci v rámci kolonie využívají kvasinky jednoduchou těkavou sloučeninu, amoniak, který je koloniemi produkován v pulzech. V důsledku toho dochází k synchronizaci vývoje sousedících kolonií a u kvasinky Candida mogii je tento proces doprovázen charakteristickými změnami morfologie buněk i kolonií. K přechodu kolonií z kyselé fáze do alkalické (amoniak produkující) fáze života je nutné rozsáhlé reprogramování adaptivího metabolizmu, důležité pro životaschopnost buněčné populace. Během tohoto přechodu buňky v kolonii diferencují na dvě hlavní buněčné subpopulace - tzv. U buňky lokalizované v horní části kolonie a tzv. L buňky lokalizované ve spodní části kolonie. U buňky jsou životně důležité pro odolnost vůči stresorům, jsou schopny aktivovat procesy adaptivního metabolizmu a produkovat vysoké hladiny amoniaku, zatímco L buňky jsou hladovějící, jsou citlivé k stresu a aktivují hydrolytické mechanizmy, které umožňují uvolňování živin pro U buňky, čímž dochází k jejich dlouhé životnosti. Je zajímavé, že U buňky jsou z metabolického hlediska poměrně podobné buňkám pevných nádorů savců. Jejich regulace je ve srovnání s jednotlivými kvasinkovými buňkami kultivovanými v tekutém médiu poměrně atypická.
Hlavním cílem tohoto výzkumného tématu je identifikace nových regulačních mechanizmů, které přispívají k buněčné diferenciaci kvasinek spojené s produkcí amoniaku a vzniku U a L buněk. Ukázalo se, že důležitou roli v této regulaci a diferenciaci hraje mitochondriální signalizace, tudíž se náš výzkum zaměřuje na hledání mitochondriálních regulátorů specifických pro jednotlivé buněčné subpopulace.
Kromě výše uvedených dvou hlavních směrů výzkumu, kde je naším modelovým objektem především kvasinka S. cerevisiae, jsme se v poslední době zaměřili i na identifikaci vybraných procesů spojených s diferenciací kolonií a biofilmů patogenních kvasinek, jakož i procesů souvisejících s jejich interakcí s buňkami hostitelského organizmu.
V době celosvětové pandemie COVID-19 se naše Laboratoř věnovala i vývoji nové metody Loop Mediated Isothermal Amplification (LAMP) pro rychlou detekci SARS-CoV-2 viru, která by umožnila citlivější, bezpečnější a rychlejší detekci viru v klinických vzorcích, aniž by vyžadovala nákladné přístrojové vybavení a složitou přípravu vzorků.