Strukturní biologie

Struktura je funkce - Odhalení skrytého systému buňky

Co se naučíte

Popis oboru

Studijní obor Strukturní biologie je moderní interdisciplinární a významně metodologicky zaměřený obor nabízející zájemcům studium z oblasti výzkumu struktury a funkce biologicky aktivních makromolekul - proteinů, nukleových kyselin a jejich funkčních komplexů.

Obor je určen absolventům magisterského studia se znalostmi v oborech biochemie, biofyzika, molekulární biologie, fyzikální chemie, farmacie a příbuzný oborů a umožňuje studentům rozvíjet výzkumné dovednosti a socio-manažerské kompetence nastavením studia a výběrem předmětů a přednášek odpovídajícím oblasti jejich zájmu. Studenti získají potřebné metodické dovednosti a znalosti ke studiu molekulární struktury základních složek živých systémů a získají sociálně-manažerské kompetence v oblasti Life Sciences.

Cíle strukturní biologie zahrnují komplexní popis tvaru a forem molekul obsažených v biologických makromolekulách a využití této znalosti k odhalení, jak různé jsou molekulární formy realizující chemické reakce, které jsou klíčové pro život.

Hlavní nástroje využívané při tomto výzkumu zahrnují rentgenovou difrakci, nukleární magnetickou rezonanci (NMR), kryo-elektronovou mikroskopii (kryoEM), jiné spektroskopické a biofyzikální metody, expresi proteinů, biofyzikální a bioorganickou chemii, počítačové vědy a bioinženýrství.

Program sdružuje lidské i materiální zdroje Masarykovy univerzity a Mendelovy univerzity v Brně.

Při výuce obor využívá unikátních zkušeností pracovníků výzkumného programu Strukturní biologie Středoevropského technologického institutu (CEITEC) v hlavních oblastech oboru (NMR, kryoEM, glykobiochemie, bioinformatika, výpočetní chemie, struktura proteinů a nukleových kyselin).

Úvodní část studia je vyhrazena prohloubení teoretických a praktických znalostí. Paralelně probíhá zpracování samostatné literární rešerše k zadanému tématu doktorské disertace. Samotné těžiště činnosti studentů spočívá v jejich vlastní vědecké práci. Studenti jsou školitelem vedeni, aby byli schopni samostatně realizovat všechny fáze vědeckého projektu. Jsou též vedeni ke zpracování získaných experimentálních dat metodologicky relevantně, stejně tak k jejich interpretaci a následnou prezentaci v různých formách (vystoupení před vědeckou veřejností na odborných fórech, příprava plakátového sdělení i vědeckého článku).

Vzhledem k výjimečně kvalitní infrastruktuře je studentům oboru od počátku studia umožněno využívat široké spektrum metod s různým prostorovým a časovým rozlišením (např. rentgenovou difrakci monokrystalů, nukleární magnetickou resonanci, kryo-elektronovou mikroskopii a tomografii apod.) v rámci čehož získají taktéž praxi ve vyhodnocování a interpretaci naměřených výsledků. Stejně tak studenti získají přehled a praktickou zkušenost z funkčních esejí, často založených na in-vitro studiích využívajících nejrůznější metody molekulární biologie, biochemie a biofyziky a v neposlední řadě se naučí využívat komplementární teoretické informace získané výpočetními metodami chemoinformatiky a bioinformatiky.

Úspěšný absolvent je schopen

  • disponovat hlubokými teoretickými znalostmi z oblasti funkční a vývojové biologie a je si vědom všech aspektů i aktuálních trendů v dané oblasti;
  • samostatně navrhovat a řešit významné vědecké projekty z různých oblastí Life Sciences;
  • zvládat celou škálu laboratorních metod, stejně jako technik instrumentální analýzy biologických vzorků;
  • plánovat rozsáhlé činnosti tvůrčí povahy a získávat a plánovat zdroje pro jejich uskutečnění;
  • navrhovat a standardně používat pokročilé výzkumné postupy s využitím širokého spektra metod s různým prostorovým a časovým rozlišením - rentgenové difrakce monokrystalů, nukleární magnetické resonance, kryo-elektronové mikroskopie a tomografie atd.;
  • vyhodnocovat a interpretovat výsledky naměřené nejrůznějšími metodami molekulární biologie, biochemie a biofyziky, a vyvozovat argumentačně podložené závěry ze svých poznatků;
  • využívat moderních informačních technologií k získávání a zpracování vědeckých informací ze světových elektronických databází, ke sběru a zpracování dat v on-line zapojení přístrojů, k testování validity modelů;
  • zapojit se do mezinárodních výzkumných týmů v oblasti Life Sciences;
  • vlastní poznatky v anglickém jazyce nejen sepsat ve formě vědeckého článku, ale také úspěšně prezentovat a diskutovat s vědeckými kapacitami po celém světě.

Další informace

Detailní informace ke studiu na MU i detailní informace k tomuto oboru jsou k dispozici zde

http://ls-phd.ceitec.cz/

https://www.sci.muni.cz/student/phd/doporuceny-pruchod-studiem

Uplatnění absolventů

Absolventi oboru Strukturní biologie, oboru velice moderního, mají široké pole uplatnění v různých oblastech biomedicínsky a biotechnologicky orientovaných firem a v případě základního výzkumu v akademických institucích. Protože znalosti o prostorovém uspořádání biomolekul, jejich chování a funkci v živém systému jsou podkladem k definování jejich úloh ve fyziologických stejně jako patologických procesech v živých organizmech, jsou středem zájmu výzkumu v mnoha světově významných vědeckých týmech. Inovativní přístup k výuce, společně s vysoce kvalifikovaným a současným kurikulem studijního oboru, vytvořil nejlepší předpoklad pro bezproblémové zapojení absolventů do významných mezinárodních výzkumných týmů.

Přijímací zkouška

Požadavky jsou podrobně uvedeny na http://ls-phd.ceitec.cz/information-for-applicants/ Přijímací řízení probíhá dvoukolově. První kolo je založeno na posouzení dodaných materiálů - pouze kompletní přihlášky včetně všech povinných příloh jsou akceptovány a přezkoumány. Uchazeči, kteří postoupí do druhého kola, jsou pozváni k přijímacímu pohovoru se členy komise.

Kritéria hodnocení

Znalosti v oblasti věd o živé přírodě, motivace k výzkumu a studiu, komunikace v angličtině, dodané materiály a celkový dojem.

Výzkumná zaměření dizertačních prací

Characterization of biomolecules in living cells using NMR spectroscopy

Školitel: doc. Mgr. Lukáš Trantírek, Ph.D.

“Most knowledge of protein structure and function is derived from experiments performed with purified protein resuspended in dilute, buffered solutions. However, proteins function in the crowded, complex cellular environment. The evidence demonstrates that protein behaviour in isolated solutions deviates from behaviour in the physiological environment.“

The candidate task will be to elucidate protein structure, dynamics, and interactions in the intracellular environment of living human cells using state-of-the-art in-cell NMR spectroscopy. The research focuses at quantitative assessment of the protein behaviour under various cellular states (e.g., in individual phases of the cell cycle, senescence, apoptosis, …). The project aims at development of general methodology allowing the early assessment of drug potency under physiologically relevant conditions.

Experience in following areas will be considered:

  • Biomolecular NMR spectroscopy
  • Mammalian cell culture manipulations
  • DNA cloning; protein production and purification
  • Organoid culture methods

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact Lukáš Trantírek (lukas.trantirek@ceitec.muni.cz) for informal discussion.

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

https://www.ceitec.eu/non-coding-genome-lukas-trantirek

Interaction Protein-Protein and Protein-Membrane

Školitel: doc. RNDr. Robert Vácha, PhD.

EXAMPLES OF POTENTIAL PHD TOPICS:

  • Association of proteins in phospholipid membranes
A large fraction of membrane proteins form oligomers. These include receptors, ion channels, and fusion proteins, which association and dissociation control essential cellular processes. In the past, the membrane was viewed as a passive environment in which the association takes place. Now we know that membrane lipids can play an active role in determining the change of the oligomerization state. However, the interplay between the lipids and protein oligomerization state remains poorly understood. The goal of the PhD project is to calculate the association of selected membrane proteins in environments of various lipid compositions and determine the key features controlling the oligomerization state. We will do so by Molecular dynamics simulations with free energy calculations.
  • Selectivity of translocation across lipid membranes
We have shown that a specific class of transmembrane proteins, called scramblases, can facilitate not only spontaneous flip-flop of lipids but also a translocation of other amphiphilic molecules across cellular membranes. However, we miss information about the selectivity of this transport. The goal of the PhD project is to determine specificity of scramblase activity and obtain a molecular understanding of the selectivity. The main tool will be Molecular dynamics simulations with free energy calculations.

Candidates should have experience with simulations of membranes and proteins or free energy calculations

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact the supervisor and phd@ceitec.muni.cz

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

http://vacha.ceitec.cz/jobs-openings/

RNA as a drug target

Školitel: Mgr. PharmDr. Peter Lukavsky, Dr. rer. nat.

RNA is an attractive drug target with enormous potential for future treatment of systemic and cancer-related pathologies. Yet, most of the currently applied and developed small molecule therapeutics for cancer and systemic diseases target proteins. Interestingly, from 20000 human protein-coding genes (1.5% of the human genome) only 2000-3000 genes are considered to be disease-related. In this context, small molecule drug therapies target less than 700 genes which represents less than 0.05% of the genome. While the portion of protein-coding information in the genome is minor, the ENCODE consortium has proposed that more than 75% of our genome is transcribed into RNAs. This also includes large non-coding regions of mRNAs, namely 3’UTRs which contain many regulatory elements important for spatio-temporal regulation of gene expression, such as translational control, RNA transport and localization and mRNA decay. We propose to target non-coding mRNA elements with small molecules to alter gene expression. We will focus on cancer-related genes, where protein targets often lack druggable elements and therefore targeting them on the mRNA level is an attractive alternative. Our research aims to identify functional mRNA motifs that can bind small molecules and to reveal common small molecule scaffolds which interact with similar 3D RNA structures and thus form a basis for rational lead optimization.

We are looking for highly motivated PhD candidates with background in biochemistry and biophysics who share our fascination for RNAs regulating gene expression.

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact the supervisor and phd@ceitec.muni.cz

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

https://www.ceitec.eu/rna-based-regulation-of-gene-expression-peter-lukavsky

Simultánní transkripce a translace genu

Školitel: Mgr. Gabriel Demo, Ph.D.

OBJECTIVES: The research aims to unravel the fundamental mechanism of the transcription-translation coupling in bacteria and virus infected mammalian cells. These studies will significantly advance the current understanding how the ribosome closely trails the RNA polymerase (RNAP), thus promoting pause-free transcription, mRNA quality and efficient gene expression.

FOCUS: Doctoral research projects focus on the mechanistic details and functional outcomes of coupled transcription-translation in bacteria. Students benefit from the shared cutting-edge core facilities of CEITEC that include (i) X-ray crystallography – crystallization robot Mosquito, Rigaku crystal hotel and diffraction system, (ii) cryo-EM equipment - Versa 3D dual beam microscope, Titan Krios and F20 electron microscopes (iii) High-field NMR systems, and (iv) biomolecular interactions equipment - confocal microscopes, near-field optical microscope (SNOM), surface plasmon resonance, microcalorimetric equipment.

EXAMPLES of potential student doctoral projects:

  • Determination of structural mechanism of coupled viral transcription and host translation in virus infected mammalian cells
  • Structal studies of various states of direct and bridged transcription-translation coupling in vitro and in vivo

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact Gabriel Demo (gabriel.demo@ceitec.muni.cz) for informal discussion.

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

https://www.ceitec.eu/structural-biology-of-coupled-transcription-translation-gabriel-demo

Structural Analysis of Proteins

Školitel: RNDr. Mgr. Jozef Hritz, Ph.D.

EXAMPLES OF POTENTIAL PHD TOPICS:

1. Structural characterization of hybrid proteins involved in neurodegenerative diseases

The hybrid proteins contains both structured and disordered regions of considerable lengths. Disordered region is often involved in the regulation of their enzymatic activity. The aim of this PhD project will be structural characterization of disordered region within the selected hybrid proteins having medicinal relevance. The structural properties will be studied by combination of solution NMR spectroscopy and computational simulations. Finally, the impact of phosphorylation on the interaction with client proteins will be evaluated by biophysical interaction techniques.

2. Structural properties of human carbonic anhydrase IX and design of its inhibitors

Carbonic anhydrase (CA) IX is cellular surface protein that in contrast to another isoforms in healthy condition is present mostly in gastrointestinal tract. However, it is highly upregulated in the cancer cells adapting to the extracellular environment while maintaining physiological conditions inside the cancer cell. The main aim of this PhD project is to characterize structural changes of CA-IX reflecting pH changes by NMR spectroscopy. It will also involve a computational design of inhibitors of CA-IX. Finally, their binding affinity will be experimentally verified by biophysical interaction methods.

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact the supervisor and phd@ceitec.muni.cz

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

https://www.ceitec.eu/protein-structure-and-dynamics-lukas-zidek

Structural Biology of WNT Signalling

Školitel: Konstantinos Tripsianes, Ph.D.

We apply structural biology methods in order to gain a mechanistic view of CK1Epsilon action in the Wnt signaling pathways. CK1Epsilon represents an attractive therapeutic target but currently two key steps in the CK1Epsilon-mediated Wnt signal transduction are unclear: how CK1Epsilon gets activated and/or engages target proteins in response to Wnt signal and how CK1Epsilon phosphorylates its key substrate Dishevelled (DVL).

Our preliminary data suggest that we can efficiently apply methods of integrated structural biology to (i) probe the DVL conformational landscape using in vitro and in vivo FRET sensors coupled to SAXS and CryoEM, (ii) understand the (auto)phosphorylation regulatory mechanisms of CK1Epsilon, (iii) analyse by NMR the functional consequences of DVL phosphorylation and (iv) monitor DVL phosphorylation by real-time NMR under controlled cellular conditions. The position is part of a multidisciplinary project that combines (i) cellular and molecular biology, (ii) proteomic analysis, (iii) biochemistry and structural biology, and received generous funding in a very competitive grant scheme.

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact the supervisor and phd@ceitec.muni.cz

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

https://www.ceitec.eu/protein-dna-interactions-konstantinos-tripsianes

Structural Virology

Školitel: doc. Mgr. Pavel Plevka, Ph.D.

When Staphylococcus aureus cells form a biofilm in the human body they become shielded from the immune system and highly resistant to antibiotics. Current therapeutic options against biofilms are limited to the long-term application of a combination of several antibiotics in high doses or the surgical removal of infected tissues.

Viruses from the Enterovirus genus belong to the family Picornaviridae of human and vertebrate pathogens. Diseases caused by enteroviruses range from upper and lower respiratory tract infections to life-threatening encephalitis. Rhinoviruses are responsible for 40% of the common cold cases that result in yearly cost of tens of billions of US$ in treatments and lost working hours worldwide.

EXAMPLES OF POTENTIAL PHD TOPICS:

  • Structural and time-resolved studies of phage replication in bacterial biofilm
  • Structural study of enterovirus replication in vivo

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact the supervisor and phd@ceitec.muni.cz

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

http://plevkalab.ceitec.cz/jobs/

Structure of Biosystems and Molecular Materials

Školitel: prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D.

The novel forms of nucleotide moieties will be incorporated in silico in oligomers with sequences relevant for biosystems. The biocompatibility of artificial building blocks will be evaluated using advanced methods of quantum chemistry that provide also analytical tools for investigation of crucial noncovalent interactions. Available candidates of modified nucleobases and sugars will be studied experimentally by using NMR spectroscopy in solution.

The project is focused on detailed structural characterization of short purine oligonucleotides clipped by proper sequential motifs that induce parallel orientation of DNA strands. For this purpose, NMR experiments combined with MD simulations will be employed. The effect of modifications of selected nucleotides on the structural properties of designed models will be investigated to gain deeper understanding of key noncovalent interactions that contribute to the folding of such systems.

EXAMPLES OF POTENTIAL PHD TOPICS:

  • Designing modified DNA fragments
  • Structure of parallel forms of nucleic acids studied by NMR spectroscopy and molecular modelling

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact the supervisor and phd@ceitec.muni.cz

MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

https://www.ceitec.eu/structure-of-biosystems-and-molecular-materials-radek-marek

Studium strukturní podstaty regulace RNA proteinem hnRNP C

Školitel: Mgr. Jiří Nováček, Ph.D.

The heterogeneous nuclear ribonucleoprotein C1/C2 (hnRNP C) is a nuclear localized RNA regulatory factor. The hnRNP C tetramer is known to package newly transcribed RNA and act as a molecular rules which binds unstructured RNA regions longer than 230 bases and determines different export pathways for long and short RNA transcripts. In addition, hnRNP C is also a major component of the 40S hnRNP core particle. The aim of this project is the structural characterization of the hnRNP C related complexes. The student will first study the structure of the hnRNP C tetramer by means of cryo-electron microscopy (cryo-EM), investigate the conditions for preparation of hnRNP C fibrils, optimize the preparation of the 40S hnRNP particle for structural characterization by cryo-EM, and work towards visualization of the 40S particle in situ.
The student will master number of diverse methodological approaches such as protein expression in bacterial and eukaryotic expression systém, protein purification, cryo-EM data acquisition and analysis, cryo-focused ion beam micromachininng, and correlative light and electron microscopy workflow. She/He will have the opportunity to present the results at prestigious interenational conferences.

Requirements on candidates:
Highly motivated and independent student with a strong drive, who ideally holds Master degree in Biophysics of Molecular Biology and has experience in production of protein samples for Structural Biology research. Earlier experience with cryo-EM is a bonus but is not required.

PLEASE NOTE: before initiating the formal application process to doctoral studies, all interested candidates are required to contact the supervisor and phd@ceitec.muni.cz
MORE INFORMATION: http://ls-phd.ceitec.cz/http-ls-phd-ceitec-cz

Informace o studiu

Zajišťuje Přírodovědecká fakulta
Typ studia Doktorský
Forma prezenční ano
kombinovaná ne
Doba studia 4 roky
Vyučovací jazyk Čeština

Používáte starou verzi internetového prohlížeče. Doporučujeme aktualizovat Váš prohlížeč na nejnovější verzi.