Microbiology

Rostoucí incidence bakterií rezistentních k antimikrobiálním látkám a jejich celosvětové šíření představují jedny z předních hrozeb současné medicíny a způsobují závažné komplikace v terapii infekčních onemocnění. Nárůst rezistence je sledován také u patogenních kmenů enterobakterií, které vyvolávají různé infekce člověka i zvířat. Genomika a celogenomové sekvenování (WGS) výrazně posouvají současné poznání v mikrobiologii a staly se důležitými přístupy pro pochopení rysů a vlastností bakterií rezistentních k antibiotikům. Současné WGS technologie však také přinášejí nové výzvy v analýze sekvenačních dat z důvodu obrovské komplexnosti, plasticity a diverzity bakteriálních genomů. Cílem této dizertační práce je práce s daty ze sekvenování nové generace (Illumina, Oxford Nanopore), která zahrnuje především návrh a použití in silico metod pro bioinformatické zpracování WGS dat.

Increasing incidence of bacteria resistant to antimicrobial agents and their global spread is one of the most important threats to current medicine, causing serious difficulties in the therapy of infectious diseases. Growing resistance has been documented also in pathogenic strains of enterobacteria that cause various infections in humans and animals. Genomics and whole genome sequencing (WGS) have the capacity to greatly enhance our knowledge in microbiology and they have become an important approach in our understanding of traits and specific features of antibiotic resistant bacteria. However, current WGS technologies also pose new challenges for sequence analysis due to the enormous complexity, plasticity and diversity of bacterial genomes. The aim of the PhD study will be to work with data from NGS systems (Illumina, Oxford Nanopore), to design and apply in silico methods for bioinformatics processing of WGS data.

Školitel

doc. RNDr. Monika Dolejská, Ph.D.

Bacteria are natural biocatalysts in many biological processes. Due to their rapid growth and abundance of metabolic pathways, they are involved, among others, in biomass degradation and mineralization. Waste plant biomass and especially its indigestible component, lignocellulose, is an attractive renewable source of carbon and energy for modern biotechnological processes. The sugars and aromatics contained in lignocellulose can serve as substrates for suitable robust microorganisms, natural or genetically modified, which can convert them into desired chemicals (e.g. biofuels or biomaterials). However, the degradation of the polymeric components of biomass - cellulose, hemicellulose and lignin - into oligomers and monomers of carbohydrates and aromatics is complicated, as is the subsequent biotechnological conversion of the mixture of diverse substrates into desired products. In nature, these steps are carried out by microbial communities. Science is trying to study, mimic and eventually exploit their functioning for the biotechnological processing of lignocellulosic polymers, which should be more efficient when catalyzed by consortia then when individual micro-organisms are used.
The aim of this project is the preparation and characterization of artificial bacterial consortia prepared using genetic engineering and synthetic biology techniques available in our Microbial Bioengineering Laboratory. The prepared consortia will allow the degradation of lignocellulosic polymers or the utilization of the resulting sugars and aromatics for the biosynthesis of cellular biomass and attractive chemicals. The student will perform a literature search on the topic, participate in the development of a new concept of biotechnological utilization of lignocellulosic polymers, and try to test some hypotheses related to the application of microbial consortia and their comparison with single-cell genetically modified bacterial biocatalysts.

Školitel

doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.

Klíšťová encefalitida představuje závažné, potenciálně smrtelné virové onemocnění člověka. V současné době neexistují zádné možnosti pro postexpoziční profylaxi nebo léčbu tohoto onemocnění. Předkládaná práce se zaměří na vývoj nových monoklonálních protilátek a nanoprotilátek, které by účinně neutralizovaly virus klíšťové encefalitidy. Kromě testování protilátek se budeme věnovat studiu mechanismu neutralizace viru a mechanismům, které jsou zapojené do procesu vzniku rezistence viru vůči neutralizaci protilátkami.

Školitel

prof. RNDr. Daniel Růžek, Ph.D.

Celosvětové rozšíření významných mechanismů rezistence prostřednictvím úspěšných genetických elementů je rostoucím problémem současné medicíny, s obrovským dopadem na zdraví člověka, zvířat a prostředí. Pochopení přenosu a šíření genů rezistence k antibiotikům v bakteriálních populacích je nezbytným předpokladem pro úspěšný boj s rapidně narůstající rezistencí k antibiotikům. Projekt je zaměřen na různé aspekty plazmidů spojených s rezistencí ke kriticky významným antibiotickům izolovaných z různých bakterií a širokého prostředí. Za využití sekvenování nové generace (Illumina, Oxford Nanopore Technologies) a bionformatické analýzy sekvenačních dat bude studována struktura, plasticita a evoluce plazmidů stejně jako jejich potenciál se šířit a udržovat v bakteriálních komunitách. Role přídatných mechanismů a faktorů odpovědných za jejich udržování, šíření a zvyšování fitness bakteriálních hostitelů budou zhodnoceny a uvedeny do kontextu rezistence k antibiotikům. Cílem projektu je přinést nové informace o vlastnostech a rysech rezistentních plazmidů stojících za jejich úspěchem.

The worldwide dissemination of emerging resistance mechanisms via successful genetic elements is growing concern in current medicine, with the huge impact on health of humans, animals and the environment. Understanding how antibiotic resistance genes are mobilized and spread in bacteria is a desirable pre-requisite to combat antibiotic resistance. The project will be focused on various aspects of plasmids associated with resistance to critically important antibiotics isolated from various bacteria and wide sources. New-generation sequencing (Illumina, Oxford Nanopore Technologies Structure) and bioinformatics analysis of sequencing data will be used to study the plasticity and evolution of the resistance plasmids as well as their potential to spread and persist in bacterial communities. The role of additional accessory mechanisms and factors in the plasmid maintenance, transfer and fitness of bacterial hosts will be evaluated along with the resistance to antibiotics. The aim is to bring new knowledge on traits and features of resistance plasmids that are behind their success.

Školitel

doc. RNDr. Monika Dolejská, Ph.D.

Corynebacterium pseudotuberculosis je původcem ekonomicky významného onemocnění ve stádech ovcí a koz označovaného jako kaseózní lymfadenitida nebo pseudotuberkulóza. Náplní dizertační práce bude zjistit schopnost baktérie Corynebacterium pseudotuberculosis přežívat vliv vybraných abiotických faktorů vnějšího prostředí. Těmito abiotickými faktory budou například teplota, UV, vyschnutí nebo vliv dezinfekčních přípravků. Viabilita izolátů bude hodnocena na základě relativního srovnání přeživších buněk po jejich ošetření daným faktorem s buňkami kontrolními (neošetřenými) v čase. Schopnost přežívání bude zjišťována jak kultivačními metodami, tak molekulárně biologickými přístupy.
Školitel: Mgr. Radka Dziedzinská, Ph.D., Výzkumný ústav veterinárního lékařství, v.v.i. dziedzinska@vri.cz

Corynebacterium pseudotuberculosis is the causative agent of an economically significant disease in sheep and goat's herds known as caseous lymphadenitis or pseudotuberculosis. The study will focus on ability of Corynebacterium pseudotuberculosis to survive the influence of selected abiotic environmental factors. These factors will be, for example, temperature, UV, drying out or the effect of disinfectants. The viability will be assessed by relative comparing of the surviving cells after certain treatment with the control (untreated) cells. Survival capacity will be determined by both culture and molecular methods.
Supervisor: Mgr. Radka Dziedzinská, Ph.D., Veterinary Research Institute, Brno, dziedzinska@vri.cz

Školitel

Mgr. Radka Dziedzinská, Ph.D.

Extremofilní mikroorganismy plní nezastupitelnou úlohu v řadě přírodních ekosystémů. Termofilní bakterie nejsou výjimkou. Tyto organismy jsou atraktivní jak z pohledu základního výzkumu buněčné adaptace na vysoké teploty tak pro své potenciální využití v biotechnologiích. Poměrně nedávno bylo zjištěno, že řada termofilních bakterií má schopnost kumulovat intracelulární granula polyhydroxyalkanoátů (PHA) – plně biodegradovatelných mikrobiálních polyesterů, které jsou považovány za, z pohledu praktického využití, nejnadějnější bioplasty. Biotechnologická produkce PHA a dalších atraktivních chemikálií v termofilních bakteriích může nabídnout řadu potenciálních benefitů, např. odolnost procesu ke kontaminaci mezofilními mikroorganismy, rychlejší průběh chemických reakcí či lepší rozpustnost substrátů ve vyšších teplotách. Tvorba PHA v těchto zajímavých hostitelích z různých typů substrátů však není příliš detailně prozkoumána. Limitující je v tomto ohledu mimo jiné nedostatek robustních nástrojů genetického inženýrství a syntetické biologie pro termofilní mikroorganismy. Cílem tohoto doktorského projektu je vývoj těchto nástrojů, které umožní detailnější charakteristiku fyziologie vybraných termofilních bakterií, studium metabolismu různých substrátů (cukrů, aromatických látek apod.) a biosyntézy PHA a případně dalších atraktivních látek. Získané poznatky a vyvinuté nástroje mohou být následně využity například k rozšíření substrátové specifity studovaných termofilních bakterií, nebo ke zvýšení produkce a kvality PHA a mohou přispět k uplatnění těchto organismů v biotechnologiích nové generace.

Extremophilic microorganisms play an indispensable role in many natural ecosystems. Thermophilic bacteria are no exception. These organisms are attractive both for basic research on cellular adaptation to high temperatures as well as for their potential use in biotechnology. Relatively recently, a number of thermophilic bacteria have been found to have the ability to accumulate intracellular granules of polyhydroxyalkanoates (PHAs) - fully biodegradable microbial polyesters that are considered, in terms of practical applications, the most promising bioplastics. The biotechnological production of PHAs and other attractive chemicals in thermophilic bacteria may offer a number of potential benefits, such as process resistance to contamination by mesophilic microorganisms, faster chemical reaction rates, and improved solubility of substrates at higher temperatures. However, the formation of PHAs in these interesting hosts from different types of substrates has not been studied in great detail. A limiting factor in this regard is, among others, the lack of robust genetic engineering and synthetic biology tools for thermophilic microorganisms. The aim of this PhD project is the development of such tools to enable a more detailed characterization of the physiology of selected thermophilic bacteria, the study of the metabolism of different substrates (sugars, aromatics, etc.) and the biosynthesis of PHAs and possibly other attractive compounds. The knowledge gained and the tools developed can subsequently be used, for example, to extend the substrate specificity of the thermophilic bacteria studied or to increase the production and quality of PHAs and may contribute to the application of these organisms in next-generation biotechnologies.

Školitel

doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D.