Biofizyka w nanoskali

Biofizyka w nanoskali – obejmuje następujące obszary badawcze: biofizykę, interdyscyplinarne zastosowanie informatyki, biotechnologię i mikrobiologię, nanotechnologię i nanonaukę, jak również fizykę atomową, molekularną i chemią fizyczną.

Kierownik zespołu – dr hab. Karolina Mikulska-Rumińska, prof. UMK

Działalność naukowa pola badawczego „Biofizyka w nanoskali” koncentruje się na badaniach dotyczących interdyscyplinarnej biofizyki na poziomie molekularnym i obejmuje trzy zazębiające się kierunki  badań  obejmujące:

• Rozwój metod obliczeniowych i zaawansowanej analizy danych – Celem projektu jest opracowywanie  nowych teorii i metod, jak również analiza danych związanych z biofizyką obliczeniową. Jednym z badanych zagadnień będzie określanie ścieżek dyfuzji niewielkich molekuł, tj. ligandów, w układach biofizycznych przy pomocy wzmocnionego próbkowania wykorzystującego uczenie maszynowe. Celem jest zaobserwowanie przejść energetycznych w znacznie krótszej skali czasowej niż to możliwe w klasycznym podejściu. Metoda ta jest rozwijana przez członków zespołu, a najnowsze implementacje komputerowe są ogólnodostępne dla innych badaczy poprzez pakiet PLUMED. Inne badania dotyczyć będą zaawansowanej analizy danych z eksperymentów spektroskopii nieradiacyjnego przeniesienia energii FRET czy rozwój nowych metod związanych z modelowaniem dynamiki układów biologicznych.
• Wykorzystanie metod molekularnej biofizyki obliczeniowej do badań biomedycznych i biotechnologicznych – Te badania obejmują dwa nurty. Celem pierwszego jest zastosowanie metod biofizyki obliczeniowej i bioinformatyki do oceny roli różnych typów bioaktywnych lipidów oraz ich wzajemnych relacji względem białek kluczowych w procesach regulowanej śmierci komórki, m.in. w apoptozie  (cytochrom) i ferroptozie (lipooksygenaza). Drugi nurt będzie skupiał się na badaniu enzymów bakteryjnych wykorzystywanych w biotechnologicznym przetwarzaniu substancji chemicznych, składników kosmetyków oraz dodatków do żywności. Metody biofizyki obliczeniowej posłużą do ulepszania  takich właściwości enzymów jak: aktywność, termostabilność oraz selektywność. Obie tematyki obejmują silną współpracę z grupami eksperymentalnymi (USA, Chiny). Synergia badań teoretycznych prowadzonych na UMK oraz doświadczeń prowadzonych w innych laboratoriach pozwoli lepiej zrozumieć molekularne podstawy procesów zachodzące w organizmach żywych w nanoskali.
• Eksperymenty biofizyczne  i biochemiczne dla pojedynczych biomolekuł i wybranych komórek – w badaniach wykorzystane zostaną dostępne nam mikroskopy sił atomowych do obrazowania i badań nanomechaniki białek ważnych w układzie nerwowym. Rozszerzony zostanie zakres pomiarowy małych sił dla pojedynczych molekuł w obszar poniżej 100 pN, poprzez budowę nowego przyrządu opartego na idei szczypiec magnetycznych Opracowane będą nowe biomateriały na bazie tlenku grafenu i asparaginazy – enzymu o potencjalnym zastosowaniu w terapii nowotworów. Tematyka obszaru (iii) związana jest też z nowymi sensorami. Będziemy badać doświadczalnie i teoretycznie (modelowanie komputerowe – dokowanie i symulacje dynamiki) receptory purinergiczne (P2X7) jak i ich oddziaływania z ligandami oraz z czynnikami mitotycznymi (neuroligina 3). Ważnym z praktycznego punktu widzenia aspektem badań biofizycznych w tym obszarze będzie głębsze poznanie receptorów muskarynowych i kanałów sodowych owadów. Szukane będą substancja neuroaktywne, które mogą pomóc zwalczać malarię. Wykorzystane zostaną zaawansowane metody elektrofizjologiczne i obliczeniowe. Planujemy współpracę z ekspertami z Francji i USA.

Badania prowadzone w ramach pola badawczego „Biofizyka w nanoskali” mają charakter silnie interdyscyplinarny. Dzięki planowanym pracom powstaną nowe metody obliczeniowe oraz nowe metody analizy danych (obliczeniowych i eksperymentalnych). Metody biofizyki obliczeniowej pozwolą wyjaśnić molekularne mechanizmy ważnych procesów biofizycznych zachodzących z udziałem ligandów małocząsteczkowych. Badania mogą przyczynić się do opracowania leków na choroby związane z regulowaną śmiercią komórek i do lepszych narzędzi biotechnologicznych (pojawią się ulepszone techniki uzyskiwania naturalnych słodzików i przeciwutleniaczy). Dodatkowo, badania eksperymentalne, wspierane modelowaniem, dadzą wgląd w działanie receptorów błonowych ważnych w procesach nerwowych i rozwoju nowotworów. Mamy nadzieję na opracowanie nowych typów biosensorów.

W ramach pola badawczego przewidziana jest ścisła współpraca między naukowcami z Wydziału Fizyki, Astronomii oraz Informatyki Stosowanej, Wydziału Biologii i Nauk Weterynaryjnych oraz z Wydziału Chemii reprezentujących odpowiednio takie dyscypliny naukowe jak: nauki fizyczne, nauki chemiczne, nauki biologiczne oraz nauki techniczne (informatyka).

Zespół naukowy pracujący w ramach wyłaniającego się pola badawczego „Biofizyka w nanoskali” współpracuje z ośrodkami zagranicznymi, m.in., z USA, Chin, Australii, Brazylii czy z Europy (Francja, Finlandia). Planowane jest dalsze poszerzanie współpracy na inne ośrodki naukowe   (m.in. z Japonii i  Holandii).

Dr Karolina Mikulska-Rumińska – Jest pracownikiem Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej (WFAiIS) UMK. Urodziła się w 1985 roku w Toruniu. W 2009 roku ukończyła fizykę ze specjalnością medyczną na WFAiIS UMK oraz rozpoczęła studia doktoranckie w ówczesnym Zakładzie Biofizyki i Fizyki Medycznej. W 2014 roku, będąc wśród 5% najlepszych studentów, obroniła z wyróżnieniem rozprawę doktorską z biofizyki pt. „Wykorzystanie metod symulacji komputerowych do interpretacji wyników spektroskopii sił pojedynczych biomolekuł” napisaną pod kierunkiem prof. dr. hab. Wiesława Nowaka. Odbyła dwa międzynarodowe staże naukowe: (i) na École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) w Szwajcarii w grupie Prof. G. Dietlera (6 miesięcy) oraz (ii) staż podoktorski w School of Medicine na Uniwersytecie w Pittsburghu (USA, 2.5 roku) w grupie Prof. I. Bahar. Brała udział w >10 grantach (m.in. Narodowego Centrum Nauki (NCN), Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego (MNiSW) czy National Institutes of Health (NIH)), w tym w ośmiu jako kierownik/beneficjent. Uzyskała granty Narodowego Centrum Nauki PRELUDIUM3 oraz SONATA15. Ponadto, odbyła również staż naukowy w firmie farmaceutycznej ADAMED (Polska) oraz była odpowiedzialna jako Project Manager za część obliczeniową grantu uzyskanego od firmy farmaceutycznej Shire (USA). Jest beneficjentką >10 stypendiów, m.in. zeszłorocznej edycji L’Oréal-UNESCO Dla Kobiet i Nauki w kategorii habilitacyjnej (3 kobiety rocznie w Polsce), międzynarodowego stypendium Sciex-NMS^ch, stypendium Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego dla doktorantów czy Stypendium Marszałka. W 2022 była beneficjentką prestiżowej, międzynarodowej nagrody L’Oréal-UNESCO International Rising Talents 2022, przyznawanej corocznie piętnastu „wschodzącym talentom” nauki – kobietom, których badania mogą zmienić świat.  Do tej pory w ciągu 20 lat wyróżnienie to otrzymały  tylko cztery Polki. Wyniki swoich badań prezentowała na ponad 30 konferencjach krajowych i międzynarodowych m.in. na referatach w USA, Hiszpanii czy w Niemczech. Ostatnie 6 lat poświęciła na intensywne badanie procesu ferroptozy występującego m.in. w chorobach neurodegeneracyjnych, nowotworach, astmie oraz w sepsie. Jej publikacje zawierające przełomowe odkrycia nad zjawiskiem ferroptozy, zostały opublikowane m.in. w Cell czy Nature Chemical Biology, są szeroko cytowane na całym świecie. Oprócz intensywnie zgłębianego procesu ferroptozy dr Mikulska-Rumińska bierze udział w kilku innych projektach naukowych m.in. tworzy nowe narzędzia komputerowe dostępne w programie ProDy (> 2,3 mln pobrań) służącym do kompleksowej analizy sekwencji, struktur białkowych i wyników symulacji komputerowych. Narzędzia te są szeroko stosowane przez środowisko naukowe. W 2021 roku została ona ujęta na liście stu najbardziej inspirujących Polek roku 2021 wg „Forbes Women”, a w 2022 roku otrzymała wyróżnienie „Rzeczypospolitej Cyfrowej” (od dziennika „Rzeczypospolita”) za wkład w polską transformację cyfrową i wdrażanie nowych technologii.