Cukry v našom tele. Ako sa dajú využiť? Ján TKÁČ Oddelenie Glykobiotechnológie Chemický ústav SAV

Cukry v našom tele. Ako sa dajú využiť? Ján TKÁČ Oddelenie Glykobiotechnológie Chemický ústav SAV

Obsah Biobatérie Cukry na priamu výrobu elektrickej energie Projekt ELENA Electrochemical LEctin and glycan biochips integrated with Nanostructures Analýza komplexných cukrov a príprava sladkých biočipov Projekt PROSENSE Cancer Diagnosis: Parallel Sensing of Prostate Cancer Biomarkers Analýza komplexných cukrov rakovina prostaty

Chemický ústav SAV Centrum glykomiky

Chemický ústav SAV Centrum glykomiky Vznik v roku 1953 Chémia a biochémia sacharidov: Syntéza/štruktúra biologicky dôležitých mono/oligo-sacharidov a ich derivátov Štruktúra a funkčné vlastnosti polysacharidov, ich derivátov a konjugátov s polymérmi Štruktúra, funkcia a mechanizmus účinku glykanáz Vývoj fyzikálnochemických metód analýzy štruktúry sacharidov Využitie nanotechnológií v analýze komplexných sacharidov Izolácie prírodných látok a prípravy sacharidov a ich derivátov pre komerčné účely Ústav produkuje a dodáva prostredníctvom Realizačného oddelenia široký sortiment vzácnych sacharidov, niektoré ako jediný na svete.

Žijeme La dolce vita ( Sladký život )? Obr. 1: Poster k filmu: http://en.wikipedia.org/wiki/la_dolce_vita Cukry: Zdroj energie (glukóza a fruktóza) Stavebné prvky (celulóza a chitín) Zásoba (škrob a glykogén) Glykoproteíny, glykolipidy DNA: 25 000 génov Proteíny:? Glykoproteíny/glykolipidy: 1 milión

Nanomateriály Obr. 2: Nano: http://inl.int/what-is-nanotechnology-2 Obr. 3: Nanomateriály: Adv. Drug Deliv. Rev. 2012, 64, 1663

Biobatérie Ing. Jaroslav Filip, PhD.

Spaľovanie v prírode - dýchanie Obr. 4: Bunkové dýchanie, http://www.hyperbaric-oxygen-info.com/aerobic-cellular-respiration.html.

Dýchanie na elektródach - biobatérie Obr. 5: Schéma biopalivového článku.

Biobatérie vs. palivové články Biobatérie Palivové články širšia paleta biopalív využitie aj odpadov integrácia biokatalyzátorov izbová teplota možná miniaturizácia nízky prúd a výkon nie sú komercionalizované limitované palivá (CH3OH, H2) čistené palivá (ppm úroveň) integrácia katalyzátorov (Pt, Pd...) vyššie teploty (> 50 C) problematická miniaturizácia vysoké prúdy a výkon komerčná (autá, elektronika)

Biobatérie - limity a možné riešenia Problémy Riešenia? nízke prúdy a výkon jeden typ biopaliva priama elektrónová komunikácia 3-D matrix nešpecifické enzýmy/bunky nanomateriály nízka operačná stabilita Obr. 6: Integrácia biokatalyzátorov, biopolymérov a nanomateriálov bezmembránové biobatérie.

Biobatérie ako ich pripraviť? C nanočastice (KB) Au nanočastice Grafén (rgo) Uhlíkové nanorúrky (CNTs) Obr. 7: Schématické znázornenie nanomateriálov a SEM pripravených nanokompozitov.

Biobatérie u nás Obr. 8: Enzýmová biobatéria na báze polylaktidu a KB s charakteristikou a práca v jednej kvapke (40 ml).

I [ma cm -2 ] PI [mw cm -2 ] Väčšie enzýmové biobatérie 250 60 200 40 150 20 100 0 50 0.0 0.2 0.4 0.6 E [V] Obr. 9: Enzýmová biobatéria pripravená na uhlíkovom papieri a jej charakteristiky.

Možné aplikácie biobatérií Obr. 10: Rôzne možné aplikácie biobatérií (zdroj internet).

Reálne aplikácie biobatérií Obr. 11: Napájanie autíčka biobatériou - Energy Environ. Sci., 2009, 2, 133.

Glykány a ich analýza Ing. Tomáš Bertók, Ing. Ľudmila Kluková

Sladký život? 7 000 glykánov 70-80% proteínov je glykozylovaných Obr. 12: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/nbk1908 Science 2001, 291, 2370, http://www.cdgs.com/_about.html

Syntéza glykánov Obr. 13: Účasť enzýmov pri syntéze glykánov. Science 2013, 341, 379.

Lektíny Proteíny rozpoznávajúce glykány Obr. 14: Štruktúra glykánov a lektínov.

Úloha glykánov Patológia vs. fyziológia Infekcia vírusmi (napr. H1N5) Krvné skupiny Obr. 15: Glykány vo fyziológii: Biologia 64 (2009) 1 a patológii: N. Engl. J. Med. 353 (2005) 1363

Sľubné výsledky Obr. 16 Povrch vírusu - Science 338 (2012) 321; neutralizujúca protilátka - Nature 489 (2012) 526; inhibítor neuramidázy Science 340 (2013) 71; terapeutické protilátky - mabs 4 (2012) 419

Analýza glykánov Hľadanie ihly v kope sena? Obr. 17: Možnosti analýzy glykánov: Pediatr. Therapeut. S3 (2012) 003

Využitie biočipov? Skutočne tieto? Obr. 18: Biočipy: http://www.herbolariosonline.es/es/34-biochips-con-amaranto-75g.html

Využitie biočipov? Skutočne tieto! Obr. 19: Biočipy: Skupina Prof. Ingebrandta

Imobilizácia: kontrola v nanoškále 2-D vs. 3-D imobilizácia Obr. 20: Imobilizácia lektínov

R ct [ ] Vlastnosti E-biočipov 2-D vs. 3-D imobilizácia 6000 2-D biosensor 3-D biosensor 4000 2000 2-D E-biočipy 3-D E-biočipy 0 am fm pm nm c [M] DL: 0.3 fm (FET), 0.5 fm (ASF) LR: 7 poriadkov Nešpecificita: 24% DL: 0.5 am (FET), 0.8 fm (ASF) LR: 7 poriadkov Nešpecificita: 23% Obr. 21: Porovnanie vlastností E-biočipov

2-D betaínové E-biočipy Analýza reumatoidnej artritídy (RA) 2.42 µm 1.21 µm 4.01 nm 0 nm 2.42 µm Con A betaínový E-biochip 1.21 µm 0 µm 0 µm DL: 1 fm (INV), 1 am (INV sandwich) LR: 8 poriadkov Nešpecificita: 6% Obr. 22: Ruky pacienta s RA, štruktúra betaínu, zmeny glykánov RA, zlatá a lektínom modifikovaná elektróda

R ct [ ] R ct [ ] R ct [ ] R ct [k ] Fluorescence E-biočipy vs. F-biočipy Analýza RA vzoriek 60000 50000 40000 E-biochip E-biochip F-biochip F-biochip 200 150 30000 100 20000 10000 50 0 1E-16 1E-14 1E-12 1E-10 1E-8 1E-6 c [M] 0 70000 60000 healthy RA RCA 70000 60000 healthy RA Con A 120000 100000 healthy RA SNA 50000 40000 30000 50000 40000 30000 80000 60000 20000 20000 40000 10000 10000 20000 0 4 9 11 27 32 36 0 4 9 11 27 32 36 0 4 9 11 27 32 36 Obr. 23: Porovnanie F-biočipov s E-biočipmi a analýza RA vzoriek

Množstvá proteínov v krvi vs. biočipy Obr. 24: Porovanie aplikovateľnosti biočipov v analýze proteínov v krvi

Možnosti prípravy a využitia grafénu Nobelova cena za fyziku 2010: A. Geim a K. Novoselov Obr. 25: Rozličná morfológia s akou sa dá grafén pripraviť vo forme SEM obrázkov.

Glykánové sladké biočipy Ing. András Hushegyi

Glykánové biočipy Obr. 26: Príprava glykánových biočipov napodobňovanie glykánov na povrchu bunky analýza vírusov.

Analýza rôznych foriem rakoviny Ing. Dominika Pihíková, Ing. Štefan Belický

Projekt PROSENSE PSA 3QUM PSMA 1Z8L Hgb 4F4O Protein Lectin PSA PSA-Ab SAM Au Obr. 27: Biomarkery rakoviny prostaty aplikovateľné v bioanalýze.

Ďalšie typy rakoviny Biomarkery rakoviny Int. J. Proteomics 2011, ID 601937, 10p.

Cukry v našom tele. Ako sa dajú využiť? Poďakovanie Biobatérie: Jaroslav Filip, Jana Šefčovičová, Marek Bučko, Alica Vikartovská, Peter Gemeiner Lektínové biosenzory: Tomáš Bertók, Danica Mislovičová, Miťa Kluková, Dominika Pihíková, Štefan Belický Jaroslav Katrlík, Alena Šedivá, Dana Žišková Glykánové biočipy András Hushegyi UPo P. Kasák, M. Omastová, M. Mičušík FChPT P. Gemeiner, M. Mikula UMMS M. Nosko UEE R. Imrich, M. Vlček Výskum bol/je financovaný: Nórske fondy: SAV-FM EHP-2008-04-04 VEGA 2/0127/10 ŠF: Centrum pre Materiály, vrstvy a systémy pre Aplikácie a ChemIcké procesy v extrémnych podmienkach - EtapaI/II, na základe podpory operačného programu Výskum a vývoj financovaného z Európskeho fondu regionálneho rozvoja. APVV-0282-11 ITN Nr. 317 420 ERC Nr. 311 532

Biobatérie vs. ostatné zariadenia Možné aplikácie BFCs: implantovateľné zariadenia prenosná elektronika kozmické stanice (odpad) kontrola balíkov monitorovanie oceánov Obr. S1: Progres biobatérií a porovnanie s inými zariadeniami - Energy Environ. Sci., 2008, 1, 417.

Spaľovanie na elektródach - biobatérie Obr. S2: Biobatéria s FDH (bioanóda) a BOD (biokatóda).