Laboratoř aplikované biologie

Vědecké zaměření

Biofilmy

Biofilmy lze definovat jako strukturované společenství mikroorganismů kolonizujících pevné abiotické povrchy, tkáně nebo fázová rozhraní, obklopená matrix (EPS, extracelulární polymerní látky) a vykazující významně odlišný fenotyp buněk. Jedná se o nejběžnější formu života mikroorganismů v přírodě. Přítomnost mikroorganismů v biofilmu je výsledkem účelového chování regulovaného na úrovni mezibuněčné komunikace založené na produkci a vnímání signálních molekul. Mikroorganismy žijící v biofilmu mají odlišný fenotyp ve srovnání s planktonní populací. Tento fenotyp je charakteristický zvýšenou odolností vůči toxickým látkám a celkově vůči vnějšímu prostředí, je provázen zvýšenou produkcí extracelulárních polymerních sloučenin, má zcela odlišný proteinový profil a s tím související změny v katabolismu i anabolismu. Schopnost tvorby biofilmu je také projevem virulence patogenních mikroorganismů. Z těchto obecných poznatků o biofilmech vycházíme při řešení následujících konkrétních témat:

• Metodologie přípravy biofilmů různých buněčných typů na různých typech nosičů a v odlišných podmínkách vnějšího prostředí, sledování vlastností vytvořených biofilmů – metabolická aktivita, celková biomasa, EPS, struktura biofilmu etc.
• Studium antibiofilmové aktivity přírodních látek, které zasahují do regulace tvorby biofilmu (interference s přirozenými signálními molekulami), respektive ovlivňují stabilitu biofilmové matrice. Využití těchto poznatků k potlačení mikrobiální kolonizace nástrojů či implantátů používaných v medicíně.
• Studium produkce faktorů virulence biofilmových i suspenzních populací, hledání možností zabránění jejich produkce pomocí přírodních látek.
• Studium vztahů mezi přítomností a koncentrací specifických signálních molekul (zejména acyl-homoserinových laktonů) a tvorbou a stabilitou bakteriálních biofilmů.
• Studium zvýšené rezistence biofilmových populací umožňujících účinný rozklad toxických látek v životním prostředí.

Interakce nanočástic a mikroorganismů

Nanočástice, díky své velikosti, disponují fyzikálně-chemickými vlastnostmi, kterými se liší od příslušných makroskopických analogů. Velikost částic v rozmezí od 1 do 100 nm umožňuje relativně snadný průnik buněčnými membránami do cytosolu, kde mohou dále interagovat s buněčnými komponentami. Vysoká hodnota jejich specifického povrchu usnadňuje interakce s buněčným povrchem. Nesporná výhoda nanočástic spočívá v komplexním mechanismu jejich působení. Je zřejmé, že nanočástice interferují s více buněčnými pochody současně. Proto pravděpodobnost vývoje mikroorganismů rezistentních vůči účinkům nanočástic je velmi omezená. Pro biologické aplikace je značná pozornost věnována nanočásticím kovů a jejich oxidů.

V souvislosti s komplexním poznáním biologického účinku nanočástic Fe⁰, Au⁰, Ag⁰ (a dalších) vůči jednobuněčným organismům (prokaryota i eukaryota) jsou řešena následující témata:

• Biosyntéza nanočástic kovů pomocí rostlinných extraktů a její optimalizace.
• Vliv nanočástic na populace jednobuněčných mikroorganismů je sledován na úrovni růstových charakteristik a reprodukční aktivity.
• Studium změny buněčné morfologie a cytologie v souvislosti s toxicitou nanočástic.
• Studium projevů oxidativního stresu – lipoperoxidace, karbonylace proteinů, akumulace reaktivních forem kyslíku, aktivita enzymů ochraňujících buňku před působením kyslíkových radikálů.
• Možnost ochrany buněk před toxickými účinky nanočástic aplikací přírodních látek.

Rostlinné extrakty, biostimulanty a sekundární metabolity

Rostliny a houby jsou bohatým zdrojem biologicky aktivních látek. Rostlinné extrakty studujeme jako celek, sledujeme jejich antimikrobiální a antibiofilmové účinky a využíváme je při zelené biosyntéze nanočástic kovů. Na rostlinách hodnotíme účinky biostimulantů nedestruktivními metodami, včetně multispektrální analýzy a 3D skenování. U hub se zaměřujeme na produkci sekundárních metabolitů a možnosti jejího ovlivnění. Pomocí genomových analýz (genome mining) vyhledáváme biosyntetické genové klastry odpovědné za tvorbu bioaktivních látek.

• Antimikrobiální a antibiofilmové účinky rostlinných extraktů.
• Rostlinné biostimulanty a jejich vliv na růst a fyziologický stav rostlin.
• Produkce sekundárních metabolitů hub a její ovlivnění.
• Genome mining biosyntetických genových klastrů.

Netermální plazma

Netermální plazma (NTP) je ionizovaný plyn o teplotě blízké teplotě okolí, který obsahuje směs reaktivních částic a vykazuje výrazné antimikrobiální účinky. Představuje šetrnou dekontaminační technologii bez použití chemických látek, s potenciálem uplatnění v potravinářství. Zkoumáme její působení na vláknité houby kontaminující potraviny, které tvoří odolné biofilmy, např. Alternaria alternata, Aspergillus niger, Fusarium culmorum a Fusarium graminearum. Sledujeme, jak NTP v porovnání s UV zářením narušuje zralé biofilmy, potlačuje klíčení spor a obnovu biofilmu a jak ovlivňuje schopnost ošetřených spor infikovat plody.

• Eradikace biofilmů vláknitých hub kontaminujících potraviny pomocí NTP a UV záření.
• Vliv NTP na klíčení spor a obnovu biofilmu.
• Potlačení infekčnosti spor na modelech plodů (rajčata, nektarinky).
• Strukturní změny hyf, spor a extracelulární matrix sledované skenovací elektronovou mikroskopií.

Vitis vinifera

Réva vinná (Vitis vinifera) patří mezi kulturní plodiny a byla domestikována jako jedna z prvních ovocných plodin. Používá se jak pro přímou konzumaci, tak i pro výrobu hrozinek a ke zpracování ve vinařském průmyslu. Vinná réva je bohatým zdrojem antioxidantů a polyfenolových látek.

Fyziologický stav révy vinné je ovlivněn mnoha faktory, mezi které patří zejména klimatické podmínky (biotický a abiotický stres) v daném roce a způsoby ošetřování révy. Všechny tyto faktory mají vliv na zdravotní stav révy, který v důsledku ovlivňuje i výnos hroznů a jsou s ním spjaté i změny v obsahu antioxidantů. Na stresové působení réva reaguje různými mechanismy, mezi které patří i syntéza a transport antioxidantů, ale také produkcí sekundárních metabolitů, které jsou syntetizovány nejen révou, ale i její endofytní mikroflorou. Fyziologický stav révy je ovlivňován i používanými postřiky ve vinohradnictví, kde je stále častěji kladen důraz na používání přírodních preparátů k ochraně révy a životního prostředí.

Technologie výroby vín patří mezi tradiční biotechnologie, které byly využívány již od starověku. Ale také v nich se mění biotechnologické přístupy a možnosti a to nejen s rozvojem technologie zpracování hroznů nebo filtrace, ale také z pohledu nabídky kvasinkových kmenů pro kvašení moštu.

V posledních letech také narůstá zájem výrobců potravin o navýšení výživově prospěšných látek v jejich produktech. Mezi tuto skupinu látek patří i polyfenolové antioxidanty, mezi které se řadí i resveratrol. Limitujícím faktorem příjmu polyfenolových látek je biodostupnost, která často souvisí s jejich omezenou rozpustností ve vodných roztocích. Mezi zajímavé zdroje polyfenolových antioxidantů patří víno. Z důvodů legislativních požadavků je k navýšení obsahu výživově prospěšných látek možné použít jen úpravu technologie výroby.

• Vývoj nových technologií výroby vín se zvýšeným obsahem biologicky aktivních látek
• Vývoj technologií výroby nízkoalkoholických a nealkoholických vinných nápojů s biologicky aktivními látkami a antioxidanty
• Možnosti využití vinařského odpadu jako zdroje biologicky aktivních látek
• Nové způsoby ochrany révy v organickém zemědělství
• Nové technologie výroby vinných nápojů
• Změny v zastoupení endofytní populace v révě v průběhu vegetačního roku a jako odpověď na stresové působení
• Biotechnologicky využitelné produkty metabolismu endofytních plísní révy

Mikrobiální produkce lipidů

Mikroorganismy vytvářejí jako zásobní látky lipidy, jejichž hlavní složkou jsou triacylglyceroly (TAG). Informace o přesném složení TAG směsí je rozhodující pro pochopení jejich biosyntézy a tedy i jejich nadprodukci. Úplná charakterizace frakce TAG lipidů vyžaduje oddělení všech jednotlivých TAG a následnou kvantifikaci.

Mnoho druhů řas a sinic má schopnost produkovat značné množství (například 20 až 50 % sušiny) triacylglycerolů jako zásobní lipidy. Mikroorganismy, které jsou adaptované na nízké nebo vysoké teploty mají také značný potenciál v biotechnologiích, protože akumulují velká množství lipidů, jsou schopny efektivně regulovat složení lipidů a upravit fluiditu membrán.

Oleogenní bakterie, které produkují mikrobiální lipidy ve vysokém množství, jsou schopny akumulovat TAG v nedostatku N-zdroje a je možné je kultivovat na neobvyklých zdrojích uhlíku. Lipokiny jsou mastné kyseliny s množstvím pozitivních účinků na lidské zdraví. Důležitým lipokinem je kyselina palmitolejová (9-16:1), která přispívá například ke zmírnění zánětlivých onemocnění, ochraně kardiovaskulárního systému a inhibici nádorových onemocnění. Kvasinky patří mezi atraktivní zdroje palmitolejové kyseliny a jiných prospěšných mastných kyselin, které se nacházejí v buňkách kvasinek buď jako polární lipidy, např. fosfolipidy nebo glykolipidy, nebo jako neutrální lipidy, tj. triacylglyceroly.

• Možnosti produkce mikrobiálních lipidů kvasinkami, bakteriemi, řasami
• Možnosti produkce esenciálních mastných kyselin mikroorganismy
• Produkce specifických mastných kyselin pro využití v medicíně a kosmetickém průmyslu
• Možnost produkce biodieselu pomocí kvasinek
• Studium lipidů extrémofilních mikroorganismů