Measurement of electromagnetic oscillations of yeast cells in kHz

and GHz region

PhD student: Michal CIFRA

Školitel: Jan VRBAŠkolitel specialista: Jiří POKORNÝ

Katedra elektromag. pole, FEL ČVUT Praze

Název disertační práce:

Ústav Fotoniky a Elektroniky AV ČR

Náplň disertační práce

• Endogenní elektromagnetické pole biologických systémů

• Teoretická část (analyticky, modelování):– Biofyzika (biologie, energetika buňky)– Elektrické vlastnosti buněčných struktur– Zdroje elmag. pole v buňce

• Experimentální část (ÚFE AV ČR):– Měření elmag. aktivity buněk v kHz – GHz oblasti

pomocí speciálních senzorů a spektr. analyzátorů

Teoretická část na buněčné úrovni

10 µm

Buněčný cytoskelet

• bílkoviny – elektricky polární struktury v buňce• microtubuly – vysoce elektricky polární struktury

mikrotubuly

protofilament

buňka

Buzení vibrací metabolickou energií

• Zdroje energie pro buzení vibrací mikrotubulů:– Dodávání energie do mřížky MT v procesu

dynamické nestability a „treadmilingu“ ~ 10-17 W

– pohyb motorových proteinů po MT ~ 10-16 W

– odpadová energie z mitochondrií ~ 10-15 W

Možné generované frekvence v oblasti kHz-GHz (THz?)

Modelování elmag. pole mikrotubulů

Koheretní buzení ve fázy Náhodné buzení

Modelování elektromag. vidů v buňce

TM1m1 vid, umístnění centrosomu, interfáza

buňky

Třetí vid, umístnění centrosomu při dělení

buňky

Náhradní elek. obvody buňka-senzor

a

b

c

Zdroje elmag. pole a) v membráně, b) v buňce, c) celá membrána buňky

Hoelzel, Lamprecht, Neural Network World 5/95, 763-774

Experimentální část

• V spolupráci s ÚFE AV ČR – měření elektromagnetické aktivity kvasinek v kHz-GHz oblasti– složité rozložení pole -> bodové měření– živá buňka - měkký „nano“ zdroj -> je potřeba krátké

vedení (nízká kapacita) do předzesilovače, přizpůsobení– měření velmi nízkých výkonů 10-17 W– vodivé fyziologické prostředí

Celkový výkon v pásmu 0.4-1.6 kHz, 25 a 25 měření : synchronní a nesynchronní buňky

0 100 200 300 400 500sweep n. (1 sweep = 6s)

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

mea

n va

lue

in a

.u.

Mean values of all measurement - smoothing average 50 sweeps

Synchronized

NonsynchronizedMean1*SD

0 50 100 150 200 250 300 350 400sweep n. (1 sweep = 6s)

0.62

0.64

0.66

0.68

0.70

0.72

0.74

0.76

mea

n va

lue

in a

.u.

Mean values of all measurement - smoothing average 50 sweeps

Mean-Synch1*SDMean-Nonsynch1*SD

Výsledky experimentů

Práce v blízké budoucnosti

• Teorie, modelování:•Vytvoření reálnějších modelů

elektromag. zdrojů v buňce založených na nejnovějších znalostech z biofyziky a molekul. biologie

• Experimenty:•Upravení původního systému na měření v

GHz oblasti, vybavení bodovým senzorem

Děkuji za pozornost