Bionanotechnologické využití pokročilých materiálů 26. 3. 2018, Brno RNDr. Ondřej Zítka, Ph.D. Ústav chemie a biochemie Bionanotechnologické využití pokročilých materiálů (Habilitační přednáška)

Osnova přednášky: Techniky analytické chemie v Zemědělské chemii Nanotechnologie Aplikace nanotechnologií do bioanalýzy Transfer technologií směrem ke komerčnímu uplatnění Rozvoj oboru Zemědělská chemie: Vědecká činnost Pedagogika Výzkumné projekty Národní a mezinárodní spolupráce Růst odbornosti studentů a odborných pracovníků

Techniky analytické chemie v Zemědělské chemii Analýza lehkých prvků (C,H,N,S,O) Analýza kovů (AAS, ICP) Analýza hormonů a mastných kyselin (GC) Analýza aminokyselin (IEC) Komplexní analýza metabolitů (HPLC, MS) Komplexní analýza proteinů (MALDI MS, HPLC-ESI-qQTOF)

Techniky analytické chemie v Zemědělské chemii Analýza obsahu celkových aminokyselin Reakce s primární aminoskupinou 570 nm Reakce se sekundární aminoskupinou 440 nm

Techniky analytické chemie v Zemědělské chemii HPLC studium nízkomolekulárních metabolitů – Antioxidanty, thioly Fytochelatin syntáza EC 2.3.2.15 Zitka, O., Krystofova, O., Sobrova, P., et al, (2011c) Phytochelatin synthase activity as a marker of metal pollution. J. Hazard. Mater., 192, 794-800.

Techniky analytické chemie v Zemědělské chemii HPLC studium nízkomolekulárních metabolitů – Metylace DNA Spectrum View 250.0662 385.1105 SAH,SAM kalibrace_0.004_2.d: +MS, 4.6min #278 1 2 6 x10 Intens. 100 200 300 400 500 600 700 m/z 298.0844 399.1245 SAH,SAM kalibrace_0.004_2.d: +MS, 2.8min #167 4 5 800 900 LOD 0,06 µM LOQ 0,21 LOD 0,14 µM LOQ 0,48 Strmiska, V. et al. Sarcosine is a prostate epigenetic modifier that elicits aberrant methylation patterns through SAMe-DNMTs axis. Sci. Rep. (for submission) 2018

Techniky analytické chemie v Zemědělské chemii MSI Imaging - prostorové studium proteinů v živočišné tkáni pomocí hmotnostní spektrometrie (MALDI TOF) Guran, R., Vanickova, L., Horak, V., Krizkova, S., Michalek, P., Heger, Z., Zitka, O. and Adam, V. (2017) MALDI MSI of MeLiM melanoma: Searching for differences in protein profiles. PLoS ONE, 12, 1-15.

Nanotechnologie Richard Phillips Feynman (1918-1988), Americký fyzik (MIT, Caltech) Nobelova cena (1965) V roce 1959 na přednášce v Caltech vyslovil větu „Tam dole je spousta místa“ - první diskuse o využití procesů na atomární úrovni pro nové technologie

využití nanočástic a konstruktů Nanotechnologie Zemědělství - hnojiva Transport léčiv - cílený transport Bionanotechnologie využití nanočástic a konstruktů Bioanalýza Zobrazovací metody Swierczewska, M., Lee, S., Chen, X. Y., Mol. Imaging 2011, 10, 3-16.

Aplikace nanotechnologií do bioanalýzy Standardní přístrojové analytické techniky jsou nákladné s vysokými požadavky na expertní obsluhu. Pro rutinní analýzy mohou být v budoucnu nahrazeny, jak z hlediska pre-analytické fáze, tak samotné analýzy senzorovými systémy na bázi nanotechnologií. Implementace senzorů do přenosných zařízení (zatím pouze fyzikální senzory). Analyticko-chemické přístrojové techniky

Aplikace nanotechnologií do bioanalýzy Paramagnetické částice pro bioanalýzu Kudr, J., Haddad, Y., Richtera, L., Heger, Z., Cernak, M., Adam, V. and Zitka, O. (2017) Magnetic nanoparticles: From design and synthesis to real world applications. Nanomaterials, 7, 1-28.

Aplikace nanotechnologií do bioanalýzy Blízká budoucnost – vývoj elektrochemických senzorů Aplikace magnetických částic pro zvýšení selektivity a citlivosti miniaturizovaných elektrochemických senzorů. B Kudr, J., Klejdus, B., Adam, V. and Zitka, O. (2018) Magnetic solids in electrochemical analysis. TRAC-Trends Anal. Chem., 98, 104-113.

Aplikace nanotechnologií do bioanalýzy Homogenní produkce Pokročilé vlastnosti modifikace SiO2 layers Maghemit Core Příprava nanomateriálu, charakterizace a modifikace Nutnost práce s nákladnými metodami jako SEM, TEM, DLS, XPS …

Aplikace nanotechnologií do bioanalýzy Vývoj aplikací průtokové injekční analýzy – mikrofluidní přenosná zařízení Dynabeads Protein G Goat Imunoglobulins Mouse Imunoglobulins 8-hydroxyguanosin Step 1: Imunocomplex G Step 2: Imunocomplex G-M Step 3: Imunocomplex G-M-R + Rabbit Anti-mouseImunoglobulins Modified by Alcaline phosphatase Syringe Pump waste Switching valve Detector (CHI Cell) (control) Sample/rinsing buffer inlet PC Zitka, O., Krizkova, S., Krejcova, L., et al (2011b) Microfluidic tool based on the antibody-modified paramagnetic particles for detection of 8-hydroxy-2´-deoxyguanosine in urine of prostate cancer patients. Electrophoresis, 32, 3207-3220.

Transfer technologií směrem ke komerčnímu uplatnění Vývoj aplikací průtokové injekční analýzy – stolní robustní výzkumné zařízení (automatizace vývojových kroků)

Transfer technologií směrem ke komerčnímu uplatnění Zařízení pro testování SPE senzorů (kapacita, opakovatelnost) Zapojení senzorových výstupů k miniaturizované řídící jednotce (minipotenciostat) =

Vědecký a pedagogický rozvoj oboru

Rozvoj oboru – Vědecká činnost Publikační činnost: (dále: Kapitoly v knihách, Patenty, Užitné vzory, Certifikované metodiky) Oponent ve vědeckých časopisech s IF (Analytical Biochemistry, Bioelectrochemistry, Biomaterials, Food Chemistry, Chemosphere) Podíl na zavádění nových metod na Ústavu chemie a biochemie (Elektrochemická detekce v průtokových systémech, MS v proteomické analýze, MALDI Imaging, Příprava Kvantových teček, Syntéza peptidů). Web of Science („Zitka O.“) (25.3.2018)

Rozvoj oboru - Pedagogika Vyučované předměty v letech 2012-2018: AF, MENDELU: Bioanalytické metody Biochemické metody speciální   Biochemie - CV   Biochemie v OH - CV   Biochemie základní praktikum Ekotoxikologie Organická chemie a biochemie FVHE, VFU Brno: Chemie životního prostředí Chemie potravních řetězců Cizorodé látky v potravinách

Rozvoj oboru - Pedagogika Úspěšně ukončení pregraduální studenti: (8 studentů - 4 z nich postupně nastoupili do PhD studia). AF, MENDELU (6): Zuzana Lacková (2014) Alexandra Donovalová (2015) Bc. Lucie Blažková (2016) Bc. Hana Buchtelová (2016) Bc. Zuzana Lacková (2016) Bc. Alexandra Donovalová (2017) FVHE, VFU Brno (1): Bc. et Bc. Markéta Prášková (Komínková) (2013) PřF, MU (1): Bc. Roman Guráň (2014)

Rozvoj oboru - Pedagogika Úspěšně ukončení postgraduální studenti: (7 studentů, v současné době pracují 4 z nich jako postdoktorandi, 1 vedoucí výzkumné skupiny, 1 projektový manažer) AF, MENDELU (6): Mgr. Dagmar Hegerová (Chudobová) (2014) Ing. et Ing. Petr Michálek (2014) MSc. MIGUEL ÁNGEL MERLOS RODRIGO (2016) Ing. Jiří Kudr (2016) Mgr. et Bc. Markéta Prášková (Komínková) (2016) Mgr. Roman Guráň (2017) FVHE, VFU Brno (1): Mgr. Zbyněk Heger (2016)

Rozvoj oboru – Výzkumné projekty Projekt OPVK: Budování výzkumných týmů a rozvoj univerzitního vzdělávání výzkumných odborníků pro mikro- a nanotechnologie (NANOTEAM) (CZ.1.07/2.3/.00/09.0224) (2011-2014) Web projektu (http://www.umel.feec.vutbr.cz/nanoteam/index.php) Investice do rozvoje vzdělávání

Rozvoj oboru – Výzkumné projekty 2011: Hlavní řešitel projektu IGA MENDELU 2/2011: Navržení metody pro hodnocení rostlinných hyperakumulátorů těžkých kovů. 2012: Hlavní řešitel projektu IGA IP23/2012: Studium komplexů živočišných kov-vazných proteinů s platinovými cytostatiky. 2012-2015: Koordinátor výzkumných aktivit skupiny sensory v projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0072: Centrum senzorických, informačních a komunikačních systémů (SIX). 2013: Spoluřešitel projektu FRVŠ-A (940/2013/A/a): Rozvoj výukové analytické laboratoře. Ústavu veterinární ekologie a ochrany životního prostředí.  

Rozvoj oboru – Výzkumné projekty 7/2013-6/2014: Hlavní řešitel projektu Liga proti rakovině Praha (LPR 2013): Sledování interakce protinádorového léčiva doxorubicinu s aminokyselinami.  2013-2016: Spoluřešitel projektu IGAMZ (NT14337): Studium a charakterizace primárních nádorových buněčných linií spinocelulárních karcinomů v oblasti hlavy a krku a jejich maligní potenciál. 2017-2018: Hlavní Řešitel - TAČR GAMA (TG02010074): Automatizované testování analytických elektrod v kapalném vzorku.  

Rozvoj oboru – Výzkumné projekty 2018-2019: Spoluřešitel - TAČR GAMA: Zařízení pro simultánní elektrochemické analýzy vzorků s využitím SPE. 2018-2019: Spoluřešitel - TAČR ZETA: Automatizovaný elektrochemický analyzátor kapalných vzorků využívající jednorázové elektrody. 2018-2019: Hlavní řešitel projektu IGA TP: Zavedení hmotnostně spektrometrických metod do proteomického studia pochodů bakteriální infekce prasat. 2018-2020: Hlavní Řešitel projektu OPPIK: Aplikační projekt TestLine Clinical Diagnostics s.r.o.

Rozvoj oboru Národní výzkumná spolupráce: Prof. RNDr. Miroslava Beklová, CSc., Fakulta veterinární hygieny a ekologie (environmentalní a analytické chemie) Doc. Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D., Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií (mikroelektrotechnika) Dr. Vratislav Horák , Ústav živočišné fyziologie a genetiky AV ČR (fyziologie živočichů) pplk. Prof. Doc. RNDr. Miroslav Pohanka, Ph.D., DSc, Fakulta vojenského zdravotnictví, Univerzita Obrany (biochemie)

Rozvoj oboru Národní výzkumná spolupráce: RNDr. Michal Masařík Ph.D., MUDr. Jaromír Gumulec, Ph.D. Lékařská fakulta, Masarykova Univerzita (patologická fyziologie) MVDr. Martin Faldyna, Ph.D., Výzkumný Ústav Veterinárního Lékařství (fyziologie živočichů) Ing. Tomáš Syrový, Ph.D., Fakulta chemicko-technologická, Univerzita Pardubice (polygrafie a fotofyzika)

Rozvoj oboru Mezinárodní výzkumná spolupráce: Prof. Naser Al Anjum, Ph.D., University of Aveiro, Centre of Environmental and Mareine Studies (environmentalní a analytické chemie) Prof. Kledi Xhixhau, Ph.D., University of Tirana, Ústav chemie, Dpt. of Chemistry (fyzikální chemie a elektrochemie pro bionanotechnologii) Dr. Gabriela Emri, Univesity of Debrecen, Dpt. of Dermatology and Venerology (histologie)

Rozvoj oboru – vytvoření laboratorních celků VÝZKUMNÁ SKUPINA BIOMARKERŮ / VÝZKUMNÁ INFRASTRUKTURA Ondřej Zítka LABORATOŘ BIOMARKERŮ LABORATOŘ BIOSENZORŮ LABORATOŘ ZAKÁZKOVÝCH ANALÝZ / VÝZKUMNÁ INFRASTRUKTURA VÝVOJOVÁ TECHNICKÁ LABORATOŘ Roman Guráň Doktorandi: Zuzana Lacková Žaneta Buchtová Mgr.: Petr Heinz Bc.: Tomáš Do Jiří Kudr Doktorandi: Jiří Pospíšil Lada Šmídová Správce: Zuzana Lacková Natalia Cernei Jana Šofrová Michal Pláteník Jan Zítka Marie Zlínská Zaměření: 1. Vývoj technologie pro automatizovanou separaci pomocí magnetických částic 2. Vývoj technologie pro automatizovanou přípravu biosenzorů Zaměření: 1. Servisní analýzy – AMK, biogenní aminy, GSH/GSSG, MK, atd. 2. Správa výzkumné infrastruktury – rezervační systém, (příprava projektu) Zaměření: 1. Vývoj specifické separace biomárkerů Protilátkové systémy Magnetické částice Polymerní modifikace 2. Vývoj specifické detekce Elektrochemická detekce (tištěné elektrody) Optická detekce Zaměření: 1, MALDI TOF/TOF a)Analýza peptidů, identifikace proteinů (z2D ELFO) b)Imaging tkání řezů c) Identifikace bakterií 2, HPLC-ESI-MS Kvantitativní proteomika Analýza biomárkerů v klinickém vzorku

Poděkování Spolupracovníci z Ústavu chemie a biochemie Kolegové z laboratoře Biomárkerů a průtokových technik Partneři a spolupracovníci Instituce

Děkuji Vám za Vaši pozornost