Badania

Nasze badania koncentrują się na nanomorfologii jako istotnym poziomie organizacji błon biologicznych. Staramy się zrozumieć w jaki sposób struktura błon per se stanowi bezpośrednie źródło funkcji biologicznej. Zgłębiamy fascynujący świat samoorganizacji błon, szczególnie tworzenie złożonych periodycznych układów z naciskiem na błony sześcienne, których struktura zbliżona jest do potrójnie periodycznych powierzchni minimalnych znanych w geometrii różniczkowej i topologii.

Poprzez interdyscyplinarne podejście łączące biologię, biofizykę i topologię, staramy się odpowiedzieć na ważne pytania: Jak błony biologiczne samoorganizują się w złożone trójwymiarowe struktury periodyczne? Jakie są strukturalne ścieżki transformacji błon z jednej konfiguracji geometrycznej w drugą? Jakie mechanizmy molekularne sterują tymi transformacjami?

Nasza grupa bada strukturalną plastyczność sieci wewnętrznych błon plastydów roślinnych, wykorzystując je jako model do zrozumienia generalnych procesów odpowiadających za formowania błon biologicznych we wszystkich organizmach żywych, ale również układach in vitro. Badamy zarówno wczesne procesy formowania błon, jak i transformacje w dojrzałych chloroplastach, odkrywając powiązania między składem, strukturą i funkcją tych złożonych przestrzennych układów błonowych.

Wykorzystując zaawansowane techniki mikroskopii 3D (TEM, tomografia elektronowa, mikroskopia konfokalna) w połączeniu z modelowaniem komputerowym, metodami biochemicznymi i biofizycznymi, rozszyfrowaliśmy kluczowe mechanizmy transformacji błon podczas biogenezy chloroplastów. Nasze badania pozwoliły m.in. zrozumieć transformację sześciennego ciała prolamellarnego (PLB) do lamelarnej sieci tylakoidów. Nasze odkrycia obejmują identyfikację kluczowej roli głównych lipidów w tworzeniu periodycznych układów błon plastydów, z kluczową rolą MGDG w determinowaniu helikalnej organizację gran, niezbędnej do utrzymania właściwej równowagi między cyklicznym a liniowym transportem elektronów. Wykazaliśmy strukturalną rolę karotenoidów w tworzeniu i stabilizacji zarówno sześciennych, jak i lamelarnych systemów błonowych, a także zidentyfikowaliśmy obecność i rolę białek CURT1 w tworzeniu sześciennej struktury PLB i regulowaniu tempa jej transformacji podczas biogenezy chloroplastów. 

Aby rozwijać nasze badania, opracowaliśmy specjalistyczne narzędzia oprogramowania open-source do wiarygodnej analizy obrazów TEM błon roślinnych. Nasze oprogramowanie SPIRE umożliwia identyfikację dwuciągłych struktur błonowych z przekrojów TEM poprzez interaktywne dopasowywanie do matematycznych modeli obserwowanych konfiguracji. Opracowaliśmy również GRANA (Graphical Recognition and Analysis of Nanostructural Assemblies), narzędzie wspomagane sztuczną inteligencją, które rozpoznaje struktury gran na mikrografach elektronowych i generuje parametry strukturalne znacznie szybciej niż metody manualne. To oprogramowanie ułatwia wielkoskalową analizę cech nanomorfologicznych gran w różnych gatunkach roślin.

Wyniki naszych badań nie tylko przyczyniają się do zrozumienia podstaw samoorganizacji błon biologicznych, ale także otwierają nowe możliwości projektowania biokompatybilnych systemów syntetycznych z potencjalnymi zastosowaniami w przemyśle spożywczym, systemach dostarczania leków i innych materiałach biomimetycznych. Czerpiąc inspirację z procesów formowania naturalnych układów błonowych, badamy, jak te zasady można zastosować do tworzenia strukturalnie złożonych systemów biomimetycznych do zastosowań technologicznych.

Nasze prace nie byłyby możliwe bez szerokiej współpracy interdyscyplinarnej. Wiedza specjalistyczna i wkład badaczy z różnych dyscyplin – w tym biofizyków, matematyków i programistów – są kluczowe dla naszych badań. Te wspólne wysiłki, angażujące badaczy z wiodących ośrodków w Europie i na całym świecie, odzwierciedlają interdyscyplinarny charakter naszego podejścia, które łączy złożone pytania biologiczne z zaawansowanymi rozwiązaniami metodologicznymi.