Infekční nemoci jsou charakterizovány komplexními a dynamickými interakcemi mezi faktory virulence patogenů a systémy rozpoznávání a reakce hostitelských buněk. Mnohé vztahy mezi patogeny a jejich hostiteli vznikly dlouhodobou koevolucí. V důsledku toho si patogeny vyvinuly elegantní a rozmanité přístupy, jak se vyhnout imunitní odpovědi hostitele, zatímco hostitelské buňky zase využívají své molekulární mechanismy a systémy pro detekci a eliminaci patogenů. Komplexita interakcí patogen-hostitel komplikuje jejich pochopení, které je však nezbytné pro vývoj nových preventivních a terapeutických přístupů.
Samotná oblast výzkumu zkoumající interakce mezi patogenem a hostitelskou buňkou se vyvíjí, protože se neustále objevují nové infekční organismy. Kromě toho jsou onkogenní viry příčinou 10 % diagnostikovaných nádorových onemocnění. Enteroviry, jako jsou coxsackieviry a rhinoviry, způsobují ročně miliardy lidských infekcí, včetně infekcí horních a dolních cest dýchacích, gastroenteritidy, nemoci rukou, nohou a úst a život ohrožující encefalitidy. Budeme studovat přenos genomu enteroviru do cytoplazmy buňky, organizaci „replikačních továren“ enterovirů, principy sbalování kapsid enterovirů a vbalování genomů.
Výsledky přispějí ke znalostem mechanismu replikace enterovirů a pomohou identifikovat nové cíle pro budoucí antienterovirové terapie. Zvláštní význam má i zkoumání interakcí virové infekce s hostitelskou translací a transkripcí, protože některé viry replikují své genomové procesy přímo v cytoplazmě hostitele a vyžadují komplexní spolupráce s ribozomy a proteiny hostitele.
Staphylococcus aureus, rezistentní vůči antibiotikům, způsobuje řadu onemocnění a je WHO uznán jako patogen, pro který je naléhavě zapotřebí nových terapeutik. Fágová terapie je slibným alternativním přístupem k léčbě biofilmů S. aureus. Pro analýzu dynamiky propagace fága Herelleviridae phi812 v biofilmu S. aureus, komunitní imunity proti fágové infekci a replikace fága v infikovaných buňkách bude použita korelační světelná a elektronová mikroskopie. Výsledky přispějí k pochopení dosud nepopsaných interakcí fágů a bakterií a mohou umožnit vývoj účinnější fágové terapiet pro léčbu infekcí způsobených kmeny S. aureus rezistentními vůči antibiotikům.
Membrány bakterií a eukaryotických buněk mají velmi odlišné složení lipidů, čehož bylo využito pro selektivní cílení peptidů narušujících membrány, které působí jako antimikrobiální peptidy nebo toxiny. Chybí však sekvenční motivy peptidů odpovědných za adsorpci a narušení membrán se specifickým lipidovým složením. Pomocí počítačových simulací a vývoje nových modelů určíme nové membránově selektivní peptidy, u nichž bude experimentálně ověřena jejich membránová afinita a selektivita.
Získané poznatky a sekvenční motivy by mohly být využity při vývoji nových peptidů s potenciálním využitím jako terapeutika, senzory nebo biomarkery bakterií. Molekulární detaily virové infekce zůstávají neobjasněné kvůli experimentálním problémům při zachycování přechodných struktur. Budeme vyvíjet nové biofyzikální modely rozpoznávání a pohybu virů na povrchu hostitele, pronikání virů do buněčných membrán a jejich fúze, uvolňování genomu z virových kapsid do cytoplazmy a využívání hostitelských mechanismů pro replikaci virů. Modely budou založeny a ověřeny na dostupných experimentálních údajích.
Podrobné strukturní informace přinesou poznatky o mechanismech virové patogeneze a budou mít klinické důsledky pro vývoj specifických antivirotik. Spojení transkripce s translací, typické pro bakteriální buňky, je důležité pro toxicitu patogenních bakterií. Mechanismy iniciace a řízení transkripce a translace však zůstávají nejasné. Spřažené komplexy transkripce-translace a jejich struktury budou charakterizovány a vizualizovány pomocí kryoEM. Časově rozlišené kryo-EM studie budou použity k zachycení přechodných interakčních meziproduktů bakteriální RNA polymerázy a ribozomu.
Rychlá šíření multirezistentních bakterií vede k obtížně léčitelným infekcím a vyšší úmrtnosti. Kromě bakteriálních patogenů budou spolu se sledováním SARS-CoV-2 studovány i virové nozokomiální a virové vrozené infekce. Pochopení faktorů, které způsobují vznik antimikrobiální rezistence u těchto nozokomiálních patogenů, dynamiky kolonizace pacienta a následné infekce umožní zdravotníkům se vypořádat s nozokomiálními patogeny. Srovnávací studie na genomické a fenotypové úrovni nám umožní identifikovat markery spojené s šířením ve zdravotnickém prostředí a/nebo špatným výsledkem léčby pacientů.
Etologie mnoha lidských onemocnění je mnohostranná a podílí se na ní mikrobiální expozice v interakci s dalšími složkami expozomů. Virom zahrnuje nejen lidské viry a viry obratlovců, ale také obrovskou masu bakteriofágů, jejichž interakce s lidským hostitelem se nyní zkoumají. Projekt pomůže objasnit strukturu a interakce lidského viromu sledované longitudinálně v průběhu několika chorobných stavů, se zvláštním důrazem na choroby v dětském věku.
RNA adenosin deamináza ADAR1 je zodpovědná za většinu A-to-I RNA editací v lidských buňkách. Budeme studovat funkční interakce ADAR1 s RNA viry pomocí modelů HCV, TOSV a SARS-CoV-2. Využijeme naše nově vyvinuté metody translatomové analýzy a analýzy A-to-I editomu k mapování a vyhodnocení A-to-I editovaných míst ve virové a buněčné RNA a k objasnění role, kterou ADAR1 hraje v syntéze virových a hostitelských proteinů v průběhu virové infekce.
Poxviry jsou významné lidské a zvířecí patogeny a virus variola je řazen mezi nejrizikovější bioteroristické látky. Zjistili jsme, že postreplikační poxvirové mRNA nemají na svých 5′ koncích čepičku. Budeme studovat syntézu a translaci těchto neobvyklých poxvirových mRNA s cílem odpovědět na dlouholetou otázku, jak mohou poxviry překonat protivirové mechanismy hostitelské buňky.
Odborné znalosti hlavního řešitele zahrnují širokou škálu technik pro analýzu virových a buněčných transkriptomů, translatomů a proteomů. Přestože fleboviry mají významný dopad na zdraví lidí a zvířat, informace o jejich biologii a přenosu chybí. Předpokládanými či potvrzenými přenašeči flebovirů jsou krev sající písečné mouchy, a díky unikátní sbírce kolonií budeme studovat vnímavost druhů, cesty přenosu a interakce s Leishmania. Výsledky pomohou předvídat vznik nových ohnisek a monitorovat případný přenos.
Rostoucí výskyt rezistence vůči antibiotikům představuje globální výzvu. Porozumění evoluci rezistentních bakterií a mechanismům jejich šíření je klíčové pro rozvoj nových strategií boje s infekcemi. Elektronová mikroskopie dokáže rychle diagnostikovat přítomnost virů a bakterií v klinickém materiálu; je jedinou metodou zobrazení virových částic v nanometrovém měřítku a umožňuje identifikovat neznámé viry vykultivované na tkáňových kulturách. TEM je důležitý doplněk diagnostiky a poskytuje spolehlivý důkaz existence virů v klinickém vzorku, včetně spirochet, zejména rodu Borrelia, které se často nacházejí v mozkomíšním moku pacientů s meningitidou.
Optická a elektronová mikroskopie zůstávají základními nástroji v mikrobiologii. Mezi běžné metody patří světelná mikroskopie, fázová kontrastní mikroskopie a fluorescenční mikroskopie, které umožňují rychlé a relativně levné pozorování mikroorganismů v preparátech. Preparáty fixované a barvené podle různých technik (Grama, Ziehl-Neelsena, Giemsa) umožňují rozlišovat morfologii a identifikovat skupiny bakterií a mikromorfologie plísní či prvoků. Postupy barvení a fixace jsou uvedeny v detailu pro porozumění různým typům bakterií a jejich struktury.
Fluorescenční metody a RNA sondy v kombinaci s fluorescencí in situ hybridizace umožňují identifikovat specifické druhy bakterií grazovaných protozoa, a tím mapovat potravní řetězec mikrobů v přírodních vodách a biotopů. Pokročilé techniky, včetně kryoelektronové mikroskopie a kryoEM, přinášejí detailní pohled na procesy virové translace a replikace a jejich propojení s hostitelskou mekanikou. Tyto metody umožňují vizualizovat interdisciplinární interakce mezi viry, bakteriemi a hostitelskými buňkami.
Praktické aplikace a dopady
- Diagnostika a identifikace patogenů v klinickém materiálu pomocí elektronové mikroskopie a tempech vibrací.
- Rozvoj nových terapeutických cílků proti enterovirům, S. aureus a dalším infekcím na základě poznatků z replikace, kapsidového balení a translace.
- Využití fágů a peptidů k cílené terapii biofilmů a membránově cílené antibakteriální intervence.
- Mapa viromu a jeho souvislost s imunitními a onkogenezezi nádorů u lidí, včetně HPV souvisejících drah karcinogeneze.
Transkripce a translace: Z DNA k proteinu
tags: #identifikace #bakterii #mikroskopie