New techniques for intracellular biophysics
- Reference number
- FFL09-0031
- Start and end dates
- 110101-161231
- Amount granted
- 9 997 759 SEK
- Administrative organization
- Uppsala University
- Research area
- Life Science Technology
Summary
The main objective is to develop new technology for studying intracellular reaction kinetics at high spatial precision and temporal resolution. The methods will be used to answer fundamental questions about kinetics in living cells and how it differs from that in the test tube. In vivo kinetics is elucidated by single molecule methods that make it possible to study reaction kinetics without synchronizing a large population of molecules as is necessary in conventional kinetic assays. The challenges of in vivo reaction kinetics will be approached from three different directions: 1. How do proteins find their substrates and binding sites in living cells? 2. How can we accurately measure enzymatic activity in vivo? 3. How can kinetic properties of individual molecule be correctly integrated in dynamics models for intracellular physiology? The projects rely on our novel single molecule in vivo technology (Elf et al. Science 2007) and our pioneering theoretical methods for modeling and analysis intracellular kinetics (Nature Physics 2009; PLoS CB 2007, Genome Research 2005, Science 2003). The unique combination of high precision measurements in living cells with state-of-the-art techniques for quantitative modeling of stochastic reaction diffusion processes have applications in biotechnology, biomedicine and systems biology.
Popular science description
Hur kan man karaktärisera molekylära processer i levende celler?
Ett övergripande mål för min forskning är att förstå hur biokemiska reaktioner i cellen skiljer sig från provröret. Detta frågeställning rymmer flera olika delfrågor som kräver olika angreppssätt och även utveckling av nya expeirmentalla och teoretiska metoder.
Delfråga 1: Hur kan molekylerna hitta rätt?
Ett område som vi studerar är hur molekyler inne i cellen kan hitta varande trots diffusionen är mycket begränsad pga de höga koncentrationen av makromolekyler. Vi har särskilt intesserat oss för hur proteiner som ska finna och reglera specifika gener på kromosomerna kan komma rätt tillräckligt fort trods att det finns milliontals nästan identiska bindingsställen. För att undersöka detta har vi byggt ett mikroskop som är så känsligt att vi kan se och följa enskilda molekyler som rör sig i levende celler. Den experimentella tekniken gör det möjligt att testa och förbättra detaljerade fysikaliska modeller för vad som styr moleklyernas rörelse och interaktioner i cellen.
Delfråga 2: Hur fort går kemiska reaktioner i cellerna jämfört med i provröret?
Ett annat område rör hur fort specifika enzymatiska reaktioner går i cellen jämfört med i provröret. Man kan här särskilt förvänta sig skillnader the för reaktioner som innefattar membran bindning eller komplexa makromolekyler som tex ribosomen. Vi använder oss av optiska metoder för att mäta hur länge enskilda proteinmolekyler binder till sina substrat i levande celler. Eftersom vi studerar enskida molkyler så kan vi karaktärisera bindningsdynamiken utan att synkronisera reaktionerna för många molekyler som man kan göra i ett provrör.
Delfråga 3: Hur gör man korrekta fysikaliska modeller av biologiska system baserat på vad man vet om dess delar?
Ett tredje forskningsområde innefattar hur man gör fysikaliskt korrekta matematiska modeller för reaktions kinetiken i levande celler. Här måste man ta hänsyn till cellerna ibland innehåller så få molekyler av vissa molekylslag att den slumpmässiga komponenten i kemiska reaktioner behöver tas hänsyn till. I vissa fall behöver man dessutom ta hänsyn till att alla komponterna i en cell inte kan anses välblandade. För att kunna simulera reaktions scheman där vi tar hänsyn till slumpkomponenten samt det rumsliga beroendet utvecklare vi simuleringsalgorithmer och programvara.
