25.01.2023
O přenosu energie mezi nižšími excitovanými stavy karotenoidů a (bakterio)chlorofylů toho dnes již víme poměrně dost, a proto jsme se rozhodli podívat na vyšší energie a prozkoumat chování světlosběrných komplexů po excitaci Soretova pásu nacházejícího se v blízké UV oblasti. V článku publikovaném ve Photosynthesis Research jsme následně prezentovali výsledky těchto měření. Primární motivací těchto experimentů bylo zjistit, zda je možný přenos energie mezi Soret stavem bakteriochlorofylu a a S2 stavem karotenoidu, ale žádné signály související s touto dráhou přenosu jsme nepozorovali. Nicméně jsme byli schopni popsat následující jevy. Signál ve spektrální oblasti karotenoidu byl pomocí modelování přiřazen tzv. elektrochromickému posuvu, který je důsledkem změny lokálního elektrického pole po excitaci Soretova pásu. Dále jsme pozorovali, že karotenoid v LH2 komplexu reaguje na disipaci přebytečné energie z bakteriochlorofylu a, jelikož vykazuje pozorovatelnou amplitudu signálu dohasínající s časovou konstantou zhruba 6 ps. Poslední zajímavostí bylo pozorování a následné namodelování triplet-triplet přenosu energie mezi bakteriochlorofylem a a karotenoidem, který trvá řádově 400-600 ps.
23.12.2022
Doufáme, že prožíváte klidné sváteční období, plné radosti, smíchu a času stráveného s blízkými.
Těšíme se na nový rok a na všechny vzrušující objevy a výzvy, které přinese.
S přáním šťastného nového roku,
Polivkalab
06.09.2022
Dva členové naší skupiny, David Bína a Tomáš Polívka, se podíleli na projektu, jehož výsledkem byla publikace v Nature. Článek publikovaný 31. srpna popisuje první kompletní strukturu antény sinic, fykobilisomu. Na rozdíl od očekávání byly identifikovány a charakterizovány dvě různé konformace fykobilisomů. Struktura získaná kryo-elektronovou mikroskopií nám dále umožnila najít a vizualizovat vazebná místa tzv. OCP (z anglického Orange Carotenoid Protein), který reguluje tok energie zhášením antény při nadměrném osvětlení. Každý fykobilizom může překvapivě vázat čtyři OCP uspořádané ve dvou dimerech, ale vazba je možná pouze v jedné ze dvou konformací fykobilisomu. Naším úkolem v tomto projektu bylo modelovat tok energie ve fykobilisomech s OCP a bez OCP. Model jasně ukázal, že OCP může účinně zhášet fykobilizomy přenosem energie z nejbližších bilinů ke karotenoidu kantaxantinu vázanému na OCP.
04.07.2022
Naše znalosti prezentujeme nejen během vědeckých konferencí. Rádi se účastníme také událostí, které jsou zaměřeny na širší publikum a děti. Během června se členové naší skupiny stali součástí dvou veřejných akcí. Dne 14. června přednesl vedoucí skupiny Tomáš Polívka v rámci pořadů ScienceCafé konaných v Horké vaně přednášku s názvem „Co se může stát za bilióntinu sekundy (a jak to zjistit)?“ Při ní vysvětlil, jak můžeme sledovat některé chemické reakce v reálném čase a co se může stát po absorpci světla molekulou. Večer byl zakončen otevřenou diskusí, kterou si všichni účastníci velmi užili. O několik dní později, 25. června, jsme se zúčastnili Makerday pořádaného Objeváriem v Českých Budějovicích. Členové naší laboratoře Valentyna Kuznetsova a Emrah Özcan, ukázali (nejen) dětem několik velmi zajímavých optických triků. Ve spolupráci s mobilní laboratoří BC AV ČR jsme si užili den, který předčil naše očekávání o veřejném zájmu o vědeckou činnost.
20.06.2022
V rámci doktorandské stáže strávila naše doktorandka Ivana Šímová během května tři týdny na Technické univerzitě v Mnichově ve skupině prof. J. Hauera. Společně s další doktorandkou Erikou Keil během této doby ladily a optimalizovaly experimentální setup pro transientní absorpci, který používá achromatickou generaci druhé harmonické jakožto nástroj pro zisk velmi krátkých a spektrálně širokých pulzů. Tento komplikovaný úkol také zahrnoval příjemné večerní posezení, jak můžete vidět na přiložených fotografiích. :)
20.06.2022
V našem nejnovějším článku, jsme se zaměřili na tzv. S* stav karotenoidů, který je už skoro 30 let běžně detekovaný pomocí ultrarychlé spektroskopie. Představujeme krátký přehled tohoto stále záhadného stavu, a to se zvláštním důrazem na model zvaný VERA (vibrational energy relaxation approach). Ten se snaží objasnit jeho původ a je založený na relaxaci energetických vibračních stavů. VERA dokáže vysvětlit hlavní charakteristiky dynamiky relaxace po jednofotonové excitaci, nicméně data obdržená po dvoufotonové excitaci jsou stále nad možnosti současného modelu. Na konci článku nastiňujeme možné budoucí směry teoretických a experimentálních metod potřebných k lepšímu pochopení depopulační dynamiky karotenoidů se zahrnutím první solvatační slupky.
21.02.2022
V návaznosti na předchozí studii, jsme se znovu zaměřili na světlosběrný komplex z G. phototropica. Tento člen bakteriálního kmenu Gemmatimonadota získal geny pro syntézu fotosyntetického aparátu horizontálním přenosem z jiných bakteriálních organismů. Tato událost umožnila G. phototropica vyvinout a optimalizovat svou vlastní originální strukturu světlosběrných komplexů, což z ní činí velmi atraktivní objekt ke studiu. V nové publikaci, která byla právě publikována v Science Advances, byla s využitím kryoelektronové mikroskopie struktura tohoto světlosběrného komplexu vyřešena v rozlišení 2,4 Å. S pomocí femtosekundové spektroskopie jsme také popsali dráhy přenosu energie mezi pigmenty v tomto komplexu. Ukazuje se, že elegantní uspořádání komplexu v podobě dvou soustředných prstenců obklopujících reakční centrum nejen poskytuje velmi efektivní systém pro účinný přenos energie, ale také demonstruje takřka nekonečné možnosti evoluce.
01.12.2021
Před několika lety jsme identifikovali zhášecí mechanismus ve světlem indukovaných proteinech (Hlips) ze sinic. Úspěšná spolupráce s výzkumnou skupinou Mikrobiologického ústavu AV ČR pokračuje i nadále. V novém článku, právě publikovaném v Nature Communications, ukazujeme, že stejný zhášecí mechanismus (přenos energie z excitovaného chlorofylu-a do nejnižšího excitovaného stavu karotenoidů), je také aktivní ve dvou rostlinných proteinech, které váží chlorofyl. Light-harvesting Like (LIL3) protein a Early-Light-Induced Protein (ELIP) obsahují také zeaxanthin, který účinně zháší excitovaný chlorofyl prostřednictvím mechanismu přenosu energie. Zatímco LIL3 je velmi účinný zhášeč, ELIP ve své přirozené konfiguraci nezháší. Nicméně, modifikace jeho N-konce vyvolává zhášení, což ukazuje na zásadní roli interakce mezi pigmenty a proteinem při indukci zhášení.
14.10.2021
V návaznosti na úspěšnou studii excitovaných stavů karotenoidů po UV excitaci jsme obrátili naši pozornost na karotenoidy vázané na proteiny. Pro zjednodušení jsme vybrali proteiny vázající pouze jeden karotenoid a žádné další pigmenty, tj. oranžový karotenoidový protein (OCP) a helikální karotenoidový protein (HCP). V této studii, která byla právě publikována v časopise ChemPhotoChem, jsme použili excitaci 280 nm k excitování jak proteinu (konkrétně aminokyselin Tyr a Trp), tak karotenoidu canthaxanthinu, který na této vlnové délce také mírně absorbuje. Výsledky ukazují, že UV excitace zvyšuje tvorbu produktu v OCP ve srovnání se „standardní“ excitací modrozeleným světlem. V OCP i HCP jsme identifikovali kationt cantaxanthinu, který se tvoří s asi 5% účinností výlučně po UV excitaci.
14.10.2021
Po roce bez funkčního laserového systému jsme opět v plném provozu. Smutný prázdný prostor na našem optickém stole opět zaujímá (nyní plně funkční) MaiTai. Většinu léta jsme tudíž strávili skládáním jednotlivých částí experimentu, vylepšováním tras svazků a optimalizací detekce. Na konci července jsme konečně po dlouhé přestávce provedli první experimenty.
30.3.2021
Náš nový článek právě publikovaný v časopise Journal of Chemical Physics Letters korunuje naši dlouhou a klikatou cestu k funkčnímu experimentálnímu nastavení pro měření transientních absorpčních spekter po dvoufotonové excitaci (2PE). Po úspěšném experimentu s 2PE transientní absorpcí na karotenoidech v roztoku, který jsme publikovali dříve, se tento nový článek zaměřuje na náročnější vzorek - LHCII anténu vyšších rostlin. Porovnáním 2PE transientních absorpčních spekter LHCII a směsi karotenoidu luteinu a chlorofylu-a v acetonu jsme byli schopni odpovědět na důležité otázky karotenoidové fotofyziky: Je pomocí 2PE selektivně excitován karotenoid nebo existuje také významný příspěvek 2PE z chlorofylů? Pokud ano, jak velká část 2PE fotonů je ve skutečnosti absorbována karotenoidy? Experiment s 2PE transientní absorpcí se ukázal jako ideální nástroj pro zodpovězení těchto otázek. Naše data ukazují, že pouze jedna třetina 2PE fotonů je absorbována karotenoidy v LHCII, zatímco dominantní příspěvek k 2PE signálu pochází z chlorofylů.
30.3.2021
Existuje řada článků zabývajících se fotofyzikou karotenoidů po excitaci do jejich excitovaného stavu absorbujícího ve spektrálním rozsahu 400-550 nm, tedy stavu, který rozhoduje o barvě karotenoidů. Karotenoidy však také obsahují absorpční pásy v oblasti 250–330 nm a to, zda excitace těchto pásů nějak změní dynamiku excitovaného stavu, zůstává do značné míry neznámé. Abychom přidali tento kousek skládačky do celkového obrazu fotofyziky karotenoidů, vybrali jsme tři keto-karotenoidy, echinenon, kanthaxanthin a rhodoxanthin, a po excitaci UV absorpčních pásů jsme sledovali dynamiku jejich excitovaných stavů ve spektrální oblasti 400-1200 nm. Výsledky jsou shrnuty v článku, který byl právě publikován v časopise ChemPhysChem. Klíčovým závěrem našich experimentů je, že záhadný signál S* je po UV excitaci výrazně silnější, což podtrhuje jeho pravděpodobný vztah k disipaci energie a ukládání přebytečné energie v molekulárních vibracích. Ukázali jsme také, že S* signál není spojen s jediným energetickým stavem; je tvořen příspěvky z tzv. hot S1 stavu a nerelaxovaného základního stavu.
13.1.2021
Členové skupiny se také podílejí na výuce a kromě výuky univerzitních kurzů a praktik často organizujeme laboratorní ukázky
pro studenty středních škol.
V sekci Pro veřejnost se nově můžete podívat na několik videí s jednoduchými ukázkami pokusů,
které používají jako zdroj světla laserové ukazovátko a které si můžete vyzkoušet sami doma.
3.1.2021
Ačkoli se náš výzkum primárně zaměřuje na excitované stavy karotenoidů a fotosyntetických světlosběrných proteinů, čas od času se také účastníme dalších projektů. Výsledky takové naší exkurze do jiné oblasti výzkumu byly nedávno publikovány v časopise Inorganic Chemistry. Ve spolupráci s našimi kolegy z Ústavu anorganické chemie Akademie věd ČR jsme studovali vlastnosti excitovaných stavů klastrů hydridu boritého, sloučeniny, která se jeví jako slibný kandidát jako aktivní médium v laserech s emisí v modré spektrální oblasti. Data naměřená v naší laboratoři pro sérii alkylovaných hydridů boru odhalily absorpci z excitovaného stavu, která se u některých sloučenin překrývá s modrým emisním pásmem, což brání laserovému zesílení navzdory vysokému kvantovému výtěžku fluorescence.
3.1.2021
Naše skupina ráda pracuje s „exotickými“ fotosyntetickými anténními systémy z různých mikroorganismů, které obsahují neobvyklé karotenoidy. Jedním z takových příkladů je náš nový článek, který odhaluje dráhy přenosu energie v membránové anténě z řasy Rhodomonas salina. Tento anténní protein má několik neobvyklých vlastností. Zaprvé obsahuje chlorofyl-a a chlorofyl-c (proto název CAC anténa), což je sice kombinace charakteristická pro řadu řas, ale CAC je jednou z mála antén, která obsahuje více chlorofylu-c než chlorofylu-a. Zadruhé, CAC váže karotenoid alloxanthin, jediný přírodní karotenoid obsahující dvě trojné vazby. Jak chlorofyl-c, tak alloxantin přenáší energii na chlorofyl-a, ale účinnost a jednotlivé časy přenosu energie se liší od „standardní“ antény, jako je LHCII. CAC přidává další světlosběrnou strategii do rozmanité palety těchto procesů ve fotosyntetických organismech.
3.1.2021
Vidíte to prázdné místo na našem optickém stole? Každý, kdo někdy pracoval v laserové laboratoři, ví, že je neobvyklé mít tak velký prostor bez typického lesa sloupků a držáků různých optických komponent. Proto si možná myslíte, že se v naší laboratoři děje něco zvláštního. A máte samozřejmě pravdu. V tomto prázdném prostoru by měl být náš laser MaiTai. Měli jsme smůlu, že jsme měli vážnou poruchu MaiTai během covidové krize, takže jsme ho museli poslat na opravu do laboratoří Spectra Physics v Německu. Nyní je opravený MaiTai zpět, ale kvůli cestovním omezením stále čekáme na technika, který jej nainstaluje. Doufáme, že budeme brzy připraveni na nové experimenty. Mezitím používáme tuto nemilou přestávku související s covidem k práci na datech naměřených těsně před selháním MaiTai a snad dojde i na oprášení některých starých dat, která každý z nás určitě najde v dlouho neotevřených složkách v našich počítačích.
9.10.2020
S velkým potěšením oznamujeme, že náš kolega Václav Šebelík 24. září úspěšně obhájil svou dizertační práci. Byli jsme rádi, že jsme se mohli osobně zúčastnit jeho obhajoby a důsledně jsme dodržovali doporučení platná pro tehdejší veřejné akce. Přesto se k nám jeden z oponentů z Německa musel připojit online kvůli cestovním omezením. Prezentace pokračovala následnou diskusí s oponenty, členy komise a dalšími účastníky. Po oficiální části jsme oslavili konec Vaškovy doktorandské cesty tradičním způsobem (s dnes již klasickými rouškami). :)
Vašek zahájil doktorské studium na začátku března 2016 a velmi rychle se začlenil do naší laboratoře. Byl klíčovou osobou při vývoji experimentů využívajících dvoufotonovou excitaci, skvělým partnerem pro jakékoli zábavné nebo pracovní projekty v laboratoři, vývojářem softwaru, který nám ušetřil spoustu času, a také vývojářem našich webových stránek.
25.8.2020
Ačkoli náš výzkum se zaměřuje především na karotenoidy, nedávno jsme zaměřili naši pozornost také k polyenům, které s karotenoidy úzce souvisí. Díky spolupráci s prof. Ronem Christensenem z Bowdoin College v Maine a prof. Tae-Lim Choiem z Národní univerzity v Soulu jsme měli možnost studovat dva extrémně dlouhé polyeny se "syntetickou" délkou konjugace N~200. V našem novém článku publikovaném v PCCP jsme informovali o spektroskopických vlastnostech těchto polyenů. Experimenty byly provedeny na ELI Beamlines za účelem dosažení časového rozlišení pod 50 fs, které není k dispozici v naší laboratoři. Dlouhé polyeny mají subpikosekundovou dobu života S1 stavu, zatímco "záhadný" stav S* má dobu života jen o málo delší, 1,8 ps. Porovnání těchto nových údajů s dřívějšími studiemi dlouhých polyenů/karotenoidů ukázalo, že mezi lineárními konjugovanými systémy s konjugovanými délkami 50 nebo 200 v podstatě neexistuje žádný spektroskopický rozdíl. Každý lineární konjugovaný systém s N>50 lze tedy považovat za "nekonečný" polyen/karotenoid.
25.8.2020
HCP (helikální karotenoidové proteiny) představují novou skupinu proteinů úzce souvisejících s OCP. Po nedávné strukturální charakterizaci jednoho z proteinů této skupiny jsme se v naší nedávné práci zaměřili na detailní spektroskopickou charakteristiku dvou HCP, HCP2 a HCP3, které vážou karotenoid kanthaxanthin. Použili jsme náš nový hranolový spektrometr k pokrytí celé spektrální oblasti 400-1200 nm, abychom zachytili dynamiku téměř všech spektrálních vlastností v transientních absorpčních spektrech. Naše data ukazují, že oba HCP existují ve dvou konformacích základního stavu; "modrá" konformace excitovaná na 470 nm má navíc spektrální pás v oblasti S*, zatímco "červená" konformace excitovaná na 570 nm poskytuje standardní transientní absorpční spektrum kanthaxanthinu. U obou konformací je doba života S1 stavu kanthaxanthinu kratší než v roztoku, což odráží otočení jednoho z koncových kruhů karotenoidu, které bylo prokázáno strukturní analýzou. I přes podrobnou strukturální a spektroskopickou charakterizaci zůstává funkce HCP v sinicích neznámá.
25.8.2020
Ve společném úsilí se skupinou Alexandra Rubana z Queen Mary University v Londýně jsme zvolili poněkud odlišný přístup k prozkoumání mechanismu nefotochemického zhášení v LHCII. Je dobře známo, že zhášení může být vyvoláno agregací komplexů LHCII a při práci s nízkými koncentracemi detergentu je téměř nemožné této agregaci zabránit. V experimentech popsaných v novém článku v iScience jsme LHCII trimery imobilizovali v polyakrylamidovém gelu, aby se zabránilo agregaci, a to v obou konformacích - zhášené i nezhášené. Za těchto podmínek je zhášení vyvolané agregací minimální a pozorované zhášení musí souviset se specifickou konformací jednotlivých neinteragujících trimerů LHCII. Transientní absorpční experimenty na LHCII v gelu odhalily nový spektrální pás karotenoidu, jehož amplituda souvisí se zhášením.
1.4.2020
Po našem nedávném objevu, že nekonjugované acyloxyskupiny mohou v podstatě vypnout tzv. ICT stav fukoxanthinu, pokud jsou na opačné straně molekuly než konjugovaná ketoskupina, jsme hledali keto-karotenoid, který by měl acyloxyskupinu blízko konjugované ketoskupiny. Našli jsme dva keto-karotenoidy, sifonaxanthin a sifonein, které nemají buď žádnou acyloxyskupinu (sifonaxanthin), nebo mají acyloxyskupinu na stejné straně molekuly jako ketoskupinu (sifonein). V našem novém příspěvku, který byl nedávno publikován ve Photosynthesis Research, ukazujeme, že „Acyloxy switch“ opravdu funguje. V závislosti na poloze vzhledem ke konjugované ketoskupině může acyloxyskupina buď vypnout (acyloxy naproti keto) nebo zapnout (acyloxy na stejné straně jako keto) stav ICT.
1.4.2020
Pandemie Covid-19 se dotýká (nejen) práce nás všech. Přesto jsme díky moderním technologiím a mladým členům skupiny, kteří vědí, jak je efektivně využívat, uspořádali virtuální setkání skupiny. Je zřejmé, že duch naší skupiny není současnou situací příliš ovlivněn. Budeme pokračovat v tomto způsobu sdělování výsledků, dokud se nevrátíme zpět do našich kanceláří a laboratoří a nebudeme mít standardní skupinové schůzky.
1.4.2020
Nový příspěvek od naší skupiny se právě objevil ve Photochemical and Photobiological Sciences. Díky našim kolegům z University of Cagliari a z Warsaw University of Life Sciences jsme získali protein vázající karotenoidy, který dosud nebyl studován ultrarychlou spektroskopií. Pochází z bakterie Deinococcus radiodurans, která je známá svou schopností snášet vysoké dávky UV záření v podstatě bez poškození. Buněčná stěna bakterie má na povchu tzv. "S-layer", který obsahuje vysoce uspořádané dvojrozměrné sady proteinů, které tvoří hexamerické komplexy vázající karotenoid deinoxanthin (S-layer Deinoxanthin Binding Complex – SDBC). Článek poskytuje první podrobnou spektroskopickou charakteristiku tohoto karotenoidu, jak v roztoku, tak vázaného na SDBC.
2.3.2020
Naše čerstvá doktorandka Ivča Šímová se právě vrátila z workshopu “Optimization of light energy conversion in plants and microalgae”, organizovaného SE2B v Portu, Portugalsku. Prezentovala první data z projektu zaměřeného na procesy při přenosu energií ve světlosběrné anténě neobvyklé purpurové bakterie. Tato neobvyklá anténa, která má dva soustředné kruhy BChl-a a dosud neznámý karotenoid, pochází z nedávno popsaného anténního systému z Gemmatimonas phototrophica.
2.3.2020
Poté, co jsme v roce 2018 publikovali dva články o pump-dump spektroskopii (PDP), udělali jsme si v této oblasti krátkou pauzu, protože dvě hlavní osoby, které stály za nastavením pump-dump experimentu (Robert a Valja), opustily skupinu. Nyní, když se po téměř dvouletém postdoktorském pobytu ve skupině Janne Ihalainena v Jyvaskyle Valja vrátila, obnovujeme nastavení PDP znovu s nadějí, že odhalíme nové vlastnosti dynamiky excitovaných stavů těchto fantastických oranžových molekul - karotenoidů. V novém nastavení detekce je experiment PDP spojen s hranolovým spektrometrem, takže můžeme vidět efekt dumpingu/re-pumpingu v mnohem širším spektrálním okně než před dvěma lety.
24.2.2020
V únorovém čísle BBA-Bioenergetics vyšel náš nejnovější příspěvek k výzkumu OCP a příbuzných proteinů. Tentokrát jsme spojili síly s kolegy z jiných laboratoří, abychom studovali spektroskopii a strukturální analýzu dvou forem OCP (OCP1 a OCP2). Ze spektroskopického pohledu ukazujeme data, která jsme poprvé měřili s hranolovým spektrometrem, což nám umožnilo měřit transientní absorpční spektra v rozsahu 400-1200 nm. Data prezentovaná v článku byla získána pomocí sestavy vytvořené našimi kolegy z ELI Beamlines, nyní již ale máme náš vlastní detekční systém s hranolovým spektrometrem – naše data brzy zveřejníme! Samozřejmě je široké spekrální okno podmíněné ztrátou rozlišení, ale pozorovat všechny spektrální a dynamické jevy v celém rozsahu 400-1200 nm je jednoduše skvělé. Na obrázku níže si můžete prohlédnout příklad bílého kontinua generovaného na safírovém krystalu v naší laboratoři tak, jak bylo zachyceno na CCD kameře s 2048 pixely za hranolovým spektrometrem.
19.12.2019
Naše skupina oslavila nadcházející svátky na vánočním setkání a užila si tradiční (i netradiční) české vánoční cukroví napečené našimi členy.
18.12.2019
Laboratoř optické spektroskopie byla založena v roce 2005 Ústavu fyzikální biologie sídlícím v Nových Hradech, který byl součástí Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. V prosinci 2013 se laboratoř přemístila do nově vybudované budovy C Přírodovědecké fakulty Jihočeské univerzity v Českých Budějovicích. Od té doby jsme spolu zažili sextiliony femtosekundových šťastných a vzrušujících okamžiků, při kterých jsme experimentálně prověřili mnoho vědeckých nápadů. Zde je krátký přehled posledních let na fotografiích členů naší skupiny...
... a na fotografiích naší laboratoře...
