Mikrobioelektromagnetika

Visokošolski učitelji: Kotnik Tadej

Opis predmeta

Pogoji za vključitev v delo oz. za opravljanje študijskih obveznosti:

Priporočeno je osnovno poznavanje navadnih in parcialnih diferencialnih enačb (npr. Matematika 1-4 z univerzitetnega programa prve stopnje Elektrotehnika) in osnovno poznavanje biologije celice (gimnazijska raven).

Vsebina:

Biološke celice v električnem polju, mirovalna in vsiljena membranska napetost. Napetostno odvisni membranski kanali, elektrostimulacija vzdražnih celic. Elektroporacija celične membrane.
Analitično izvajanje vsiljene membranske napetosti v statičnem električnem polju: okrogle celice (Schwanova enačba), cilindrične, sferoidne in elipsoidne celice.
Analitično izvajanje vsiljene membranske napetosti v časovno spremenljivih elektromagnetnih poljih. Razširjena Schwanova enačba prvega in drugega reda. Analiza absorpcije energije polja v celici in njeni membrani.
Analitično izvajanje vsiljene napetosti na membranah znotrajceličnih organelov. Razmerje med vsiljeno napetostjo na zunanji in notranjih membranah celice.
Numerični izračun vsiljene membranske napetosti v statičnem polju: goste suspenzije okroglih celic, celice nepravilnih oblik, skupki električno izoliranih celic, skupki električno povezanih celic.Numerični izračun vsiljene membranske napetosti v časovno spremenljivih elektromagnetnih poljih. Numerično modeliranje elektroporacije in transporta skozi elektroporirano membrano.Simulacije molekularne dinamike: lipidni dvosloj v električnem polju, nastajanje in zapiranje por v membrani.Eksperimentalno določanje membranske napetosti. Potenciometrična barvila, zajemanje slik in obdelava podatkov. Eksperimentalno spremljanje odpiranja in zapiranja napetostno odvisnih membranskih kanalov ter transporta skoznje. Eksperimentalno spremljanje elektroporacije in transporta skozi elektroporirano membrano.Elektroporacija v naravi in njena morebitna vloga v evoluciji mikroorganizmov. Trije biokemični mehanizmi horizontalnega prenosa genov. Strela kot povzročitelj izlitja DNA iz ireverzibilno elektroporiranih mikroorganizmov, gibanja izlite DNA v vodnem okolju (elektroforeze) in vnosa DNA v reverzibilno elektroporirane mikroorganizme.

Cilji in kompetence:

Spoznati fizikalne osnove učinkov električnih polj na biološke celice. Pridobiti osnovno znanje za analitično, numerično in eksperimentalno obravnavanje teh učinkov. Spoznati molekularne osnove delovanja napetostno odvisnih kanalov v membranah in pojava elektroporacije membrane.

Predvideni študijski rezultati:

Znanje in razumevanje: Študent bo razumel fizikalne osnove učinkov električnih polj na biološke celice. Znal bo analitično, numerično in eksperimentalno obravnavati te učinke. Spoznal bo tudi molekularne osnove delovanja napetostno odvisnih kanalov v membranah in pojava elektroporacije membrane.

Uporaba: Samostojno razumevanje in obravnava učinkov električnih polj na ravni biološke celice, vključno s proženjem napetostno odvisnih kanalov vzdražnih celic in elektroporacijo celične membrane.

Refleksija: Študent bo pri poznani jakosti, trajanju in časovnem poteku električnega ali elektromagnetnega polja znal oceniti učinke izpostavitve bioloških celic takšnemu polju.

Prenosljive spretnosti: Znanje iz numeričnega reševanja diferencialnih enačb z metodama končnih elementov in končnih diferenc se vse več uporablja v razvoju na mnogih področjih modeliranja in simuliranja v elektrotehniki, strojništvu, analizi materialov itd. Simulacije molekularne dinamike sodijo med najhitreje razvijajoča se področja v molekularni biofiziki in biokemiji. Spremljanje napetosti na membrani in transporta prek membrane s potenciometričnimi barvili in metodo patch clamp sodita med sodobne in široko uporabljane metode v elektrofiziologiji in celični biologiji.

Metode poučevanja in učenja:

V primeru zadostnega števila vpisanih študentov predavanja skozi celoten semester, sicer del semestra predavanja in zatem samostojen študij z rednimi posveti, vaje z raziskovalnim delom, seminar.

Gradiva

1. Alberts B, Bray D, Hopkin K, Johnson AD, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Essential Cell Biology, 4th edition. Garland Science, 2013.
2. Kotnik T, Pucihar G, Miklavčič D. Induced transmembrane voltage and its correlation with electroporation-mediated molecular transport. J. Membrane Biol. 236: 3-13, 2010.
3. Tombola F. Pathak MM, Isacoff EY. How does voltage open an ion channel? Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 22:23-52, 2006.
4. Kotnik T, Miklavčič D. Theoretical evaluation of voltage inducement on internal membranes of biological cells exposed to electric fields. Biophys. J. 90: 480-491, 2006.
5. Kotnik T, Miklavčič D. Theoretical evaluation of the distributed power dissipation in biological cells exposed to electric fields. Bioelectromagnetics 21: 385-394, 2000.
6. Delemotte L, Tarek M. Molecular dynamics simulations of lipid membrane electroporation, J. Membr. Biol. 245: 531-543, 2012.
7. Kotnik T. Lightning-triggered electroporation and electrofusion as possible contributors to natural horizontal gene transfer. Phys. Life Rev. 10: 351-370, 2013.