Programme – Overview of Activities

Ústav molekulární genetiky (ÚMG) přispívá svou aktivitou k poznání principů fungování buněk, tkání aorgánů na molekulární úrovni. Motto ústavu je „Od genů k funkci“. Cílem je objevit něco nového, neznáméhoa optimálně i prakticky využitelného, např. pro léčbu nemocí. Výsledky našeho výzkumu jsou prezentovány vprestižních mezinárodních časopisech, patentech a v rámci výuky na školách. Spolupracujeme s jinýmivědeckými pracovišti světa, s komerčním sektorem a napomáháme vzniku nových spin-off firemrealizujících námi získané poznatky.

Hybatelem nových objevů bývají nové metodické přístupy. Finančně náročné metody jsou soustředěny doservisních útvarů a tří velkých národních infrastruktur zajišťujících servisní zázemí pro genové manipulace(CCP), zobrazovací techniky (Czech-BioImaging) a robotické systémy pro vyhledávání nových farmakologickyvýznamných látek (CZ-OPENSCREEN). Velkou úlohu v biologickém bádání hraje bioinformatika a nově sezačíná uplatňovat i umělá inteligence. Důležité je i zázemí pro pracovníky ústavu ve formě vlastní školky,jídelny a sportovních, odpočinkových i společenských aktivit.

Mechanobiologie, nově vznikající vědní obor na pomezí biologie, inženýrství, chemie a fyziky, se zabývá studiem mechanizmů, kterými fyzikální síly a změny mechanických vlastností buněk a tkání přispívají k chování živých systémů. Na buněčné úrovni se mechanobiologie zaměřuje primárně na mechanotransdukci – přeměnu mechanických stimulů na biochemické signály mechanosignalizačních drah. To umožňuje buňkám vnímat síly, jež na ně působí, a reagovat na ně. Může se jednat o adaptaci na mechanický stres (například epitely) nebo reakci na tuhost mezibuněčné hmoty (například migrující nádorové buňky).

Přednáška je zaměřena na mechanobiologické principy organizace buněk a tkání a příklady mechanobiologických aspektů modelových onemocnění. Studenty seznámíme s hlavními metodami používanými v mechanobiologii, jako jsou mikroskopie trakčních sil, mikroskopie atomárních sil, vnitrobuněčné tenzní sensory nebo magnetogenetika.

Hematopoetické kmenové buňky jsou vzácným typem buněk, které se nacházejí v kostní dřeni, a jsou zodpovědné za tvorbu všech krevních buněk v našem organismu. V naší laboratoři zkoumáme, jak se hematopoetické kmenové buňky chovají při infekci a jak přispívají k vytváření imunitní odpovědi.

Zájemce uvedeme do problematiky expanzní mikroskopie, nové metody založené na fyzické expanzi vzorků, již lze využívat ke studiu buněčných organel a struktur při vysokém rozlišení.

Na příkladech ukážeme, jak nám expanzní mikroskopie napomáhá určit lokalizaci proteinů v savčích buňkách a také cytoskeletální struktury lidských parazitů, jako např. Trypanosoma brucei, parazita vyvolávajícího africkou spavou nemoc.

Mechanobiologie, nově vznikající vědní obor na pomezí biologie, inženýrství, chemie a fyziky, se zabývá studiem mechanizmů, kterými fyzikální síly a změny mechanických vlastností buněk a tkání přispívají k chování živých systémů. Na buněčné úrovni se mechanobiologie zaměřuje primárně na mechanotransdukci – přeměnu mechanických stimulů na biochemické signály mechanosignalizačních drah. To umožňuje buňkám vnímat síly, jež na ně působí, a reagovat na ně. Může se jednat o adaptaci na mechanický stres (například epitely) nebo reakci na tuhost mezibuněčné hmoty (například migrující nádorové buňky).

Přednáška je zaměřena na mechanobiologické principy organizace buněk a tkání a příklady mechanobiologických aspektů modelových onemocnění. Studenty seznámíme s hlavními metodami používanými v mechanobiologii, jako jsou mikroskopie trakčních sil, mikroskopie atomárních sil, vnitrobuněčné tenzní sensory nebo magnetogenetika.

Hematopoetické kmenové buňky jsou vzácným typem buněk, které se nacházejí v kostní dřeni, a jsou zodpovědné za tvorbu všech krevních buněk v našem organismu. V naší laboratoři zkoumáme, jak se hematopoetické kmenové buňky chovají při infekci a jak přispívají k vytváření imunitní odpovědi.

Zájemce uvedeme do problematiky expanzní mikroskopie, nové metody založené na fyzické expanzi vzorků, již lze využívat ke studiu buněčných organel a struktur při vysokém rozlišení.

Na příkladech ukážeme, jak nám expanzní mikroskopie napomáhá určit lokalizaci proteinů v savčích buňkách a také cytoskeletální struktury lidských parazitů, jako např. Trypanosoma brucei, parazita vyvolávajícího africkou spavou nemoc.

Buněčné dělení je nezbytné pro život organismů, ovšem jeho poruchy jsou spojené s rozvojem řady onemocnění. V krátké přednášce budou posluchači seznámeni se základními principy buněčného dělení ve zdravých a nádorových buňkách.

The Institute of Molecular Genetics (IMG) contributes by its activities to understanding the principles offunctioning of cells, tissues and organs at the molecular level. The motto of the Institute is "From genes tofunction." The aim is to discover something new, unknown and optimally applicable in practice, e.g., to treatdiseases. The results of our research are presented in prestigious international journals, patents and in thecontext of teaching in schools. We collaborate with other research institutes worldwide, with thecommercial sphere, and help establish new spin-off companies implementing our findings.

New methodological approaches are the driving force behind discoveries. Financially demanding methods areconcentrated in our core facilities and three large national infrastructures providing equipment and servicesfor gene manipulation (CCP), imaging techniques (Czech-BioImaging) and robotic systems for searching newpharmacologically relevant substances (CZ-OPENSCREEN). Bioinformatics plays a major role in biologicalresearch, and artificial intelligence is beginning to find its application. Facilities for the Institute staff in theform of our kindergarten, canteen and sports, recreational and social activities are also important.

Mechanobiology, an emerging discipline at the interface of biology, engineering, chemistry and physics, studies the mechanisms by which physical forces and changes in the mechanical properties of cells and tissues contribute to the behaviour of living systems. At the cellular level, mechanobiology focuses primarily on mechanotransduction – conversion of mechanical stimuli into biochemical signals by mechanosignalling pathways. This allows cells to perceive and respond to the forces acting on them. This may be an adaptation to mechanical stress (e.g., epithelia) or a response to extracellular matrix stiffness (e.g., migrating tumour cells).

The lecture focuses on mechanobiological principles of cell and tissue organization and examples of mechanobiological aspects of model diseases. Students will be introduced to the key methods used in mechanobiology such as traction force microscopy, atomic force microscopy, intracellular tension sensors and magnetogenetics.

Hematopoietic stem cells are a rare cell type that resides in the bone marrow. These cells are responsible for the production of blood cells in our organism, including leukocytes and red blood cells. In our lab, we investigate how hematopoietic stem cells behave when we get an infection, and define how they contribute to build up an immune response and fight infections.

We will give an introduction to Expansion Microscopy, a novel method which is based on physical expansion of a sample and can be used to study cellular organelles and structures at a high resolution.

Examples will be presented of how Expansion Microscopy is helping us to understand protein localization in mammalian cells as well as cytoskeletal structures of human parasites, such as Trypanosoma brucei, the causative agent of African sleeping sickness.

Zájemcům bude vysvětlen princip vyhledávání potenciálních nových léků a bioaktivních sloučenin pomocí nejmodernějších technologií s vysokou propustností (tzv. high-throughput screening). Hledání chemických sloučenin, které by svými vlastnostmi překonaly současná léčiva, představuje náročný úkol. Svým rozsahem a složitostí jej lze přirovnat ke hledání jehly v kupce sena a bez využití nejmodernějších technologií je v podstatě neuskutečnitelný.

Zájemcům představíme technologické zázemí a myšlenkové postupy, které ve vyhledávání takových sloučenin využíváme, a mimo jiné i názorně předvedeme robotická zařízení schopná zpracovat až stovky tisíc vzorků za den.

Představení metody zobrazovací průtokové cytometrie na přistroji ImageStream®X Mk II Imaging Flow Cytometer.

Zájemcům bude vysvětlen a demonstrován postup přípravy histologických preparátů z myších mozků za účelem studia neurodegenerativních onemocnění. Zájemci si sami budou moci na připraveném preparátu prohlédnout jednotlivé struktury myšího mozku.

Za naši knihu života může být považován lidský genom. Jako genom každého živého organismu na Zemi má lidský genom za sebou miliony let vývoje. Porozumění jeho obsahu a struktuře nám poví mnoho o historii, která formovala naši evoluci, a tedy i nás samé. Tato historie a zároveň informace, která nás definuje, musí být v organismu nějakým způsobem zapsaná. Zájemcům poskytneme přehledný úvod do principů sekvenování nukleových kyselin.

Seznámí se jak s klasickou Sangerovou metodou, tak s pokročilými technologiemi vysokokapacitního sekvenování. V průběhu prezentace jim objasníme rozdíly mezi sekvenováním genomu a analýzou genové exprese. Dále se zaměříme na popis bioinformatických metod používaných při skládání genomů a identifikaci genových změn, jež vedou k závažným onemocněním.

Magnetogenetika je metoda buněčné modulace, která využívá kombinaci magnetismu a genetických technik k řízení aktivity jednotlivých buněk, a to i v živé tkáni nebo dokonce u volně žijících zvířat. Tato technika je srovnatelná s optogenetikou, což je manipulace chování buněk pomocí světla.

V magnetogenetice se místo světla používá magnetická stimulace, což umožňuje méně invazivní, méně toxickou a bezdrátovou modulaci buněčné aktivity. S magnetogenetikou lze též lokálně ovlivňovat rozložení molekul v buňce
s úžasným rozlišením.

Exkurze bude přímo na fluorescenčním konfokálním mikroskopu s rotujícím diskem demonstrovat, jak lze pomocí magnetogenetiky, magnetů a superparamagnetických nanočástic v reálném čase kontrolovat lokalizaci/gradient zelených a červených fluorescenčních proteinů uvnitř živých nádorových buněk.

V rámci krátkého teoretického úvodu bude návštěvníkům představena anatomie střeva, rizikové faktory vedoucí k rozvoji kolorektálního karcinomu a myší model pro studium tohoto onemocnění. Poté bude následovat praktická část, kde se zájemci seznámí s postupem při zpracování tkáně pro tvorbu histologických preparátů.

Zájemci budou uvedeni do mikrosvěta buněk a bude jim vysvětleno, jak buňky uchovávají a čtou informace. Dále budou návštěvníkům ukázány kratičké filmy „ze života buněk“.

Zájemci si prohlédnou fluorescenční vzorky na různých mikroskopech. Budou si moci prohlédnout živou rybičku na lightsheet mikroskopu umožňujícím zobrazování optických řezů. Dále uvidí řez poupětem sedmikrásky a trojbarevné živočišné buňky, v nich budou moci naráz pozorovat jádra, mitochondrie i buněčnou kostru. Zájemce také krátce provedeme po špičkové mikroskopické facilitě.

Zájemcům bude vysvětlen životní cyklus retrovirů a způsoby, kterými lze retroviry využít pro genetické modifikace buněk či genovou terapii. V krátké přednášce bude též představena funkce Syncytinu-1, lidského proteinu retrovirového původu, který je produkován v placentě. Zájemcům bude následně předvedeno, co se stane s lidskými buňkami, které byly geneticky upraveny pro produkci Syncytinu-1.

Bude vysvětlen princip, jak lze pomocí fluorescenčních značek sledovat jednotlivé struktury uvnitř savčích buněk. V praktické ukázce pak budou zájemci ve fluorescenčním mikroskopu pozorovat cytoskeletální struktury označené specifickými protilátkami a fluorochromy. Dále bude ukázáno, jak lze sledovat dynamiku cytoskeletu v živých buňkách s využitím GFP-značených proteinů.

Návštěvníkům bude představen modelový organismus – Dánio rerio neboli Zebrafish. Návštěvníci se blíže seznámí s výhodami používání tohoto modelu a s problematikou jeho chovu v laboratorních podmínkách. Dále se budou moci podívat pomocí fluorescenčního mikroskopu na fluorescenční buňky cirkulující v našich transgenních a mutagenních liniích ryb.

Zájemcům bude vysvětlen princip práce elektronových mikroskopů a možností zobrazování v elektronech v různých módech s ukázkou obrázků/výsledků. Budou předvedeny transmisní a skenovací elektronový mikroskop a vysvětleny speciální postupy přípravy biologických vzorků pro elektronovou mikroskopii.

K čemu buňkám slouží DNA? Jak byl odhalen vztah DNA k dědičnosti, jak vědci studovali DNA v minulosti a které technologie používají dnes? Zájemci se dozví o podstatě a základních způsobech zkoumání DNA a vyzkouší nástroje molekulárně genetického výzkumu, včetně přelomové techniky, polymerázové řetězcové reakce (PCR), za kterou byla udělena Nobelova cena. Budou moci izolovat a vizualizovat DNA z rostlinných buněk a odnést si vzorek izolované DNA jako dárek.

Introduction of the imaging flow cytometry method using the ImageStream®X Mk II Imaging Flow Cytometer.

We would like to introduce and demonstrate the procedure for preparing histological samples from mouse brains for the study of neurodegenerative diseases. The visitors will be able to see by themselves the individual structures of the mouse brain in the prepared fixed samples.

The human genome can be considered as the book of our lives. Like the genome of every living organism on Earth, the human genome has undergone millions of years of evolution. Understanding its content and structure can tell us a lot about the history that shaped our evolution, and thus ourselves. This history and the information that defines us must be somehow encoded in our organism. To our visitors, we will provide a comprehensive explanation of the principles of nucleic acid sequencing.

They will gain familiarity with both the classical Sanger method and the advanced high-throughput sequencing technologies. Throughout the presentation, we will elucidate the distinctions between genome sequencing and gene expression analyses. Furthermore, we will delve into the description of bioinformatic methods employed in genome assembly and identification of gene alterations that contribute to severe diseases.

Magnetogenetics is a method of cellular modulation that uses a combination of magnetism and genetic techniques to control the activity of individual cells, even in living tissue or in wild animals. This technique is comparable to optogenetics, which is the manipulation of cell behaviour using light.

In magnetogenetics, magnetic stimulation is used instead of light, allowing less invasive, less toxic and wireless modulation of cellular activity. Magnetogenetics can also be used to locally control the distribution of molecules in the cell with high spatial and temporal resolution.

The excursion will demonstrate directly on living cancer cells situated on a fluorescence confocal spinning disc microscope how the localization/gradient of green and red fluorescent proteins can be controlled in real time using magnetogenetics, magnets and superparamagnetic nanoparticles.

In a short theoretical introduction, the anatomy of the intestine, risk factors leading to colorectal cancer and a mouse model for the study of this disease will be presented. This will be followed by a practical part, where the visitors will learn about the procedure of tissue processing for histological preparations.

The visitors will be introduced to the micro-world of cells and explained how cells store and read information. Visitors will also be shown short films “from the life of cells”.

The visitors will view fluorescence samples on various microscopes. They will observe a living fish on a lightsheet microscope capable of optical sectioning. They will then see a cut through a daisy bud and three-colour animal cells, where they will be able to observe nuclei, mitochondria and cell skeleton simultaneously. We will also do a short tour of our state-of-the-art microscopy facility.

We will explain the principle by which individual structures inside mammalian cells can be monitored using fluorescent labels. In a practical example, visitors will be able to observe cytoskeletal structures labelled with specific antibodies and fluorochromes. Further, we will show how the cytoskeleton dynamics in live cells can be studied using GFP-labelled proteins.

Visitors will be introduced to a model organism - Danio rerio or Zebrafish. Visitors will learn more about the advantages of using this model and the problems of its breeding in laboratory conditions. Furthermore, they will be able to look with a fluorescence microscope at the fluorescent cells circulating in our transgenic and mutagenic fish lines.

We will explain to visitors the principle of electron microscope functioning and the possibilities of capturing images in electrons in various modes, with demonstration of images/results. We will present transmission and scanning electron microscopes and explain specific methods of preparation of biological specimens for electron microscopy.

What is the purpose of DNA for cells? How was the relationship of DNA to heredity discovered, how have scientists studied DNA in the past, and what technologies do they use today? Visitors will learn about the nature and basic methods of studying DNA and experience the tools of molecular genetic research, including the ground-breaking Nobel Prize-winning technique, the polymerase chain reaction (PCR). They will be able to isolate and visualise DNA from plant cells and take away a sample of the isolated DNA as a gift.

Fenogenomika je obor, který kombinuje genomickou analýzu s fenotypem organismu. Zjišťuje, jak se projeví změna funkce genu na fyziologických a biochemických vlastnostech organismu. V Českém centru pro fenogenomiku analyzujeme myší modely, kterým pozměníme/deaktivujeme gen pomocí CRISPR-Cas9 systému. Následně pomocí komplexních vyšetření zjišťujeme, jak se projeví delece tohoto genu v organizmu, kdy sledujeme téměř 1000 unikátních parametrů ke každému analyzovanému genu a vlivu jeho mutace v organismu nebo při vzniku a léčbě nemocí.

Formát exkurze: Přednáška – představení Českého centra pro fenogenomiku (20 min). Návštěva transgenní a fenotypizační laboratoře (30 min). Diskuse, otázky (10 min).

Web centra: www.phenogenomics.cz (v angličtině)

Phenogenomics is a field that combines genomic analysis with the phenotype of an organism. It investigates how a change in gene function affects the physical and biochemical properties of an organism. At the Czech Centre for Phenogenomics, we analyse mouse models in which we modify/deactivate one gene using the CRISPR-Cas9 system. We then use comprehensive assays to determine how the deletion of this gene manifests itself in the organism by monitoring nearly 1,000 unique parameters for each gene analysed and the effect of its mutation in the organism or in the development and treatment of disease.

Excursion format: Lecture - introduction of the Czech Centre for Phenogenomics (20 min). Visit to the transgenic and phenotyping laboratory (30 min). Discussion, questions (10 min).

Website of the Centre: www.phenogenomics.cz