1 Dr hab. Wojciech Dzwolak, prof. UW wdzwolak@chem

Dr hab. Wojciech Dzwolak, prof. U.W.
[email protected]
Wydział Chemii
Uniwersytet Warszawski
ul. Pasteura 1, 02-093 Warszawa
Warszawa, 15 maja 2015
Recenzja pracy doktorskiej mgr Krzysztofa Sozańskiego pt.: „Motion at the nano scale in
polymer solutions with application to biophysical problems” (w tłumaczeniu na język
polski: „Ruch w skali nano w roztworach polimerów w kontekście problemów
biofizycznych”).
Rozprawa została wykonana w Instytucie Chemii Fizycznej PAN w ramach Międzynarodowych
Studiów Doktoranckich pod kierunkiem prof. dr hab. Roberta Hołysta.
Prawidłowe funkcjonowanie żywej komórki wymaga m.in. precyzyjnej czasowoprzestrzennej
synchronizacji
szeregu
dynamicznych
procesów
biochemicznych
dokonujących się często w różnych jej obszarach. Z tej perspektywy, kluczowym
problemem staje się kwestia transportu wewnątrzkomórkowego: zarówno czynnego jak i
biernego. O ile minione dekady były okresem wielkich wysiłków biofizyków i biochemików
idących w kierunku wyjaśnienia molekularnych podstaw transportu czynnego w biologii
komórki – przykładem spektakularnych sukcesów na tym polu może być poznanie
mechanizmów działania syntazy ATP, czy ATP-azy Na+/K+ (tzw. pompy sodowopotasowej), o tyle problematyka transportu biernego – przebiegającego zgodnie z
gradientem stężeń – była nieco trywializowana. W pewnym stopniu wynikało to z
przeświadczenia, że konwencjonalny opis dyfuzji w skali makro jest jej adekwatną
1
aproksymacją w skali nano. Przedstawione w rozprawie doktorskiej mgr Krzysztofa
Sozańskiego „Motion at the nano scale in polymer solutions with application to
biophysical problems” badania wpisują się w niezwykle ciekawy i bardzo współczesny
nurt fizykochemii biomakromolekuł stawiający sobie za cel zrozumienie rzeczywistej
natury dyfuzji w skali nano w roztworach polimerów naśladujących w pewnym stopniu
cytozol. Nurtu, w którym szereg wybitnych dokonań badawczych ma na swoim koncie
promotor rozprawy – prof. Robert Hołyst.
Napisana w języku angielskim (zresztą doskonałym pod względem stylistycznym i
gramatycznym) rozprawa liczy sobie 108 stron i jest ilustrowana wieloma precyzyjnie
przygotowanymi rysunkami i tabelami. Jej tekst, poza pomocnym wykazem użytych
skrótów oraz publikacji i patentów Autora, podzielony jest na pięć rozdziałów
poświęconych kolejno: zwięzłemu wprowadzeniu do tematyki lepkości i dyfuzji w płynach
złożonych
(1),
podstawom
metodologicznym
zastosowanych
w
pracy
technik
badawczych (2), technikaliom eksperymentalnym (3), własnym wynikom badawczym
Autora i ich szczegółowej dyskusji (4), oraz podsumowaniu tez doktoratu (5). Rozprawa
w całości jest dość zwięzła, ale nie przeszkadza to Autorowi w poświęceniu
wystarczającej uwagi najważniejszym dla niej zagadnieniom – tak we wstępie, jak w
analizie otrzymanych wyników.
W swoich oryginalnych badaniach pan mgr Sozański stosuje imponującą gamę
metod:
od
klasycznej
molekularnych
sond
reometrii
rotacyjnej
spektroskopię
korelacji
po
umożliwiającą
fluorescencji
śledzenie
(FCS),
dyfuzji
dynamiczne
rozpraszanie światła (DLS), elektromechaniczne pomiary lepkości z wykorzystaniem
mikrooscylatora
typu
QTF
i
wreszcie
mikroskopię
fluorescencyjną
całkowitego
wewnętrznego odbicia (TIRF). Eksperymenty są bardzo precyzyjnie zaplanowane i
przeprowadzone wraz z odpowiednimi pomiarami kontrolnymi.
Przedmioty poszczególnych eksperymentów nie układają się wprawdzie w
„continuum” kolekcji danych na temat wpływu różnych mniej lub bardziej istotnych
parametrów fizykochemicznych na lepkość w skali nano. Zamiast tego Autor strukturyzuje
swoje badania własne według kilku powiązanych ze sobą zagadnień, które szczególnie
go zainteresowały (uważam, że to bardzo trafna decyzja). Z zagadnieniami tymi wiążą się
trzy główne rezultaty badawcze przedstawione w rozprawie „Motion at the nano scale in
polymer solutions with application to biophysical problems”. Są nimi:
2
1. Wykazanie,
że
dyfuzja
w
wodnych
roztworach
PEG
jest
procesem
aktywowanym, z barierą energetyczną zależną od relacji skal wielkości
dyfundującego próbnika oraz „struktury” płynu złożonego (w tym przypadku
kwantyfikowanej przez promień hydrodynamiczny PEG).
2. Badanie szybkości odbudowy „warstwy zubożonej” na granicy faz roztwór
polimeru / ściana po jej mechanicznym, „oscylującym” zaburzeniu. Wykazanie,
że wobec pewnej bezwładności tego procesu (zależnej od masy cząsteczkowej
PEG) efektywna grubość tej warstwy ulega poszerzeniu ponad amplitudę drgań
„ściany” przy odpowiednio szybkich oscylacjach, dzięki czemu przebiegają one
w efektywnie „rozrzedzonym”, a więc mniej lepkim roztworze.
3. Demonstracja – w bardzo eleganckim eksperymencie - zasadniczej roli lokalnej
lepkości
dla
modelowego
motora
molekularnego
–
białka
kinezyny
„spacerującej” po włóknach mikrotubularnych.
Rozprawa pana mgr Sozańskiego w piękny sposób łączy fundamentalne
fizykochemiczne reguły widoczne już w niebiologicznych, choć w pewnym stopniu
biomimetycznych, układach polimerowych z dynamicznymi właściwościami wysoko
zorganizowanych biostruktur in vivo. Jej głównym naukowym walorem jest wykazanie
konieczności uwzględnienia „nano-skalowanej” lepkości w prawidłowym fizycznym opisie
działania maszynerii komórkowej. Jednak, moim zdaniem, praca ta ma również bardzo
duże znaczenie dla pozakomórkowych, silnie zależnych of dyfuzji procesów in vivo,
których progresja wiąże się z radykalną zmianą skali wielkości struktur lokalnie
determinujących lepkość (niechaj tego przykładem będą procesy agregacji nieprawidłowo
zwiniętych białek powiązane m.in. z chorobami Alzheimera czy Parkinsona). Bardzo
wysoko oceniam inteligencję, z jaką zostały zaprojektowane eksperymenty, erudycję
Autora i Jego zdolność posługiwania się tak szeroką paletą metod fizykochemicznych. Na
pokreślenie zasługuje fakt, iż wyniki zawarte w rozprawie zostały opublikowane w dwóch
prestiżowych czasopismach: Phys. Rev. Letters i Soft Matter, podczas gdy kolejny
wysłany już artykuł jest obecnie przedmiotem oceny recenzentów. We wszystkich trzech
pracach mgr Sozański jest pierwszym autorem. Choć o „Motion at the nano scale in
polymer solutions with application to biophysical problems” można jeszcze długo
3
wypowiadać się w superlatywach, kilka jej aspektów / fragmentów skłania mnie ku
sformułowaniu pewnych uwag i pytań:
1. Jako czytelnik zainteresowany zwłaszcza biologicznymi implikacjami tych
badań odczuwałem pewien niedosyt informacji na temat tego, jak skale
długości reprezentowane przez zastosowane tu frakcje PEG o dość dobrze
zdefiniowanych masach cząsteczkowych i promieniach hydrodynamicznych
mają się do bardzo szerokiej dystrybucji rozmiarów białek, ich fragmentów i
innych niebiałkowych molekuł obecnych w dużych stężeniach w komórce, które
odpowiadają za makroskopową lepkość np. cytozolu. Myślę, że umieszczenie
takiego porównania we wstępie bądź dyskusji byłoby wartościowe.
2. Podążając tym tropem: wyobraźmy sobie heterogenny polimer PEG z
bimodalnym rozkładem promieni hydrodynamicznych wokół wartości Rh1, Rh2,
takich, że Rh1 >> Rh2 ≈ rp, gdzie „p” odnosi się do sondy. Wyobraźmy sobie
teraz strukturę warstwy zubożonej, jak na Rys. 1.8 rozprawy. Czy należy
oczekiwać, że zostanie ona preferencyjnie „zapopulowana” – ze względów
entropowych – przez „lekkie” fragmenty h2, prowadząc do zwiększenia lokalnej
lepkości wokół sondy? To pytanie wiąże się oczywiście z obecnością również
niskocząsteczkowych crowderów w cytozolu. Na dodatek, w pewnych
sytuacjach in vivo duże makromolekuły (h1) mogą przechodzić w mniejsze (h2)
np. w wyniku proteolizy enzymatycznej białek. Dla takiego enzymatycznego
„próbnika” lepkości może to rodzić ciekawe reperkusje (np. zmieniająca się
liczba obrotów). Proszę o odniesienie się do tej uwagi.
3. Na
stronie
96
rozprawy,
gdy komentowane
są
wyniki
pomiarów z
wykorzystaniem QTF oraz model przedstawiony na rysunku 4.8, Autor
wspomina o możliwym znaczeniu tego efektu dla szybko pracujących
mechanicznie (tj. oscylacyjnie „rozpychających się” w roztworze) molekuł, np.
mechanoenzymów. Jednak stworzenie takiej poszerzonej nierównowagowej
warstwy zubożonej musi wiązać się z silną dyssypacją energii (tu - przez
drgający QTF). Czy białkowe oscylatory mogłyby być pod tym względem
wystarczająco efektywne by znacząco wpłynąć na DL?
Wreszcie z recenzenckiego obowiązku muszę wspomnieć o drobnych błędach,
nieścisłościach:
4
1. W równaniach 1.1. i 1.2 (prawa Ficka) należałoby wprowadzić to samo
oznaczenie stężenia („c” albo „ᶲ”).
2. Str. 10, literówka w nazwisku (Eyring)
3. Str. 33, wydajność kwantową należałoby zdefiniować jako liczbę fotonów
emitowanych do tych wcześniej zaabsorbowanych.
4. Str 57, w skład „piranii” wchodzi zapewne H2SO4.
5. Str 84, Fig. 4.13b, jako chemik cierpię na widok jednostek kg/mol (zamiast Da).
Te drobne uwagi nie zmieniają mojej niezwykle wysokiej oceny pracy doktorskiej
mgr Krzysztofa Sozańskiego. Badania zawarte w rozprawie „Motion at the nano scale in
polymer solutions with application to biophysical problems” stanowią rzetelny i cenny
wkład w zrozumienie relacji skali wielkości i lepkości, mechanizmów transportu biernego
w komórce, oraz inspirację dla dalszych badań nad dynamiką szerokiej klasy procesów
biofizycznych powiązanych z dyfuzją.
Podsumowując, stwierdzam, że recenzowana praca „Motion at the nano scale in
polymer solutions with application to biophysical problems” całkowicie spełnia warunki
określone w art. 13 ustawy „O stopniach i tytule naukowym, oraz o stopniach i tytule w
zakresie sztuki” (Dz. U. Nr. 65, poz. 595 z dnia 14 marca 2003 z późniejszymi zmianami)
i wnoszę o dopuszczenie mgr Krzysztofa Sozańskiego do dalszych etapów przewodu
doktorskiego.
Ponadto biorąc pod uwagę bardzo wysoką jakość badań będących przedmiotem
rozprawy, ich oryginalność oraz rzetelność z jakimi zostały przeprowadzone a następnie
przedstawione w rozprawie, wreszcie wybitny, ściśle powiązany z rozprawą dorobek
Autora (a także ten z nią niepowiązany – m.in. dodatkowe publikacje i patenty
świadczące o doskonałej postawie akademickiej i erudycji naukowej) wnoszę o jej
wyróżnienie.
Wojciech Dzwolak
5