1. i Nazwisko: z podaniem nazwy, miejsca - ibb.waw.pl w j.polskim_2.pdf · angielskim: Comment...

1

Autoreferat

1. Imię i Nazwisko: Robert Szoszkiewicz

2. Posiadane dyplomy, stopnie naukowe/ artystyczne – z podaniem nazwy, miejsca

i roku ich uzyskania oraz tytułu rozprawy doktorskiej.

dyplom magistra fizyki, Uniwersytet Jagielloński (UJ), Kraków, 1999.

“Spectroscopia Dielektryczna w badaniu dynamiki szkła organicznego ortoterfenylu (OTP)“

Promotor: Prof. Józef K. Mościcki, Wydział Matematyki i Fizyki, Uniwersytet Jagielloński,

Kraków.

Praca to była rezultatem pięcioletnich studiów magisterskich na kierunku “Studia

Matematyczno-Przyrodnicze”. Po pierwszych dwóch latach studiów, studenci byli

zobowiązani do wyboru tradycyjnego kierunku studiów magisterskich. W rezultacie

uzyskałem dyplom magisterski fizyki na Wydziale Matematyki i Fizyki UJ, a także

zaliczyłem osiem semestrów z dziesięcio-semestralnego programu studiów magisterskich z

chemii biologicznej na Wydziale Chemii UJ.

dyplom doktora fizyki, Szwajarska Politechnika Rządowa w Lozannie (Ecole

Polytechnique Federale de Lausanne, EPFL), Lozanna, Szwajcaria, paździenik 2003.

Tytuł rozprawy doktorskiej: “Histereza adhezji i tarcie w skalach lokalnych” (Tytuł

oryginalny w języku angielskim: “Adhesion hysteresis and friction at local scales”).

Celem mojej pracy doktorskiej było zrozumienie związków pomiędzy histerezą adhezji a

tarciem w mikro- i nano- skalach, określanych dalej jako “skale lokalne”. Studiowane

materiały były materiałami inżynierskimi, polimerami i białkami. Na podstawie wyników

eksperymentalnych i symulacji komputerowych stworzyłem model fizyczny opisujący

zbadane zjawiska. W trakcie tej pracy rozwinąłem także zaawansowane techniki badawcze

związane z ultradźwiękową mikroskopią sił (ang. ultrasonic force microscopy) i

nanoindentacją.

Promotor: Prof. Gerald Gremaud, Wydział Fizyki, EPFL.

Recenzenci: Prof. Walter Arnold, Fraunhofer Institute for Non-Destructive Testing,

Saarbrücken, Republika Federalna Niemiec; Prof. Bernard Cretin, Université de Franche-

Comté, Besançon, Francja; Prof. Giovanni Dietler, Université de Lausanne (UNIL),

Szwajcaria; Dr. Andrzej Kulik, EPFL, Szwajcaria.

2

3. Informacje o dotychczasowym zatrudnieniu w jednostkach naukowych/ artystycznych.

Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, Warszawa, Polska

2015.04 - obecnie: Adiunkt naukowy

Kansas State University (KSU), Department of Physics, Manhattan, KS, USA

2014.03 - 2015.02: Tenured Associate Professor (Profesor nadzwyczajny)

2008.07 - 2014.03: Tenure-track Assistant Professor

Columbia University in the City of New York, Department of Biological

Sciences, New York, NY, USA

2007.01 - 2008.07: Staż podoktorski w pracowniach Prof. Julio Fernandeza

Georgia Institute of Technology, Department of Physics, Atlanta, GA, USA

2004.01 - 2006.12: Staż podoktorski w pracowniach Prof. Elisy Riedo

Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne, Department of Physics,

Switzerland

1999.10 - 2003.11: Doktorant

4. Wskazanie osiągnięcia wynikającego z art. 16 ust. 2 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U. nr 65, poz. 595 ze zm.):

a) tytuł osiągnięcia naukowego/artystycznego:

Badania mechanicznie indukowanych zmian konformacyjnych w wybranych białkach

na poziomie pojedynczych cząsteczek.

b) (autor/autorzy, tytuł/tytuły publikacji, rok wydania, nazwa wydawnictwa, recenzenci wydawniczy),

Poniżej przedstawiam, w porządku chronologicznym, publikacje wchodzące w skład cyklu

habilitacyjnego:

N. Ploscariu, K. Kuczera, K. E. Malek, M. Wawrzyniuk, A. Dey, and R. Szoszkiewicz,

Studia mechanicznie-indukowanej ekspozycji miejsca S2 w domenie NRR białka Notch na

poziomie pojedynczej cząsteczki (Tytuł oryginalny w języku angielskim: Single Molecule

Studies of Force-Induced S2 Site Exposure in the Mammalian Notch Negative Regulatory

Domain), Journal of Physical Chemistry B, 118(18), 4761-4770 (2014).

Impact Factor: 3.377 (2013), 3.527 (5 year)

Punkty według Listy Ministerialnej z dnia 31 grudnia 2014: 30

Cytowania: Web of Science: 1 Google Scholar: 1

Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: Wymyśliłem ten kierunek badawczy, pomagałem przy

badaniach AFM, a także przy zbieraniu pozostałych danych eksperymentalnych, wytyczyłem szlaki

analizy wyników i uczestniczyłem w tej analizie, połączyłem wyniki eksperymentalne z symulacjami

komputerowymi, i wreszcie napisałem ten manuskrypt.

3

J. Cruz, P. H. Pfromm, R. Szoszkiewicz, and M. E. Rezac, Hydrolazy na powierzchniach

krzemionkowych: związki między pokryciem powierzchni, aktywnością i własnościami

cząsteczkowymi (Tytuł oryginalny w języku angielskim: Hydrolases on Silica Surfaces:

Coverage-Activity-Molecular Property Relationships Revealed, Process Biochemistry

49(5), 830-839 (2014).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: Moją rolą było zorganizowanie i rozpoczęcie badań przy

pomocy AFM-u, a także pomoc w analizie danych z AFM-u.

K. E. Malek and R. Szoszkiewicz, Zmiany sztywności cząsteczki białka w wykrywaniu

stanów przejściowych w trakcie procesu fałdowania białek (Tytuł oryginalny w języku

angielskim: Changes of protein stiffness during folding detect protein folding

intermediates), Journal of Biological Physics 40(1), 15-23 (2014).





badaniach AFM i analizie uzyskanych danych, wytyczyłem szlaki analizy wyników i uczestniczyłem

w tej analizie, i wreszcie napisałem ten manuskrypt.

N. Ploscariu, R. Szoszkiewicz, Metoda pomiarów własności nanomechanicznych

obiektów biologicznych (Tytuł oryginalny w języku angielskim: A method to measure

nanomechanical properties of biological objects), Applied Physics Letters 103, 263702

(2013).





badaniach AFM i analizie uzyskanych danych, wytyczyłem szlaki analizy wyników, uczestniczyłem

w analizie wyników, a w szczególności w modelowaniu analitycznym jak i obliczeniach przy pomocy

komputera, i wreszcie napisałem ten manuskrypt.

R. Szoszkiewicz, Badania schematów redukcji pojedynczych wiązań dwusiarczkowych

przez tioredoksynę ludzką (Tytuł oryginalny w języku angielskim: Single-molecule studies

of disulfide bond reduction pathways used by human thioredoxin), Biophysical

Chemistry, 173, 31-38 (2013).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: Jako jedyny autor, wytyczyłem ten kierunek badawczy,

zebrałem i opracowałem wszystkie dane eksperymentalne, opracowałem wyniki pomiarowe, i

napisałem tą publikację.

4

Dey, R. Szoszkiewicz, Dokładna analiza szumów eksperymentalnych w spektrometrze

AFM i jego aplikacja do badania nanomechaniki białka ludzkiego Notch1 (Tytuł

oryginalny w języku angielskim: Complete noise analysis of a force spectroscopy AFM

setup and its applications to study nanomechanics of human Notch 1 protein),

Nanotechnology 23, 175101, 12 pages (2012).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: Wytyczyłem ten kierunek badawczy, uczestniczyłem w

konstrukcji opisanego aparatu badawczego, uczestniczyłem w analizie wszystkich danych, i


R. Szoszkiewicz, Komentarz do publikacji “Print your AFM” (Tytuł oryginalny w języku

angielskim: Comment about “print your AFM” paper), Review Scientific Instruments,

83, 037101, 3 pages, (2012). This is a peer-reviewed paper.




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: Jako jedyny autor, wymyśliłem ten kierunek badawczy,

zebrałem i opracowałem wszystkie dane eksperymentalne, opracowałem wyniki pomiarowe, i


R. Szoszkiewicz, Spektroskopia AFM w modzie krzywych siłowych (FX) i w modzie

ustalonej siły (FC) w badaniach reakcji nanomechanicznych i własności mechanicznych

pojedynczych cząstek biologicznych (Tytuł oryginalny w języku angielskim: Force-

extension (FX) and force-clamp (FC) AFM spectroscopies in investigating

mechanochemical reactions and mechanical properties of single biomolecules), rodział

opublikowany na zaproszenie w książce „Skaningowa mikroskopia w Naukach „Nano” i

w Nanotechnologii (Tytuł oryginalny w języku angielskim: Scanning Probe Microscopy

in Nanoscience and Nanotechnology), p. 395-423, edited by B. Bhushan, Springer-

Verlag, Heidelberg (2010).

Impact Factor i punkty ministerialne nie są dostępne.


Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: Jako jedyny autor, wymyśliłem temat tego rozdziału i


R. Szoszkiewicz, S. R. K. Ainavarapu, A. P. Wiita, R. Perez-Jimenez, J. Fernandez,

Analiza typu dwell-time dla reakcji mechanochemicznych na poziomie pojedynczej

cząsteczki (Tytuł oryginalny w języku angielskim: Dwell time analysis of a single

molecule mechanochemical reaction), Langmuir, 24, 1356 (2008).




5

Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: Uczestniczyłem w wytyczaniu tego kierunku badawczego,

zebrałem większość danych eksperymentalnych i przewodziłem ich analizie, i wreszcie napisałem tą

publikację.

c) omówienie celu naukowego/artystycznego ww. pracy/prac i osiągniętych wyników

wraz z omówieniem ich ewentualnego wykorzystania.

Białka uczestniczą w większość istotnych procesów komórkowych związanych z rozwojem i

homeostazą. Używając obecnie dostępnych narzędzi do badań procesów biofizycznych na

poziomie pojedynczych cząsteczek jesteśmy w stanie nie tylko podglądać, ale i zrozumieć

szczegóły zmian konformacyjnych uczestniczących cząsteczek białek i to zarówno wewnątrz

pojedynczej komórki jak i na poziomie oddziaływujących ze sobą komórek. Przykładami

takich procesów wewnątrzkomórkowych są: replikacja cząsteczek DNA, transkrypcja DNA,

procesy rekombinacji cząsteczek DNA, translacja białek, procesy fałdowania się białek,

procesy związane z translokacją i degradacją białek, i wreszcie badania aktywności

enzymatycznej pojedynczych cząsteczek enzymów. Podobnie, przykładami procesów

związanych z oddziaływaniami międzykomórkowymi są badania procesów adhezji

międzykomórkowej, a także blisko-zasięgowej komunikacji międzykomórkowej. Z wyników

badań tych procesów wynika, że nie tylko oddziaływania biochemiczne, ale również siła

mechaniczna są istotnymi elementami biochemii i biofizyki życia na poziomie

molekularnym, gdyż większość procesów rozwojowych jak i podtrzymujących życie jest

realizowana dzięki maszynom molekularnym. Każda z takich maszyn molekularnych zawiera

co najmniej parę cząsteczek białek, która pracują wspólnie i oddziaływają za sobą zarówno

biochemicznie jak i mechanicznie. Oddziaływania mechaniczne zachodzą częstokroć dzięki

transdukcji siły poprzez specyficzne oddziaływania białko-białko oraz wymuszaniu zmian

konformacyjnych białek wskutek stresu mechanicznego. Stąd też, aby pomóc w zrozumieniu

podstawowych procesów wpływających na rozwój jak i podtrzymywania życia, w

zaprezentowanym poniżej cyklu habilitacyjnym skupiłem się na badaniu mechanicznie

indukowanych zmian konformacyjnych w wybranych białkach na poziomie pojedynczych

cząsteczek. Aby zajrzeć w głąb obserwowanych procesów rozwinąłem nowe narzędzia

biofizyczne w formie zarówno nowego metod analizy dostępnych danych eksperymentalnych

jak i nowego sprzętu badawczego. Badania z użyciem tych narzędzi pozwoliły zrozumieć

szereg mechanochemicznie indukowanych zmiany konformacyjne wybranych białek. W

szczególności, badaliśmy zmiany konformacyjne pojedynczych wiązań dwusiarczkowych w

białkach i związane z nimi procesy katalizy enzymatycznej, a także procesy fałdowania i

rozfałdowywania się pewnych modelowych białek.

Zmiany konformacyjne pojedynczych wiązań i związane z nimi

procesy katalizy enzymatycznej Na wstępie skupiłem się na badaniach wpływu siły mechanicznej na redukcję pojedynczego

wiązania dwusiarczkowego. Wiązanie to zostało wprowadzone do struktury prostej

modelowej proteiny używając narzędzi inżynierii białkowej.

6

Wiązania dwusiarczkowe to najsilniejsze oddziaływania stabilizujące struktury

trzeciorzędowej białek. Mają one różnorakie znaczenia, ale miedzy innymi kontrolują

kinetykę fałdowania się białek poprzez kontrolę populacji stanów pośrednich i

termodynamiczną oraz mechaniczną stabilizację cząsteczek białek w ich stanach natywnych.

Opracowanie danych dostępnych w bazie Protein Data Bank i opublikowane przez Schmidta

i Hogga w 2007 w czasopiśmie BMC Structural Biology wskazało na 42960 unikalnych

wiązań dwusiarczkowych obecnych w 31611 cząsteczek białek, których struktura została

określona dzięki krystalografii rentgenowskiej. Wskazuje to wszechobecność wiązań

dwusiarczkowych w cząsteczkach białek. W szczególności, wiele protein zawiera wiązania

dwusiarczkowe, które są wystawione na działanie siły mechanicznej in vivo. Dobrymi

przykładami są tutaj proteiny uczestniczące w procesach adhezji komórkowej takie jak

cadhedryny, selektyny, czy IgCAMs. Inne przykłady to białka biorące udział w utrzymaniu

struktury macierzy międzykomórkowej takie jak fibronektyna, a także białka wpływające na

elastyczność tkanek, a wiec takie jak fibrilina czy tytyna.

Regulacja stanu redoks wiązań dwusiarczkowych wskutek stresu mechanicznego wskazuje

na duże znaczenie siły mechanicznej w procesach redukcji pojedynczego wiązania

dwusiarczkowego w białkach. Redukcja wiązań dwusiarczkowych w białkach, a wiec

rozerwanie wiązania kowalencyjnego pomiędzy grupami tiolowymi cystein w obecności

czynnika redukującego, zachodzi według następującego schematu:

-Cys - S1 – S2 – Cys- + R-S-H <-> -Cys-S1-S-R + H- S2 – Cys- Schemat 1

Najbardziej prawdopodobnym mechanizmem tej reakcji jest dwucząsteczkowa substytucja

nukleofilowa, SN2. Według tego mechanizmu, cząsteczka R – SH używa wolnej pary

elektronowej zlokalizowanej na atomie siarki do przeprowadzenia ataku nukleofilowego na

jeden z atomów siarki w wiązaniu dwusiarczkowym (tutaj wybrany został atom S1). Udany

atak skutkuje rozerwaniem wiązania dwusiarczkowego miedzy cysteinami. Siarka nie jest

jedynym atomem, który może pełnić funkcję czynnika nukleofilowego. Związki fosforu, a w

szczególności tris(2-carboxyethyl)fosfina (TCEP), okazały się działać znacznie wydajniej w

białkach.

R. Szoszkiewicz, S. R. K. Ainavarapu, A. P. Wiita, R. Perez-Jimenez, J. Fernandez,

Dwell time analysis of a single molecule mechanochemical reaction, Langmuir, 24, 1356

(2008).

Wcześniejsze dane z grupy Prof. Fernandeza z Uniwersytetu Columbia pokazały, że redukcja

pojedynczych wiązań dwusiarczkowych w cząsteczka białek może zostać zmierzona

ilościowo przy pomocy mikroskopu sił atomowych (AFM) działającego w modzie stałej siły

ciągnięcia (force-clamp AFM). Metoda ta została zobrazowana na Rysunku 1.

7

Rysunek 1. Aplikacja mikroskopii sił atomowych w modzie stałej siły ciągnięcia (force-clamp

atomic force microscopy, FC AFM) do detekcji procesu redukcji pojedynczych wiązań

dwusiarczkowych. A) Cząsteczka rekombinowanego białka składającego się z identycznych modułów

połączonych szeregowo w ten sam sposób jest umiejscowiona pomiędzy dźwignią/belką AFMu (żółty

trójkąt na górze rysunku) a próbką przytwierdzoną do skanera AFM (nie pokazano, na dole rysunku).

Każdy moduł białka, tutaj: 27 moduł tytyny z ludzkiego mięśnia sercowego, oznaczony dalej I27,

zawiera dokładnie jedno wiązanie dwusiarczkowe wprowadzone metodami inżynierii białkowej i

zaznaczone żółtymi sferami. Każde z takich wiązań dwusiarczkowych staje się dostępne dla procesu

redukcji, np. za pomocą cząstek TCEP, po uprzednim częściowym rozfałdowaniu się fragmentu białka

zaznaczonego kolorem czerwonym. W wyniku procesu redukcji następuje dalsze, całkowite

rozwiniecie się każdego z modułów białka. B) „Length” oznacza długość cząsteczki białka pomiędzy

belka AFM a próbka, i jest to parametr mierzony przez FC AFM w funkcji czasu. Każdy zdarzenie

częściowego rozwinięcia się I27 w celu ekspozycji wiązania dwusiarczkowego odpowiada skokowi

rozwiniętej długości białka o 10.8 nm ± 1.1 nm przy użytej sile rozciągającej 180 pN. Analogicznie,

każdy wzrost długości białka o 14.1 nm ± 1.4 nm odpowiada pojedynczemu procesowi redukcji

wiązania dwusiarczkowego. Czas każdego zdarzenia redukcji –S-S- nazywamy później „dwell time”.

Czasy te liczone są od początku fazy ekspozycji wszystkich wiązań dwusiarczkowych na redukcję i

oznaczone dalej od t1 do t6.

Kinetyka procesu redukcji wiązań dwusiarczkowych pokazana na Rysunku 1 została

zmierzona poprzez dopasowania modelu mono-eksponencjalnego do krzywych zmian

długości białka w funkcji czasu zobrazowanych na Rys. 1.B i uśrednionych dla wielu cząstek

przy danej sile ciągnięcia. Takie przykładowe dopasowania zostały zobrazowane na Rysunku

2. Jednakże, gdy mamy do czynienia z reakcjami chemicznymi zachodzącymi według

różnych schematów to dopasowania modeli eksponencjalnych okazują się częstokroć

niewystarczające i nieodpowiednie, patrz Rysunek 2.A.

Częściowe

Rozwijanie Redukcja

A) B)

8

Rysunek 2. Wyniki kinetyki postępu redukcji wiązań dwusiarczkowych otrzymane metoda FC

AFM. Strona Lewa: Uśrednienie wielu krzywych zmian długości białka w funkcji czasu podczas

procesów redukcji dla wybranych czterech wartości sil ciągnięcia, patrz Rys. 1.B. Dopasowania

modelu mono-eksponencjalnego do każdej z tych krzywych pozwalają na otrzymanie stałych szybkości

reakcji, r, dla każdej z użytych sił ciągnięcia, F. Strona Prawa: Stale szybkości reakcji zależą w

sposób eksponencjalny od siły F, co zostało zobrazowane przez dopasowanie na niebiesko. Dane

pomiarowe zostały uzyskane dla białka rekombinowanego I278 i używając 12.5 mM roztworu

ditiotretoilu (DTT).

W publikacji napisanej przez Szoszkiewicza et al. opublikowanej w czasopiśmie Langmuir w

roku 2008, rozwinęliśmy metodę analizy „dwell time” do detekcji procesów redukcji wiązań

dwusiarczkowych. W kontraście do dopasowań modeli eksponencjalnych do kinetyki

redukcji wiązań –S-S- zobrazowanej na Rys. 2, metoda „dwell time” pozwala na

bezpośrednie rozróżnienie ilości równocześnie przebiegających reakcji chemicznych.

Technika ta polega na zebraniu mierzonych czasów „dwell time”, patrz Rys. 1.B, a następnie

skonstruowaniu histogramu obrazującego pierwiastek kwadratowy ze zliczeń w funkcji

logarytmu naturalnego czasu. Rysunek 3 obrazuje takie przykładowe histogramy.

Dopasowywując następnie odpowiednie funkcje rozkładu gęstości prawdopodobieństwa

otrzymuje się stałe szybkości zachodzących reakcji chemicznych. Co najważniejsze, taka

metoda wizualizacji wyników pozwala na jednoznaczne i szybkie rozróżnienie czy mamy do

czynienia z jednym czy wieloma schematami reakcji chemicznych.

Uzywajac metody „dwell time” zbadaliśmy kinetykę redukcji wiązan dwusiarczkowych dla

dwóch reduktorow: prostej cząsteczki nieorganiczej, TCEP, a także enzymu E. coli

tioredoksyny (TRX). W ten sposób pokazaliśmy również porównanie miedzy kinetyka

redukcji wiazan –S-S- za pomocą prostej cząsteczki nieorganiczej i skomplikowanego

enzymu. Tioredoksyna to wszechobecna reduktaza wiązań dwusiarczkowych w organizmach

żywych odpowiedzialna miedzy innymi za utrzymanie homeostazy redox w komórkach. Co

więcej, tioredoksyna wykazuje również aktywność anty-apoptyczna i bierze udział w

wybranych procesach komunikacji międzykomórkowej. Wcześniejsze publikacje z użyciem

modeli matematycznych do opisu kinetyki redukcji wiązań dwusiarczkowych wskazywały na

istnienie jednego schematu redukcji za pomocą prostych cząstek nieorganicznych jak TCEP i

dwóch schematów redukcji tych wiązań za pomocą TRX. Nasze rezultaty pokazały w sposób

bezpośredni, że w granicach naszej rozdzielczości eksperymentalnej jesteśmy w stanie

wykryć rzeczywiście jeden mechanizm redukcji –S-S- za pomocą TCEPu i dwa mechanizmy

9

gdy reduktorem jest TRX. Stąd też otrzymane przez nas dane stanowiły potwierdzenie

pewnych zmian konformacyjnych zachodzących w TRX w trakcie tej reakcji, które to

zmiany zostały opisane nieco wcześniej przez grupe Prof. Fernandeza w magazynie Nature z

roku 2007. Co jest również istotne, to, że nasze rezultaty pokazały, ze metoda histogramów

„dwell time” może z powodzeniem być zastosowana do opisu reakcji chemicznych badanych

metodami FC AFM. Jak pokazano nieco później przez X. Xie et al. w czasopiśmie Physics

Review B w roku 2008, metoda ta daje nie takie same, a komplementarne informacje

względem metody dopasowań krzywych eksponencjanych do opisu kinetyki reakcji

chemicznych.

Rysunek 3. Metoda analizy “dwell time” zastosowana do badania kinetyki reakcji redukcji wiązań

dwusiarczkowych za pomocą FC AFM. Logarytmiczne histogramy czasów „dwell time” są

otrzymane dla procesów redukcji wiązań dwusiarczkowych w I278 za pomocą cząsteczek TCEP i TRX.

Każdy z czasów „dwell time” został otrzymany jak wyjaśniono na Rys. 1.B. Dane wskazują na

istnienie jednego schematu reakcji dla TCEP-u i dwóch dla TRX.

R. Szoszkiewicz, Single-molecule studies of disulfide bond reduction pathways used by

human thioredoxin, Biophysical Chemistry, 173-174, 31-38 (2013).

Zakładając istnienie tylko jednej bariery energetycznej, stała szybkości reakcji redukcji

wiązań dwusiarczkowych, k, która jest mierzalna przy pomocy metody FC AFM może zostać

opisana ilościowo przy użyciu modelu Bella, patrz Rys. 4, w następujący sposób:

k = [czynnika redukującego] A exp ((FΔx-Ea) / kBT) Równanie 1

gdzie: [czynnika redukującego] to stężenie czynnika redukującego, A jest to tzw. form-faktor

i ma znacznie częstotliwości natarcia na barierę energetyczną, F to siła rozciągająca, Ea to

energia aktywacji, kB to stała Boltzmanna, Δx to średnie wydłużenie wiązania do stanu

przejściowego, a T to temperatura w skali bezwzględnej Kelvina.

Warto zauważyć, ze znajomość parametrów Ea oraz Δx pozwala na opisanie stanu

przejściowego reakcji, co stanowi unikalną informacje fizyko-chemiczną, która to jest

niesłychanie trudno osiągalna innymi zaawansowanymi metodami badawczymi, jak np.

spektroskopiami typu femto- i atto-sekundowymi czy spektroskopiami typu NMR.

10

Rysunek 4. Aplikacja modelu Bella do opisu redukcji

pojedynczego wiązania dwusiarczkowego przez DTT

(na podstawie danych otrzymanych przez Wiita et al.,

PNAS, 2007). Model Bella opisuje stałą szybkości

reakcji zerwania się wiązania ligand-receptor na skutek

siły mechanicznej. Rolą siły jest rozciąganie wiązania, a

wiec obniżanie energii aktywacji procesu jego zerwania.

Według tego modelu siła obniża energie aktywacji

proporcjonalnie do wydłużania się wiązania wzdłuż

kierunku ciągnięcia, xr, który pełni również rolę

parametru postępu reakcji. Takie zachowanie skutkuje

eksponencjalną zależnością stałej szybkości reakcji

względem siły mechanicznej, patrz Równanie 1. Stosując

model Bella do danych FC AFM uzyskanych dla DTT

jako czynnika redukującego, patrz Rys. 2, Wiita et al.

uzyskali energię aktywacji Ea = 65 kJ/mol i wartość

rozciągnięcia się wiązania dwusiarczkowego do stanu

przejściowego, Δx = 0.34 Å. Dane te okazały się bardzo

zbliżonego do danych przewidzianych metodami

symulacji komputerowych.

Dzięki zrozumieniu molekularnych aspektów redukcji wiązań dwusiarczkowych przy

pomocy prostych cząsteczek nieorganicznych zdecydowałem się na aplikację histogramów

typu „dwell time” do bardziej złożonych studiów, a mianowicie redukcji tychże wiązań przy

udziale enzymów. Jak poprzednio wybrałem tioredoksynę, ale tym razem skupiłem się na

tioredoksynie ludzkiej (hTrx). Z wcześniejszych studiów kinetyki redukcji pojedynczych

wiązań dwusiarczkowych przez Escherichia coli tioredoksyne otrzymano, że stała szybkości

redukcji tych wiązań początkowo malała a następnie rosła wraz ze wzrostem siły ciągnącej

(ang. clamping force) w badaniach FC AFM. Niemniej jednak, w przypadku hTrx, która jest

strukturalnie bardzo podobna do E. coli TRX, stale szybkości redukcji malały monotonicznie

wraz ze wzrostem siły, aż do stałego poziomu przy silach 300 pN i większych. Stąd też,

pojawiła się hipoteza badawcza, że w przeciwieństwie do E. coli TRX, hTrx używa

najprawdopodobniej jednego schematu redukcji wiązań dwusiarczkowych. Niemniej jednak,

powstają pytania skąd tak duża zmiana w przypadku hTrx przy bardzo dużej analogii

strukturalnej między E. coli TRX a hTrx, i czy może w takim przypadku nie powinno się

zacząć rozważać procesów redukcji wiązania dwusiarczkowego z wykorzystaniem zjawisk

tunelowania elektronów z rodników siarkowych z katalitycznych cystein hTrx? Tym

bardziej, ze procesy tunelowania nie powinny mocno zależeć od siły rozciągającej. Aby

zweryfikować te hipotezy i uzyskać bezpośrednią informacje eksperymentalna na temat ilości

schematów redukcji wiązań dwusiarczkowych dla hTrx, zdecydowałem się na analizę typu

dwell time bardzo dużej ilości danych otrzymanych metoda FC AFM.

Co ciekawe, po otrzymaniu i opracowaniu dużej ilości danych udało mi się wyodrębnić nie

jeden, ale dwa schematy redukcji wiązań dwusiarczkowych przez hTrx, patrz Rys. 7. W

omawianej publikacji przedyskutowałem bardzo dokładnie otrzymane wyniki ze

szczegółowym uwzględnieniem wcześniejszych doniesień literaturowych. W rezultacie,

11

jeden ze schematów redukcji przypisałem schematowi katalizy typu Michaelisa-Mentena, w

wariancie, który jest zależny od siły mechanicznej. Kataliza zachodząca według schematu

Michaelisa-Mentena jest zjawiskiem częstym dla enzymów biologicznych. Pierwszy etap

takiej reakcji polega na wiązaniu się enzymu do białka. Właściwa redukcja, czyli wymiana

elektronu pomiędzy katalitycznymi cysteinami w tioredoksynie a wiązaniem

dwusiarczkowym, zachodzi natomiast w etapie drugim, i w omawianym przypadku jest

zależna od siły mechanicznej rozciągającej wiązanie dwusiarczkowe uwięzione w białku.

Odkryty tutaj drugi schemat redukcji rzeczywiście okazał się bardzo słabo zależny od siły

napinającej i rozciągającej wiązanie dwusiarczkowe. Tym bardziej więc prawdopodobną

okazała się hipoteza redukcji wiązania –S-S- przy dzięki tunelowania elektronów (ET), którą

rozważyłem bardzo szczegółowo, co pokrótce przedstawiam poniżej.

Tunelowanie nie powoduje rozerwania żadnych wiązań i stąd też proces ten nie

charakteryzuje się żadną energią aktywacji, ani istnieniem stanów przejściowych. Niemniej

jednak system musi się przygotować poprzez utworzenie reaktywnych rodników, co skutkuje

istnieniem bariery energetycznej w postaci energii reorganizacji. W rozpatrywanym

przypadku ET wydaje się zachodzić z rodnika tiylowego (-S) z jednej z katalitycznych

cystein wewnątrz centrum aktywnego tioredoksyny bezpośrednio na jeden z atomów siarki z

wiązania dwusiarczkowego w badanej modelowej proteinie (I27SS)8. W wyniku tunelowania

wiązanie –S-S- ulega przekształceniu bez żadnej bariery energetycznej w tiolan (-S-) i rodnik

tiylowy, które automatycznie są separowane dzięki sile rozciągającej to wiązanie.

Stała szybkości procesu ET, kET, jest zazwyczaj wyrażana poprzez pół-klasyczną teorię nie-

adiabatycznego transferu elektronu bazującą na tzn. złotej regule Fermiego i zobrazowanej w

Równaniu 2:

kET = (4/h)* (4kBT)-1/2

*V*exp[-(ΔG+)

2/(4kBT)]. Równanie 2

W równaniu 2: h to stała Planka, kB to stała Boltzmana, T to temperature, to energia

reorganizacji, V to element macierzy hybrydyzacyjnej odpowiadający nakładaniu się

potencjałów elektronowych donora i akceptora, zaś ΔG to różnica potencjałów redoks między

cysteiną katalityczną, z której będzie następować tunelowanie, a cysteiną w wiązaniu

dwusiarczkowym, na którą będzie następować tunelowanie.

Ze względu na dużą trudność w znalezieniu wartości potencjału V dla białek w roztworach,

wartość kET jest częstokroć przybliżana za pomocą fenomenologicznego równania Mosera-

Dattona, przedstawionego w Równaniu 3:

log(kET) 13 – 0.6(RDA – 3.6) – 3.1[(ΔG +)2/] Równanie 3

gdzie: RDA to średnia odległość miedzy donorem a akceptorem elektronu.

Bazując na danych eksperymentalnych oraz dostępnych danych literaturowych oszacowałem

wszystkie zmienne i parametry w równaniu 3. Otrzymałem wartość stałej kET pomiędzy 2,000

s-1

a 7,000 s-1

co jest cztery rzędy wielkości więcej niż wartości stałych k otrzymanych

doświadczalnie dla schematu drugiego, patrz Rys. 5. Stąd też, mimo, że nie można w

12

omawianym przypadku wykluczyć zjawiska ET, zaproponowałem inny mechanizm drugiego

schematu redukcji wiązania dwusiarczkowego przez hTrx.

Ze względu na często występujące współzawodnictwo procesów SN2 z procesami

dwucząsteczkowej eliminacji E2, zaproponowany drugi schemat redukcji –S-S- zawiera dwa

etapy. W pierwszym etapie następuje eliminacja E2 na atomie węgla w najbliższym

otoczeniu wiązania dwusiarczkowego, z utworzeniem jonu wodorkowego H-. W etapie

drugim następuje rozpad wiązania dwusiarczkowego w wyniku substytucji nukleofilowej z

udziałem anionu H-. Szczególy zaproponowanego mechanizmu są dokładnie

przedyskutowane w omawianym artykule.

Reasumując, stosując metodę histogramów „dwell time” do analizy danych FC AFM byłem

w stanie zagłębić się w molekularne mechanizm redukcji wiązania –S-S- przez hTrx i

zaproponować nowy mechanizm do nieznanego wcześniej schematu enzymatycznej redukcji

wiązań dwusiarczkowych.

Rysunek 5. Dwa schematy redukcji

wiązania dwusiarczkowego przez

tioredoksynę ludzką. Schemat

oznaczony „Path A” został

przyporządkowany znanemu

wcześniej w literaturze schematowi

Michaelisa-Mentena. Schemat

oznaczony „Path B” okazał się

nieznanym wcześniej schematem,

które został szczegółowo omówiony w

omawianej publikacji.

J. Cruz, P. H. Pfromm, R. Szoszkiewicz, and M. E. Rezac, Hydrolases on Silica Surfaces:

Coverage-Activity-Molecular Property Relationships Revealed, Process Biochemistry

49(5), 830-839 (2014).

W kolejnym z omawianych artykułów również studiowaliśmy zależności między strukturą i

właściwościami mechanicznymi, a aktywnością enzymatyczną wybranych białek-enzymów.

Tym razem jednak przeszliśmy do studiów aktywności enzymatycznej paru typów hydrolaz

w fukcji ich całościowej konformacji. Wybrane hydrolazy to: Candida antarctica lipaza B

(CALB), subtilisin Carlsberg, oraz lipaza Thermomyces lanuginosus (TLL).

Wcześniejsze badania opisały nową platformę katalityczną dla reakcji w rozworach, która

oparta została na unieruchomieniu pojedynczych cząsteczek enzymów na rozdrobnionych

nanocząstkach krzemionki. Cząsteczki enzymów zostały fizycznie zaadsorbowane na

nanocząstkach i zliofilizowane w celu otrzymania nanobiokatalizatorów. Dla przykładu, S.

Carlsberg i CALB zostały osadzone na krzemionce koloidalnej, zliofilizowane, a następnie

testowane w środowisku heksanu poprzez pomiar stałych szybkości reakcji dla pewnych

typów katalizy o znaczeniu komercyjnym. Zaobserwowane aktywności katalityczne zależały

od warunków reakcji i pokrycia powierzchni przez cząsteczki enzymów, niemniej jednak

13

związki pomiędzy uśrednioną konformacją cząsteczek enzymów i wzajemnym

oddziaływaniem cząsteczek enzymów a ich aktywnością katalityczną nie zostały wcześniej

szczegółowo poznane i wyjaśnione. Stąd też w opisywanej publikacji skoncentrowaliśmy się

na dostarczeniu odpowiedzi na te pytania, a więc znalezieniu związków między morfologią

zaadsorbowanych cząsteczek enzymów CALB, S. Carlsberg, i TLL na modelowej

powierzchni krzemionkowej a ich aktywnością katalityczną. W tym celu dokonaliśmy

szczegółowej analizy konformacji zaadsorbowanych enzymów dzięki wysoko-rozdzielczemu

obrazowaniu metodami mikroskopii sił atomowych (AFM). Dane AFM zostały

przenalizowane w celu wyznaczenia: wielkości, rozkładów gęstości powierzchniowej i

objętości zaadsorbowanych agregatów cząsteczek enzymatycznych. Próbkowaliśmy szeroki

wachlarz stężeń powierzchniowych enzymów: od agregatów składających się z pojedynczych

cząstek w bardzo małym stężeniu powierzchniowym do powierzchni całkowicie pokrytych

cząsteczkami enzymów. Dane te zostały przyporządkowane do badań aktywności

katalitycznej, a także sztywności agregatów enzymatycznych w celu rozróżnienia między

enzymatycznie aktywnymi i nie-aktywnymi konformacjami enzymów, patrz Rysunek 6. W

rezultacie, udało nam się wyznaczyć szereg reguł, które pozwoliły na zrozumienie i

znalezienie związków pomiędzy zmierzonymi parametrami topografii zaadsorbowanych

cząstek enzymów z ich sztywnością cząsteczkową i aktywnością katalityczną.

Rysunek 6. Schematyczny model

oddziaływania badanych cząstek enzymów

CALB, s. Carlsberg, i TLL z powierzchnią

w celu wyjaśnienia ich aktywności

katalitycznej z procentowym pokryciem

powierzchni (% SC). Nasz model powstał

na bazie obserwacji topograficznych z

użyciem wysokorozdzielczej mikroskopii

AFM, a także obserwacji sztywności

enzymów rozumianej jako ich podatności

na deformację mechaniczną. Strzałki

skierowane w górę lub dół oznaczają

odpowiednio wzrost lub spadek aktywności

katalitycznej. Zwiększająca się sztywność

od CALB to TLL została oznaczona

poprzez zwiększającą się grubość konturów

dla narysowanych reprezentacji cząsteczek

enzymów.

Rozwój Metod Badawczych w Celu Badania Zmian Konformacyjnych

Białek w Procesach ich Fałdowania i Rozfałdowywania Indukowanych

przez Siłę Mechaniczną. W toku dalszej swojej kariery badawczej skupiłem się na badaniach in vitro zmian

konformacyjnych pojedynczych cząsteczek modelowych białek o funkcjach mechanicznych

in vivo w trakcie procesów ich fałdowania i rozfałdowywania z użyciem siły mechanicznej.

14

Celem tych badań było zrozumienie tych procesów, a także dostarczenie nowych metod

badawczych do ich poznania.

Dey, R. Szoszkiewicz, Complete noise analysis of a force spectroscopy AFM setup and

its applications to study nanomechanics of human Notch 1 protein, Nanotechnology 23,

175101, 12 pages (2012).

W początkowym etapie rozwoju pracowni Szoszlab na Uniwersytecie Stanowym w Kansas,

skupiłem się na konstrukcji i charakteryzacji nowego spectrometru FX, FC AFM w celu

dokładniejszego niż dotychczas badania zmian konformacyjnych białek w wyniku ich

zwijania i rozwijania przy użyciu siły mechanicznej, patrz Rysunek 7.

Rysunek 7. Podstawy spektroskopii krzywych siłowych (ang. force-extension AFM, FX AFM) i

nowy spektrometr FX, FC AFM skonstruowany w pracowni Szosz-lab na Uniwersytecie Stanowym

w Kansas. A) W badaniach rozwijania pojedynczych cząsteczek białek za pomocą siły mechanicznej

badana cząsteczka białka jest sflankowane przez kowalencyjnie związane inne nisko-cząsteczkowe

białko, jak np. I27, o znanej odpowiedzi mechanicznej na mechaniczne rozciąganie/zwijanie. Celem

takiego przygotowywania eksperymentu jest dostarczenie tzw. „odcisku palca”, a więc pewności, że

rozciągane będzie interesujące nas białko w ściśle określonej konfiguracji i to w formie natywnej. W

przypadku spektroskopii AFM w modzie krzywych siłowych (FX AFM) badana próbka z cząsteczkami

białka zaabsorbowanymi na modelowych powierzchniach jest przybliżana i następnie oddalana

do/od belki AFMu (AFM Cantilever) przez skaner AFM (AFM Piezo) ze stałą szybkością. W

przypadku związania się cząsteczki badanego białka z ostrzem belki AFMu następuje szereg ugięć

tejże belki w funkcji zmieniającej się dlugości cząsteczki białka. Ugięcia te są monitorowane przez

światło lasera odbijające się od tylnej powierzchni ostrza i zbieranego przez fotodetektor. Po

kalibracji, sygnał ugięcia belki jest konwertowany na siłę mechaniczną. Wówczas zmiany

konformacyjne cząsteczek białka mierzone są poprzez zmiany siły ciągnięcia w funkcji długości

rozwijanej cząsteczki białka, co nie zostało tu pokazane. B) schemat spektrometru FX, FC AFM

zbudowanego w pracowni Szosz-lab. C) Zdjęcie elektroniki użytej w tym spektrometrze. D)

Skonstruowany zestaw FX, FC AFM pozwolił na uzyskanie konfiguracji otwartej na dodatkową

wiązkę lasera oświetlającą zestaw eksperymentalny od tylnej strony belki AFM. Dzięki temu możliwe

stało się powiązanie badań spektroskopii sił AFM z użyciem tego zestawu, z dodatkowymi

badaniami, jak np. zaprezentowana tu interferometria heterodynowa, dane jeszcze nieopublikowane.

Skonstruowaliśmy nasz zestaw FX, FC AFM według najnowszego stanu wiedzy na lata

2008-2009, w których następowała jego budowa w pracowni Szosz-lab. Użyliśmy

dostępnych komercyjnie komponentów elektronicznych, standardowych adaptacji

C) D) D)

15

mechanicznych i własnoręcznie napisanego oprogramowania opartego o oprogramowanie

dostępne w pracowni Prof. Julio Fernandeza na Uniwersytecie Columbia w Nowym Jorku, w

Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej. Niewątpliwe zalety naszego systemu leżą

zarówno w jego otwartej konfiguracji sprzętowej jak i otwartej platformie oprogramowania.

Podobna platforma oprogramowania jest wykorzystywana od niedawna również przez

czołowych producentów systemów komercyjnych, jak Asylum Research, USA. Nasz system

został dokładnie opisany w omawianej publikacji, a więc jego transfer do innych pracowni i

sprzęganie z innymi technikami badawczymi wydaje się jak najbardziej możliwe.

Scharakteryzowaliśmy nasz spektrometer AFM głównie poprzez pomiary jego mechaniczno-

elektronicznego szumu własnego i szybkości jego odpowiedzi na zmiany konformacyjne w

cząsteczkach modelowego białka dla typowych belek AFM stosowanych w spektroskopii sił.

Po uzyskaniu pomiarów okazało się, że parametry naszego spektrometru przewyższają

parametry najlepszych zestawów komercyjnych, jak np. mikroskop Cypher produkowany

przez firmę Asylum Research, USA. Charakterystyka szumów własnych naszego

spektrometru jest zdominowana przez termiczne szumy Browna belki pomiarowej AFM, a

więc limit eksperymentalny. Dla przykładu, nie-brownowska komponenta szumów

przecałkowana dla pierwszego termicznie wzbudzonego modu fleksyjnego przykładowej

belki AFM wynosiła mniej niż 2% całkowitej mocy szumu. Czas odpowiedzi spektrometru

dla przykładowej belki AFMu okazał się dwa razy krótszy niż dla prezentowanych wówczas

w literaturze spektrometrów i jedynie około dwa razy dłuższy niż graniczna wartość

teoretyczna. Również i inne parametry oraz właściwości naszego spektrometru zostały

opisane w prezentowanej publikacji.

W następnym kroku zaaplikowaliśmy nasz spektrometr do badania wymuszonego przez siłę

mechaniczną rozfałdowywania się konstruktu białkowego zawierającego domenę NRR (ang.

Negative Regulatory Domain) z ludzkiej proteiny Notch1. Celem tych badań było

zrozumienie nieznanych jeszcze aspektów molekularnego mechanizmu funkcjonowania

szlaku Notch-a. Na podstawie zebranych danych FX AFM wyodrębniliśmy conajmniej pięć

istotnych zmian konformacyjnych w procesie rozwijania się białka NRR. Rezultaty te

stanowiły solidne podwaliny do dalszych studiów indukowanych siła mechaniczną procesów

rozwijania sie domeny NRR. Procesy te stanowić będą temat jednej z kolejnych publikacji w

przedstawianym cyklu habilitacyjnym.

R. Szoszkiewicz, Comment about “print your AFM” paper, Review Scientific

Instruments, 83, 037101, 3 pages, (2012). To również była publikacja recenzowana w

systemie peer-review.

W tej publikacji skupiłem się na wyjaśnieniu pewnych istotnych cech spektroskopii sił przy

użyciu AFMu, aby zwrócić uwagę na pewne często popełniane błędy w interpretacji szumu

eksperymentalnego w spektrometrach AFMu. Wytłumaczyłem między innymi jak powinno

się obliczać szum w drganiach belki AFMu. Następnie rozróżniłem przepustowość (ang.

bandwidth) elektroniczną i mechaniczną systemów AFM, wyłuszczyłem ich typowe

ograniczenia, i wytłumaczyłem jak używać tych informacji w celu charakterystyki systemów

spektroskopii sił. W szczególności pokazałem, że przepustowość elektroniczna ma wpływ na

16

amplitudę odpowiedzi belki AFMu, zaś przepustowość mechaniczna definije szybkość

odpowiedzi belki AFMu.

Zmiany Konformacyjne Białek Związane z Procesami ich Rozwijania N. Ploscariu, K. Kuczera, K. E. Malek, M. Wawrzyniuk, A. Dey, and R. Szoszkiewicz,

Single Molecule Studies of Force-Induced S2 Site Exposure in the Mammalian Notch

Negative Regulatory Domain, Journal of Physical Chemistry B, 118(18), 4761-4770

(2014).

Dzięki konstrukcji nowego spektrometru AFM w pracowni Szosz-lab, mogłem skupić się na

studiach mechanicznie indukowanych zmian konformacyjnych w białkach, które mają

znaczenie w transdukcji sygnałów mechanicznych. Przykładem takiego białka jest białko

Notch uczestniczące w blisko-zasięgowej komunikacji międzykomórkowej.

Rysunek 8. Badania procesów aktywacji białka Notch z użyciem spektroskopii sił AFM. STRONA

LEWA: Białko transmembranowe Notch składa się z ektodomeny w skład której wchodzą domeny

EGF-podobne i domena NRR. Część wewnątrzkomórkowa zawiera domenę ICN. Kanoniczny proces

sygnalizacji z użyciem tego białka jest aktywowany gdy którykolwiek z ligandów z rodziny Delta-

Serrate-Lag2 (DLS) zwiąże się do ektodomeny receptorów Notch. Oddziaływania ligand-receptor

powodują zmiany konformacyjne w strukturze domeny NRR, które umożliwiają odsłanianie i cięcie

wiązania peptydowego w miejscu S2 zlokalizowanego w okolicach C-końca domeny NRR. Cięcie to

następuje z użyciem jednej z proteaz rodziny disintegrin i metaloproteaz (ADAM). Następnie,

następuje kolejne cięcie już w części śródmembranowej białka, w miejscu S3, przez γ-sekretazę. W

wyniku cięcia w miejscu S3 uwalniania jest domena ICN, która jest translokowana do jądra

komórkowego, gdzie przyłącza się do niej białko CLS w celu aktywacji ekspresji stosownych genów.

ŚRODEK: Schemat ekperymentu FX AFM w celu badania indukowanego siłą rozciągania białka

NRR. STRONA PRAWA: histogram otrzymanych danych z FX AFM pokazujący cztery klasy

głównych zmian konformacyjnych w proteinie NRR zaobserwowane na skutek jej mechanicznego

rozciągania. Każda z klas odpowiada pewnemu zakresowi długości rozciąganego białka NRR, przy

których zaobserwowano zrywanie stosownych oddziaływań wewnątrz rozfałdowywującej się domeny

NRR. Jak wywnioskowaliśmy z badań struktury krystalicznej białka NRR, a także symulacji

komputerowych, klasa trzecia zmian konformacyjnych zmierzona w trakcie naszych eksperymentów

odpowiada otworzeniu się miejsca S2 dla ataku proteaz.

Komunikacja komórkowa szlakiem Notch-a to bardzo ważny i wysoce konserwatywny szlak

sygnalizacyjny. Kanoniczny mechanizm sygnalizacji za pomocą białka Notch to piękny,

wielostopniowy proces, który został zobrazowany na Rysunku 8. Szlak Notch-a kontroluje

proliferację pewnych typów komórek, śmierć komórkową, a także programy różnicowania

17

się komórek w całym podkrólestwie zwierząt wielokomórkowych. Procesy regulacji

transkrypcji genowej za pomocą szlaku białka Notch są szeroko opisane w literaturze

fachowej przez liczne doniesienia strukturalne i biochemiczne. Jednakże, wiele aspektów

mechanicznych tego szlaku nie jest jeszcze poznanych. W szczególności, niewiele wiadomo

o mechaniźmie odsłaniania i cięcia wiązania peptydowego w miejscu S2 w domenie NRR,

które to cięcie jest kluczowym elementem kaskady sygnalizacyjnej białka Notch i w co

najprawdopodobniej zaangażowana jest również siła mechaniczna.

Używając metod FX AFM dla domeny NRR1 ze ssaczego analogu białka Notch1 (mNRR1)

wraz z odpowiednimi danymi symulacjami dynamiki molekularnej typu „steered molecular

dynamics” dostarczyliśmy zrozumienia procesu odsłaniania miejsca S2 na skutek siły

mechanicznej. Aby przeanalizować odsłanianie się miejsca S2 w ściśle określonej geometrii

rozciągającej zsytetyzowaliśmy zrekombinowane białka I272−mNRR1−I272, gdzie domena

mNRR1 została sflankowana przez dobrze poznane standardy mechaniczne, a mianowicie

białka I27, patrz Rysunek 8. Następnie dostarczyliśmy testów biofizycznych i

biochemicznych pozwalających ocenić aktywność biochemiczną otrzymanych konstruktów

mNRR1. Tutaj między innymi przeprowadziliśmy testy cięcia I272−mNRR1−I272 przez

stosowne proteazy z rodziny ADAM-ów. Następnie, używając spektroskopii sił FX AFM

zebraliśmy dane zmian konformacyjnych w białku I272−mNRR1−I272 na skutek jego

rozciągania mechanicznego przy pomocy belki AFM. W szczególności wyznaczyliśmy

przedziały długości rozciąganego białka (N-to-C termini lengths) przy których następują

poważniejsze zmiany konformacyjne wewnątrz domeny mNRR1. Dzięki dostępnym danym

literaturowym jak i symulacjom dynamiki molekularnej zgrupowaliśmy otrzymane zmiany

konformacyjne w cztery klasy, odpowiadające czterem najbardziej prawdopodobnym krokom

procesu rozwijania się domeny mNRR1. Dokładnie przedyskutowaliśmy zarówno możliwe

zmiany konformacyjne w każdej z klas jak i zakres i znaczenie średnich sił potrzebnych do

realizacji każdej z tych klas. Następnie przeprowadziliśmy analizę prawdopodobieństwa

warunkowego, która poparła istniejącą w literaturze hipotezę o sekwencyjnym rozwijaniu się

domeny mNRR1, tzn. rozfałdowywaniu się według schematu klasa 1 -> klasa 2 -> klasa 3 ->

klasa 4. Na podstawie naszych symulacji komputerowych przypisaliśmy pierwsze trzy klasy

rozwijania się mNRR1 procesom uwieńczonym całkowitym odsłonieniem miejsca S2.

Zmierzone średnie siły potrzebne do realizacji zdarzeń w każdym z pierwszych trzech klas

zdarzeń były pomiędzy 70 pN a 90 pN i przy szybkościach ciągnięcia 400 nm/s. Pokazaliśmy

następnie, że te bardzo znaczące siły stanowią efektywną barierę przed odsłonięciem miejsca

S2 in vivo, i wymagają skoordynowanej, a nie przypadkowej, aplikacji siły i to za pomocą

paru kroków. Nasze rezultaty badawcze otworzyły drogę do studiów aktywacji receptorów

białek typu Notch na poziomie pojedynczej cząsteczki w warunkach fizjologicznych.

Zmiany Konformacyjne Związane z Fałdowaniem się Wybranych

Białek. Oprócz studiowania procesów mechanicznie indukowanego rozfałdowywania się wybranych

białek, skupiłem się również na nowatorskich badaniach biofizycznych procesu fałdowania

się białek na poziomie pojedynczej cząsteczki.

18

Proces fałdowania się białek został uznany za jedno z największych wyzwań naukowych

następnego ćwierćwiecza w roku 2005 przez Science Magazine, i to pomimo ponad 40 lat

badań na ten temat. Jest tak dlatego, że liczba dostępnych schematów procesu zwijania białek

i to nawet dla małych białek jest astronomicznie duża a środowisko komórkowe, w którym

odbywa się ten proces in vivo jest zatłoczone przez wielu innych cząsteczek, które mogą

pomóc, ale też utrudnić, lub nawet odwrócić ten proces. Co więcej, proces zwijania się białek

ma związek z wieloma chorobami, takich jak choroba Creutzfelda-Jakoba, choroba

Alzheimera, choroba Huntingtona, i choroba Parkinsona. Błędy w procesie zwijania się

białek lub ich nadmierna degradacja prowadzą do chorób takich jak mukowiscydoza. Stąd też

studia procesów zwijania się białek stały się jednym z centralnych pytań nauki na pograniczu

fizyki, chemii i biologii.

Eksperymenty z wykorzystaniem spektrometrii FX FC AFM są w stanie wywierać na

pojedyncze cząsteczki siły rzędu pikoniutonów, które to siły są siłami fizjologicznymi i stąd

są aplikowalne do studiów rozfałdowywania i fałdowania się pojedynczych cząsteczek

białek. Dodatkowo, wydaje się, że to właśnie szczegółowe badania zmian konformacyjne w

czasie trajektorii fałdowania się prostych białek są w stanie przynieść znaczący postęp w

dogłębnym zrozumieniu procesów fałdowania się białek. Niemniej jednak zarówno

rozdzielczość w detekcji zmian długości rozciąganego i zwijanego białka jak i czasów tych

zmian są wciąż niewystarczające do badania szybkich zmian konformacyjnych w

niskocząsteczkowych białkach. Eksperymentalnie osiągalna kontrola pozycji belki AFM jest

obecnie rzędu paru nanometrów, i co za tym idzie śledzenie zmian konformacyjnych białek w

tym zakresie, nie jest obecnie możliwe dla giętkich belek AFM zoptymalizowanych w celu

wywierania na białka sił w zakresie paru pN. Obecne możliwości detekcji zmian pozycji

belek AFMu z rozdzielczością milisekundową są również niewystarczające dla badań

szybkich przejść konformacyjnych w prostych białkach. Stąd też, postanowiłem skupić się na

detekcji procesów zwijania się prostych białek poprzez detekcję własciwości mechanicznych

badanych cząsteczek.

K. E. Malek and R. Szoszkiewicz, Changes of protein stiffness during folding detect

protein folding intermediates, Journal of Biological Physics 40(1), 15-23 (2014).

W omawianej publikacji pokazaliśmy jak zmierzyć zmiany sztywności mechanicznej prostej

cząsteczki białka I27 w trakcie jej fałdowania się in situ w konfiguracji eksperymentalnej

typu force-clamp AFM, a więc podobnie jak na Rysunku 1. Wybraliśmy cząsteczkę I27

bowiem jest ona przykładem prostej cząsteczki białka z jednym typem struktury

drugorzędowej, tutaj: struktury typu beta kartka. Następnie pokazaliśmy, patrz Rysunek 9,

jak wywnioskować ze zmiany sztywności mechanicznej obecność zbioru tranzytywnych

stanów przejściowych w procesie fałdowania się białka I27. Stany te składają się

najprawdopodobniej ze skolapsowanych, niesfałdowanych jeszcze struktur I27. Wedle

opublikowanych wcześniej symulacji dynamiki Langevina przez grupę Prof. Thirumalai-a z

Uniwersytetu College Park w stanie Maryland, USA, struktury te pojawiają się w trakcie

fałdowania się cząsteczek I27 zarówno ze stanów rozciągniętych przez siłę mechaniczną jak i

ze stanów uprzednio zdenaturowanych termicznie.

19

Rysunek 9. Tranzytywne sztywności fałdującej się cząsteczki I27. Panel lewy: Używając

eksperymentów typu force-quench AFM dla cząsteczek I274 byliśmy w stanie rozfałdowywać, a

następnie pozwolić cząsteczkom I27 sfałdować się z powrotem. Podobnie jak na Rysunku 1, dla modu

FC AFM, w początkowym stadium cząsteczki I27 są rozciągane, a proces rozwinięcia się każdego z

modułów I27 powoduje skokową zmianę długości rozciąganego białka, co jest zaznaczone za pomocą

gwiazdek. Po rozwinięciu się całej struktury I274, siła rozciągająca zostaje powoli zmniejszana i

molekuła I274 zaczynała się zwijać, co jest widoczne w zmniejszaniu się długości rozciągniętego

białka. Po pozostawieniu cząsteczki białka przez parę sekund przy bardzo małej sile rozciągającej

(tutaj ~15 pN), siła rozciągająca jest powtórnie zwiększana. W zaprezentowanym przykładzie

cząsteczka I27 nie zdołała się poprawnie sfałdować co widać brakiem skokowej zmiany długości

białka. Panel prawy: Dzieląc przez siebie cząstkowe zmiany długości (DL) rozciąganej cząsterczki

I274 przez zmiany siły rozciągającej (DF) policzyliśmy cząsteczkową giętkość (ang. compliance), Cm,

podczas trajektori fałdowania się cząsteczek I27. Następnie, obliczyliśmy średnie kwadratowe

fluktuacje długości <(L)2> fałdującej się proteiny względem wartości średnich zmian długości

białka. Następnie otrzymaliśmy zależność <(L)2> vs. Cm, której tu nie pokazano. I wreszcie,

obliczyliśmy autokorelację zależności <(L)2> vs. Cm. Otrzymane maksima lokalne tak

przedstawionej tu autokorelacji przyporządkowaliśmy zbiorowi tranzytywnych „sztywności”

cząsteczki białka. Obliczeń dokonano wewnątrz zacieniowanego na panelu górnym (ang. „region of

interest”) i w interwałach czasowych 1 ms. Pokazane dane to rezultaty uśrednień dla sześciu

trajektorii z udziałem czterech domen I27, 25 trajektorii z udziałem trzech domen I27, 20 trajektorii z

udziałem dwóch domen I27, i 10ciu trajektorii z udziałem jednej domeny I27.

N. Ploscariu, R. Szoszkiewicz, A method to measure nanomechanical properties of

biological objects, Applied Physics Letters 103, 263702 (2013).

Jak zauważyliśmy w omówionej powyżej pracy, znajmość „giętkości” bądź „sztywności”

cząsteczkowych nie jest wystarczająca do rozróżnienia pomiędzy różnymi konformacjami

przejściowymi fałdującej się cząsteczki białka. Jednakże, jeśli moglibyśmy zmierzyć więcej

parametrów mechanicznych, wówczas dokładniejsza charakteryzacja fałdującej się cząsteczki

byłaby możliwa. Stąd też zaadoptowaliśmy model reologiczny Kelvina-Voighta, aby w

20

przyszłości wyznaczyć nie tylko molekularną sztywność fałdującej się cząsteczki wzdłuż

kierunku działania siły mechanicznej, ale tzw. sygnaturę mechaniczną fałdującej się

cząsteczki. Zaadoptowana przez nas sygnatura mechaniczna, patrz Rysunek 10, składa się z

czterech parametrów: dwóch wartości sztywności wzdłuż dwóch ortogonalnych kierunków, a

także związanych z nimi molekularnych czynników tłumienia. Następnie opracowaliśmy

model analityczny w celu otrzymania sygnatury mechanicznej fałdujących się białek z

pomiarów zachowania się częstostotliwości rezonansowych belek AFM w kontakcie z

rozwijającymi się białkami. Punktem wyjścia jest znajomość geometrycznych i

mechanicznych właściwości belki AFMu oraz lepkości i gęstości roztworu. Model ten został

opracowany dla typowych giętkich belek AFM o małym ilorazie ich długości do szerokości i

biorąc pod uwagę opór hydrodynamiczny roztworu. Używając tego modelu obliczyliśmy

częstotliwości rezonansowe studiowanych belek AFM w powietrzu, a następnie zmiany tych

częstotliwości dla belek w roztworze typowego buforu i wreszcie belek w buforze i w

kontakcie z natywnymi prostymi białkami, jak I27. Założyliśmy przy tym parametry

sygnatury mechanicznej I27 wywnioskowane z dostępnych danych literaturowych. W

przyszłości nasz model powinien mieć zastosowanie do detekcji zmian mechanicznych w

strukturze białek w różnych stadiach ich zwijania się, co jest celem moich przyszłych prac w

tym kierunku badawczym.

Rysunek 10. Sygnatura mechaniczna proteiny w kontakcie z belką AFM. Panel lewy: Model

reologiczny obrazujący cząsteczkę białka jako dwie sprężynki dyssypatywne o uśrednionej sztywności

(k) i czynnikach dyssypacji energii () odpowiednio w kierunkach normalnym i prostopadłym do

powierzchni próbki. Panel prawy:„Experimental data”, dane w kolorze czerwonym; wykres ten

obrazuje transformaty Fouriera z detekcji drgań belki AFM obrazujące pierwszych pięć modów

fleksyjnych tejże belki w roztworze typowego buforu (tutaj: PBS) stosowanego do badań zwijania i

rozciągania białek za pomocą spektroskopii sił AFM. „Generalized hydrodynamic function”, dane w

kolorze niebieskim: wykres ten przedstawia częstotliwości rezonansowe badanej belki AFM w

roztworze PBS wyznaczone za pomocą naszego modelu.”Expected shift in frequency….”, dane w

kolorze zielonym, linia przerywana: wykres przedstawia wyznaczone z naszego modelu zmiany

częstotliwości rezonansowych drgań fleksyjnych belki AFM w kontakcie z białkiem opisanym

sygnaturą mechaniczną z panelu lewego przy następujących parametrach dla sfałdowanej cząsteczki

prostego białka kn = klat = 10 pN/nm and n = lat = 10-8

kg/s w PBSie.

R. Szoszkiewicz, Force-extension (FX) and force-clamp (FC) AFM spectroscopies in

investigating mechanochemical reactions and mechanical properties of single

21

biomolecules in Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology, p.

395-424, edited by B. Bhushan, Springer-Verlag, Heidelberg (2010).

W tym rozdziale książkowym dokonałem przeglądu kluczowych technik eksperymentalnych

używanych obecnie do otrzymania informacji na temat zmian konformacyjnych w

biomolekułach poddanych kontrolowanemu rozciąganiu i kompresji. W szczególności,

przedyskutowałem zastosowania metod typu FX AFM i FC AFM do próbkowania stabilności

mechaniczej pojedynczych cząsteczek białek i polisacharydów, a także studiów procesów

redukcji pojedynczych wiązań dwusiarczkowych w białkach. Dodatkowo, przedstawiłem

swój punkt widzenia na perspektywy rozwoju studiów reakcji mechanochemicznych z

użyciem białek i własności mechanicznych pojedynczych biomolekuł jak białka, cząsteczki

RNA i cząsteczki DNA.

5. Publikacje niemogące wejść w skład osiągnięcia naukowego.

Publikacja opisana poniżej nie mogła wejść w skład opisanego powyżej osiągnięcia gdyż nie

udało mi się dotrzeć do jednego ze współautorów, Dr. Tzu-Ling Kuo. Niemniej jednak dla

kompletu opisuję poniżej tą publikację.

S. Garcia-Manyes, J. Liang, R. Szoszkiewicz, T.-L. Kuo, J. M. Fernandez, Force

activated reactivity switch in a bimolecular chemical reaction, Nature Chemistry, 1, 236

(2009);

Impact Factor: 17.927 (2010) – czasopismo zapoczątkowało istnienie w roku 2009, stąd też pierwszy

opublikowany impact factor pochodzi z roku 2010; 24.537 (5 year).



Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 10%. Mój wkład pracy polegał na dostarczeniu danych FC

AFM dla jednego z reduktorów wiązań dwusiarczkowych: molekuły TCEP.

Publikacja ta powstała na bazie naszej studiów w celu poszukiwania odpowiedzi na

podstawowe pytania dotyczące rozciągania się wiązania dwusiarczkowego do stanu

przejściowego w procesie jego redukcji indukowanej siła mechaniczną. W szczególności

nurtowała nas odpowiedź na następujące pytania: jaki potencjał fizyczny opisuje rozciąganie

się i zrywanie wiązań dwusiarczkowych, i czy model Bell-a opisany równaniem nr 1

rzeczywiście stosuje się w całym eksperymentalnie osiągalnym zakresie sił rozciągających

wiązanie –S-S-.

W roku 2006 Dudko et al., PRL, otrzymali, że zależność stałej szybkości rozrywania się

pojedynczych wiązań chemicznych powinna być opisana następującym równaniem:

1

11

0 11exp1)(G

xF

Tk

G

G

xFkFk

B

Równanie 4

W powyższym równianiu wartość v zależy od wyboru właściwego potencjału opisującego ten

proces: v =1 w przypadku modelu Bell-a, v = 2/3 w przypadku potencjału liniowego z

22

rozciąganiem, który transformuje się w zależność kubiczną w bliskiej okolicy stanu

przejściowego, i v = 0.5 w przypadku potencjału harmonicznego dla początkowego stadium

rozciągania wiązania, który to przechodzi przechodzi gwałtownie do zera w wyniku

rozerwania się wiązania i szybkiej separacji uczestniczących w nim atomów.

Aby sprawdzić, które z proponowanych przez równanie 4 rozwiązań jest najbliższe opisu

rzeczywistej sytuacji eksperymentalnej, zaczeliśmy studia zależności stałej k w zakresie

“dużych” sił. Nasze początkowe rezultaty, patrz rysunek 11, potwierdziły znaczące

odchylenia od liniowości ln(k) vs. F. Jednakże, zakres użytych sił nie pozwolił nam na

rozróżnienie, który z opisanych modeli aplikuje się najlepiej do naszych danych. Stąd też

potrzebowaliśmy danych dla większej siły rozciągającej. Używając typowych związków

redukcji jak DTT lub TCEP nie pozwoliło nam na otrzymanie większej ilości danych dla sił

rozciągających powyżej 700 pN, patrz rysunek 11.

Rysunek 11. Wyniki naszych

początkowych studiów FC AFM

pokazujące logarytm naturalny ze stałej

szybkości redukcji pojedynczego

wiązania siarkowego w cząsteczce I278

przez TCEP (oś rzędnych po lewej

stronie) w funkcji siły rozciągającej.

Przedstawiono dwa zbiory niezależnie

otrzymanych danych oznaczone

odpowiednio kolorami niebieskim i

czerwonym. Dla kompletu oś rzędnych po

prowej stronie i dane w kolorze zielonym

przedstawiają logarytm naturalny ze

stałej szybkości procesu rozwijania się

białek I278 do momentu ekspozycji

wiązań dwusiarczkowych, patrz Rysunek

1. Przedstawione dane pokazują

odstępstwa od modelu Bela dla procesów

redukcji wiązań dwusiarczkowych przy

siłach rozciągających powyżej 400 pN.

Dopiero, kiedy zdecydowaliśmy się użyć innego reduktora wiązań dwusiarczkowych, tj.

jonów hydroksylowych, OH-, byliśmy w stanie zebrać dane pomiarowej dla znacząco

większego reżimu sił rozciągających niż wcześniej. Zebraliśmy dane przy różnych

wartościach pH, lub też stężenia jonów OH-, które to pokazujemy na rysunku 12. Dane dla

jonów OH- nakładają się na dane dla TCEPu, co pokazuje najprawdopodobniej ten sam

mechanizm reakcyjny w obu przypadkach.

Jednakże wyniki naszych badań przedstawione na Rysunku 12 przyniosły zaskakujące

rezultaty. Zamiast oczekiwanych odchyleń od modelu Bell-a otrzymaliśmy przejście między

dwoma reżimami reakcyjnymi określonymi odpowiednio parametrami Δx = 0.50 Å i Δx =

0.11 Å. Dane te wytłumaczyliśmy na parę możliwych sposobów, patrz Rysunek 12.

Następnie używając paru różnych mutantów z wiązaniami dwusiarczkowymi w różnych

23

miejscach białka I27 pokazaliśmy dokładnie takie samo zachowanie się stałej szybkości

reakcji niezależnie od lokalizacji wiązania dwusiarczkowego w białku.

Rysunek 12. Zmiany reaktywności wiązania dwusiarczkowego w procesie jego redukcji w funkcji

siły rozciągającej. A) Wykres zmiany stałej szybkości redukcji wiązania dwusiarczkowego dla

reduktorów w postaci jonu hydroksylowego i cząsteczki TCEP. Część zacieniona pokazuje przejście

między reżimem z Δx = 0.50 Å do reżimu z Δx = 0.11 Å. B) Proponowane zmiany energetyki reakcji

dla jednego z zaproponowanych mechanizmów tłumaczących dane eksperymentalne. C) Według

zaproponowanego mechanizmu dla małych sił rozciągających redukcja wiązania dwusiarczkowego

przebiega w konformacji „cis”. Dla większych sił rozciągających następuje zmiana konformacyjna

wiązania –S-S- do konfiguracji „trans”. Wiązanie w konfiguracji „trans” jest bardziej wydłużone, a

więc bliższe stanowi przejściowemu reakcji redukcji niż w konfiguracji „cis”. Stąd też zarówno

bariera energetyczna jak i średni dystans do stanu przejściowego (Δx) są mniejsze w konfiguracji

„trans” niż „cis”.

5. Omówienie pozostałych osiągnięć naukowo - badawczych (artystycznych). Podczas lat 1999 a 2003 byłem studentem-doktorantem na Wydziale Fizyki Szwajcarskiej

Politechniki Rządowej w Lozannie (EPFL). Podczas swoich studiów doktoranckich

zaangażowałem się w badania w domenie fizyki w nanoskali. W szczególności, badałem

związki między lokalną histerezą adhezji a tarciem dla serii materiałów inżynierskich takich

jak powierzchnie tlenków metali czy złota, ale również dla pewnych polimerów

amorficznych jak i białek. Na podstawie wyników eksperymentalnych stworzyłem model

fizyczny opisujący zbadane zjawiska fizyko-chemiczne w opisywanych reżimach: ciało stałe

krystaliczne, polimer amorficzy, białko. W trakcie tej pracy rozwinąłem również

zaawansowane techniki badawcze służące do poznania procesów histerezy adhezji i związane

z ultradźwiękową mikroskopią sił atomowych (ang. ultrasonic force microscopy) i

nanoindentacją. Nowa wiedza otrzymana w trakcie tych studiów posłużyła również do

badania stopnia uwodnienia warstw białkowych osadzonych na powierzchniach inżynierskich

i badanych w powietrzu. Pomiary te stały się możliwe dzięki próbkowaniu histerezy sił

kapilarnych. Rezultaty badań przeprowadzonych w trakcie mojego doktoratu zostały

zaprezentowane na wielu konferencjach naukowych i opublikowane w wymienionych

poniżej siedmiu publikacjach i jednym z rozdziałów książkowych:

R. Szoszkiewicz, B. Bhushan, B. D. Huey, A. J. Kulik, G. Gremaud, Adhesion hysteresis and

friction at nanometer and micrometer lengths (tłumaczenie polskie: Histereza adhezji i tarcie

w skalach nanometrycznych i mikrometrycznych), Journal of Applied Physics 99, 014310

(2006).

A B C

24




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 75%; Uczestniczyłem w wytyczaniu tego kierunku

badawczego, zebrałem wszystkie dane eksperymentalnych i zrobiłem ich analizę, uczestniczyłem w

stworzeniu modelu fizycznego opisującego badane korelacje, i wreszcie napisałem tą publikację.

R. Szoszkiewicz, B. Bhushan, B. D. Huey, A. J. Kulik, G. Gremaud, Correlations between

adhesion hysteresis and friction at molecular scales (tłumaczenie polskie: Związki między

histerezą adhezji i tarciem w skalach molekularnych), Journal of Chemical Physics 122, 144708

(2005).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 75%; Zebrałem wszystkie dane eksperymentalne i zrobiłem

ich analizę, uczestniczyłem w stworzeniu modelu fizycznego, i wreszcie napisałem tą publikację.

R. Szoszkiewicz, A.J. Kulik, G. Gremaud, Quantitative measure of nanoscale adhesion hysteresis

by ultrasonic force microscopy (tłumaczenie polskie: Kwantytatywne pomiary adhezji histerezy w

w nanoskali z użyciem ultradźwiękowej mikroskopii sił atomowych), Journal of Chemical

Physics 122, 134706 (2005).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 80%; Zebrałem wszystkie dane eksperymentalnych i

zrobiłem ich analizę, uczestniczyłem w stworzeniu modelu fizycznego, i wreszcie napisałem tą

publikację.

R. Szoszkiewicz, A. J. Kulik, G. Gremaud, M. Lekka, Probing local water contents of in vitro

protein films by ultrasonic force microscopy (tłumaczenie polskie: Pomiary lokalnej zawartości

wody w filmach białkowych in vitro z użyciem ultradźwiękowej mikroskopii sił atomowych),

Applied Physics Letters 86, 123901 (2005)




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 80%; Wytyczyłem ten kierunek badawczy, zebrałem

wszystkie dane eksperymentalnych i zrobiłem ich analizę, stworzyłem modelu fizyczny tłumaczący

badane wyniki, i wreszcie napisałem tą publikację.

B. D. Huey, C. Ramanujan, M. Bobji, J. Blendell, G. White, R. Szoszkiewicz, A. J. Kulik, The

importance of distributed loading and cantilever angle in piezo-force microscopy (tłumaczenie

polskie: Znaczenie zdystrybuowanej siły i kąta natarcia belki AFM względem powierzchni próbki

w mikroskopii piezoelektrycznej), Journal of Electroceramics 13, 287-291 (2004).




25

Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 5%; Uczestniczyłem w projektowaniu symulacji

komputerowych do tego artykułu i miałem mały wkład w napisanie tego manuskryptu.

R. Szoszkiewicz, G. Gremaud, B. D. Huey, A. J. Kulik, How ultrasound can help with connecting

friction and adhesion hysteresis at local scales (tłumaczenie polskie: Jak ultradźwięki mogą

pomóc w znalezieniu relacji pomiędzy tarciem a histerezą adhezji w skalach lokalnych), rozdział

w książce “Acoustical Imaging 27”, 741-748 (2004).

Impact Factor: none published

Punkty według Listy Ministerialnej z dnia 31 grudnia 2014: not on the list

Cytowania: Web of Science: not on the list Google Scholar: not on the list


ich analizę, a także napisałem tą publikację.

G. Rochat, Y. Leterrier, C. J. G. Plummer, J. A. E. Manson, R. Szoszkiewicz, A. J. Kulik, P.

Fayet, Effect of substrate crystalline morphology on the adhesion of plasma enhanced chemical

vapor deposited thin silicon oxide coatings on polyamide (tłumaczenie polskie: Wpływ

krystalicznej morfologii substratu na adhezję cienkich warstw krzemionki naniesionej metodą

chemicznego osadzania z fazy gazowej na powierzchniach poliamidowych), Journal of Applied

Physics, 95, 5429 (2004).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 15%; Wykonałem badania lokalnej sztywności powłok

krzemionkowych za pomocą nowatorskiego podejścia z wykorzystaniem techniki SLAM (ang.

scanning local acceleration microscopy), a także dokonałem interpretacji i opisu uzyskanych

wyników.

R. Szoszkiewicz, B. D. Huey, O. V. Kolosov, G. A. D. Briggs, G. Gremaud, A. J. Kulik,

Tribology and ultrasonic hysteresis at local scales (tłumaczenie polskie: Trybologia i histereza

ultradźwiękowa w skalach lokalnych), Applied Surface Science 210, 54 (2003).





ich analizę, a także uczestniczyłem w pisaniu tej publikacji.

Po ukończeniu doktoratu w październiku 2003 zaakceptowałem pozycję naukowca na stażu

podoktorskim na Wydziale Fizyki na Uniwersytecie Technologicznym w Stanie Georgia

(Georgia Tech) poczynając od stycznia 2004 w grupie Prof. Elizy Riedo. W Georgia Tech-u

zajmowałem się badaniami podstawowymi z dziedziny fizyki w nanoskali. Początkowo

zająłem się badaniami kondensacji wody w skalach lokalnych. Badałem procesy formowania

i rozrywania mostków wodnych pomiędzy nanowymiarowymi chropowatościami na

powierzchniach materiałów inżynierskich takich jak szkło czy mika, a atomowo-ostrymi

ostrzami belek AFM. Następnie studiowałem lepkość i procesy dyssypacji energii

mechanicznej pomiędzy warstwami cząsteczek wody usieciowanymi na arbitralnych

powierzchniach hydrofilowych i hydrofobowych. Rezultaty tych badań zostały zaaplikowane

26

póżniej przez innych naukowców do studiów organizacji warstw wody na powierzchniach

żywych komórek. Wyniki tych badań były prezentowane na wielu prezentacjach naukowych

i opublikowane w następujących czterech publikacjach:

R. Szoszkiewicz, E. Riedo, Nanoscopic friction as a probe of local phase transitions

(tłumaczenie polskie: Badania tarcia w nanoskali jak metoda wykrywania lokalnych przejść

fazowych), Applied Physics Letters 87, 033105 (2005).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 60%; Wykonałem i opracowałem wszystkie dane

eksperymantalne. Pomagałem w pisaniu tej publikacji.

R. Szoszkiewicz, E. Riedo, Nucleation time of nanoscale water bridges (tłumaczenie polskie:

Czas nukleacji mostków wodnych w nanoskali), Physical Review Letters 95, 135502 (2005).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 80%. Wykonałem i zanalizowałem wszystkie dane

eksperymantalne. Napisałem tą publikację.

T.-D. Li, J. Gao, R. Szoszkiewicz, U. Landman, E. Riedo, Structured and viscous water in

sub-nanometer gaps (tłumaczenie polskie: Ustrukturyzowana i lepka woda w przestrzeniach

sub-nanometrycznych), Physical Review B 75, 115415 (2007)




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 15%; Pomagałem zbierać dane eksperymentalne,

dostarczyłem niektórych obliczeń koniecznych do tej publikacji, pomagałem pisać tą publikację.

L. Sirghi, R. Szoszkiewicz, E. Riedo, Volume of a nanoscale water bridge (tłumaczenie polskie:

Objętość mostku wodnego w nanoskali), Langmuir 22, 1093 (2006)




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 25%; Pomagałem w analizie danych eksperymentalnych i

pisaniu tej publikacji.

Również w Georgia Tech-u, w grupie Prof. Riedo, wynalazłem termochemiczną nanolitografię

ciepłem (ang. thermochemical nanolithography, TCNL). W metodzie tej, gorąca belka AFM

wywołuje sterowaną ciepłem reakcję chemiczną na arbitralnej powierzchni. Koncept tej metody

wymyśliłem i pokazałem dla powierzchni polimerowych. Wyniki tych badań zostały opublikowane w

dwóch publikacjach i dwóch zgłoszeniach patentowych:

R. Szoszkiewicz, T. Okada, S. C. Jones, T.-D. Li, W. P. King, S. R. Marder, E. Riedo, High-

speed, thermochemical nanolithography with sub-15 nm feature size (tłumaczenie polskie:

Szybka nanolitografia termomechaniczna o rozdzielczości sub-15 nanometrowej), Nano

Letters, 7(4), 1064 (2007)

27




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 50%; Wynalazlem tą metodę i dostarczyłem pierwszych

wyników eksperymentalnych i obliczeń. Wniosłem też znaczący wkład w napisanie tej publikacji.

D. Wang, R. Szoszkiewicz, T. Okada, S. C. Jones, M. Lucas, W. P. King, S. R. Marder, E.

Riedo, Local wettability modification by thermochemical nanolithography with write-read-

overwrite capability (tłumaczenie polskie: Lokalne zmiany zwilżania powierzchni

polimerowych z użyciem termolitografi ciepłem z modzie zapisu-ścierania-powtórnego

zapisu), Applied Physics Letters, 91, 243104 (2007).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 25%. Byłem pierwszym, który zaobserwował potencjał i

możliwości metody TCNL do użycia w modzie zapisu – ścierania – powtórnego zapisu. Zebrałem

pierwsze dane eksperymentalne na ten temat.

E. Riedo, S. Marder, D. Wang, J. Curtis, S. Jones, T. Okada, R. Szoszkiewicz, V. Kodali, C.

Henderson, Y. Hua, W. de Heer, Thermochemical nanolithography: components, systems and

methods (tłumaczenie polskie: Termochemiczna nanolitografia ciepłem: komponenty, systemy

i metody), Dokonano dwóch zgłoszeń patentowych: zgłoszenia w Stanach Zjednoczonych

Ameryki Północnej, zgłoszenie numer 12/791,466 i zgłoszenia w Międzynarodowym

Urzędzie Patentowym w Genewie, w Szwajcarii do patentu o zasięgu ogólno-światowym,

zgłoszenie numer PCT/US10/36871. Obydwa patenty zostały przyznane, odpowiednio w

latach 2013 i 2012. Technologia ta została zlicencjonowana w Stanach Zjednoczonych,

niemniej jednak firma, która wykupiła tą technologię upadła.


Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 15%. Wynalazłem ten pomysł i dostarczyłem pierwszych

wyników eksperymentalnych i obliczeń potwierdzających możliwości tej metody.

Na dzień dzisiejszy metoda TCNL została bardzo szeroko rozwinięta przez wiele grup badawczych, w

szczególności w Europie i Stanach Zjednoczonych, w aplikacjach wywoływania kontrolowanych

ciepłem reakcji na powierzchniach materiałów półprzewodnikowych, polimerów

elektroluminescencyjnych, do redukcji mono-atomowych warstw tlenku grafenu, a także do

deprotekcji pewnych grup chemicznych na powierzchniach polimerów organicznych w celu

utworzenia matryc do adsorbcji białek i cząsteczek DNA.

Dodatkowo, w trakcie mojej pracy na Georgia Tech-u, dostarczałem wielu analiz za pomocą

mikroskopii AFM, jak np. analizy nanostruktury powierzchni organicznych ogniw fotowoltaicznych

opartych o fulereny i polimery organiczne. Badania te zostały opublikowane w następującej

publikacji:

S. Yoo, W. J. Potscavage Jr., B. Domercq, S.-H. Han, T.-D. Li, S. Jones, R. Szoszkiewicz, D.

Levi, E. Riedo, S. R. Marder, B. Kippelen, Analysis of improved photovoltaic properties of

pentacene/C60 organic solar cells: Effects of exciton blocking layer thickness and thermal

annealing (tłumaczenie polskie: Analiza ogniw słonecznych o udoskonalonych

właściwościach fotowoltaicznych: efekty grubości warstwy blokującej ekscytony a także

wygrzewania), Solid-State Electronics, 51, 1367 (2007).

28




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 5%; Zebrałem i zinterpretowałem część danych AFM do

charakteryzacji morfologicznej powierzchni otrzymanych ogniw fotowoltaicznych.

I wreszcie, również na Georgia Tech-u włożyłem znaczący wkład pracy w napisanie trzech

następujących rozdziałów książkowych:

D. Wang, R. Szoszkiewicz, Vamsi Kodali, Jennifer Curtis, Seth Marder, E. Riedo, A new

AFM based lithography method: Thermochemical Nanolithography (tłumaczenie polskie:

Nowa metoda litograficzna oparta o AFM: Termochemiczna nanolitografia ciepłem), rozdział

w książce: Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology, 795-812,

edytor: Prof. Bharat Bhushan, wydawnictwo: Springer-Verlag, Heidelberg, 2010.

Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 10%; Napisałem małą część tego rozdziału książkowego.

L. Merchan, R. Szoszkiewicz, E. Riedo, NanoMechanics: elasticity in nano-objects

(tłumaczenie polskie: Nanomechanika: elastyczność nano-obiektów), rozdział w książce:

Fundamentals of friction and wear - Springer Book, 219-254, edytorzy: Prof. E. Meyer,

Dr. E. Gnecco, wydawnictwo: Springer-Verlag, Heidelberg, 2007.

Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 40%; Napisałem znaczącą część tego rozdziału książkowego.

R. Szoszkiewicz, E. Riedo, New AFM developments to study elasticity and adhesion at the

nanoscale (tłumaczenie polskie: Nanomechanika: elastyczność nano-obiektów), rozdział w

książce: Applied Scanning Probe Methods V, 269-286, edytorzy: Prof. Bharat Bhushan,

Prof. H.Fuchs, Prof. S. Kawata, wydawnictwo: Springer-Verlag, Heidelberg, 2007.

Cytowania: Web of Science: 1

Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 70%; Napisałem większość tego rozdziału książkowego.

Od stycznia 2007 zaakceptowałem pozycję naukowca na stażu podoktorskim w grupie Prof.

Julio Fernandeza, na Wydziale Nauk Biologicznych Uniwersytetu Columbia w Nowym

Jorku, w Stanach Zjednoczonych Ameryki Północnej. W trakcie tego stażu skupiłem się na

badaniach biofizyki procesów zmian konformacyjnych w białkach indukowanych siłą

mechaniczną. Prace z tego okresu są opisane w przedstawionym tutaj cyklu habilitacyjnym.

Od czerwca 2008 zaakceptowałem samodzielną pozycję typu „Assistant Profesor” na

wydziale Fizyki Uniwersytetu Stanowego w Kansas (KSU), w Stanach Zjednoczonych

Ameryki Północnej. Po rygorystycznej ocenie, tzw. tenure review, w marcu 2014 otrzymałem

awans na stanowisko Associate Professor i tzw. Tenure, a więc stałą posadę na uniwersytecie.

W KSU kontynuowałem swoje prace badawcze z zakresu biofizyki i fizyki materiałowej z

wykorzystaniem nanolitografii TCNL. Angażowałem się również w pomoc innym

naukowcom w badaniach pokrewnych, jak np. badaniach właściwości adsorpcyjnych i

morfologicznych kompleksów pewnych peptydów z cząsteczkami DNA:

Avila-Flores, L. Aps, P. Sukthankar, N. Ploscariu, S. Gudlur, L. Simo, R. Szoszkiewicz, Y.

Park, S. Lee, T. Iwamoto, and J. Tomich, Branched amphiphilic cationic oligo-peptides form

peptiplexes with DNA: A study of their biophysical properties and transfection efficiency

(tłumaczenie polskie: Rozgałęzione amfifilowe polipeptydy kationowe tworzące kompleksy z

29

cząsteczkami DNA: studia ich właściwości biofizycznych i wydajności transfekcji), Molecular

Pharmaceutics 12, 706-715 (2015).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 5%; Zebrałem pierwsze dane AFM i pomogłem w

interpretacji wyników pomiarowych.

W trakcie moich badań w dziedzinie fizyki materiałowej na KSU skoncentrowałem się

głównie na zrozumieniu procesów powstawania zmarszczek powierzchniowych na

wybranych powierzchniach polimerów i kopolimerów. Badania te dostarczyły zrozumienia

powiązań między właściwościami wiskoelastycznymi, a procesami erozji i mikro-transportu

materiału polimerowego na powierzchni polimerów wskutek lokalnego grzania tychże

powierzchni. Rezultaty tych badań zostały przedstwione na wielu wystąpieniach naukowych i

opisane w pięciu zrecenzowanych publikacjach:

R. Szoszkiewicz and E. Riedo, Sliding charges (tłumaczenie polskie: Przesuwające się ładunki),

Nature Materials (News and Views), 13, 666-668 (2014).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 80%; Dostaczyłem pomysłu i napisałem na tą publikację.

R. H. Rice, E. Gnecco, W. P. King, and R. Szoszkiewicz, Heterogeneity of spiral wear patterns

produced by local heating on amorphous polymers (tłumaczenie polskie: Heterogeniczność

spiralnych struktrur topograficznych wytworzonych na powierzchniach polimerów amorficznych

wskutek lokalnego grzania), Materials Chemistry and Physics 141(1), 477-481 (2013).




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 50%; Wymyśliłem ten kierunek badawczy, dostarczyłem

kierunków analizy danych, i napisałem tą publikację.

R. H. Rice, E. Gnecco, R. Wannemacher, and R. Szoszkiewicz, Velocity dependence of nano-

abrasive wear obtained using a spiral scan pattern (tłumaczenie polskie: Zależność procesu

wyżłabiania spiralnych struktur w wartswach polimerowych od szybkości tego procesu), Polymer

54(14), 3620-3623 (2013).





kierunków analizy danych, i napisałem tą publikację.

R. H. Rice, P. Mokarian-Tabari, W. P. King, and R. Szoszkiewicz, Local thermo-mechanical

analysis of a microphase separated thin lamellar PS-b-PEO film (tłumaczenie polskie: lokalna

termo-mechaniczna analiza mikrofazowo rozseperowanych cienkich filmów kopolimerowych z

PS-b-PEO), Langmuir 28, 13503 - 13511 (2012).

30





kierunków analizy danych, dostarczyłem modelu analitycznego do opisu otrzymanych danych i


E. Gnecco, E. Riedo, W. P. King, S. R. Marder, R. Szoszkiewicz, Linear ripples and traveling

circular ripples produced on polymers by thermal AFM probes (tłumaczenie polskie: zmarszczki

liniowe i podróżące zmarszczki kołowe wytworzone na polimerach poprzez belki termiczne AFM),

Physical Review B, 79, 235421 (2009)




Wkład pracy dr Roberta Szoszkiewicza: 45%; I designed this research, provided directions for

analysis of the experimental data, and I wrote this paper.

W roku 2015 opuściłem Uniwersytet Stanowy w Kansas i powróciłem do Polski, gdzie od

kwietnia 2015 zaakceptowałem pozycję „adiunkta naukowego” na Wydziale Inżynierii

Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Na Politechnice planuję kontynuować swój rozwój

naukowy w dziedzinach biofizyki i inżynierii materiałowej.

Sumaryczny impact factor publikacji naukowych według listy Journal Citation

Reports (JCR), zgodnie z rokiem opublikowania:

IF = 145,678

Suma cytacji według bazy Web of Science z dnia 02.06.2015:

675 (619 bez samocytowań)

Indeks Hirscha według bazy danych Web of Science: 12

Indeks Hirscha według bazy danych Google Scholar: 14

Kierowanie projektami badawczymi:

Fundusz na start pracowni Szosz-lab na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Stanowego w

Kansas (ang. Start-Up Funds)

R. Szoszkiewicz, Kierownik Projektu

Okres: 15/07/08 - 31/12/11

31

Sponsor: Kansas State University, Manhattan, Kansas, USA

Innowacyjny grant-nagroda w badaniach podstawowych nad rakiem w edycji jesień 2008


Okres: 01/04/09 –01/04/12

Sponsor: Centrum Badań Podstawowych na Rakiem w Stanie Kansas, im. Terrego C.

Johnsona, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej (ang. T. Johnson Center for Basic Cancer

Research, Kansas, USA.)

Tytuł: Badania procesu aktywacji białka Notch w skali pojedynczej cząsteczki.

Tzw. First Award przyznawana przez Krajową Fundację Nauki Amerykańskiej (ang.

National Science Foundation, NSF)


Okres: 01/05/11 - 31/07/12

Tytuł: Nanomechaniczne studia nad formowaniem się struktury drugorzędowej z użyciem

mikroskopu sił atomowych i intereferometru (ang. Nanomechanical Studies of the Secondary

Structure Folding using AFM and interferometry).

Innowacyjny grant-nagroda w badaniach podstawowych nad rakiem w edycji jesień 2013


Okres: 01/04/14 – 30/03/16

Sponsor: Centrum Badań Podstawowych na Rakiem w Stanie Kansas, im. Terrego C.

Johnsona, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej (ang. T. Johnson Center for Basic Cancer

Research, Kansas, USA.)

Tytuł: W stronę szybkiej i ilościowej detekcji biomarkerów rakowych.

NSF, Dyrektorat Inżynierii (ang. Directorate for Engineering), Jednostka Inżynierii

Cywilnej, Mechanicznej i Innowacyjnych Procesów Wytwarzania (ang. Civil,

Mechanical and Manufacturing Innovation, CMMI, Division), grant number #1434787

Grant ten został otrzymany w konsorcjum między Uniwersytetem Stanu Illinois w Urbana-

Champain (ang. University of Illinois in Urbana-Champain), Instytutem Technologii w

Atlancie w Stanie Georgia (ang. Georgia Institute of Technology) i KSU. Robert

Szoszkiewicz był kierownikiem projektu w KSU.

Okres: 01/09/14 – 30/08/17. Zakończyłem swoją część w styczniu 2015, ze względu na

powrót do Polski.

Tytuł: Badania we współpracy: Kontrola Chemii w Nanoskali: Paralelizacja, Powtarzalność i

Dokładność (ang. Collaborative Research: Controlling the chemistry at the nanoscale:

Parallelization, Robustness, and Registration).

Parę grantów na zakup sprzętu badawczego finansowanych przez Centrum Badań

Podstawowych na Rakiem w Stanie Kansas, im. Terrego C. Johnsona, Stany Zjednoczone

Ameryki Północnej. Okres: lata 2009 – 2013.

32

Nagrody:

Stypendium Ministra Edukacji Narodowej 10/1997 - 7/1998

Stypendium – nagroda na Uniwersytecie Boston College Bostonie, USA 1/1998 - 6/1998

Stypendium Ministra Edukacji Narodowej 10/1996 - 7/1997

Prezentacje na krajowych i zagranicznych konferencjach naukowych:

Jedna zaproszona prezentacja konferencyjna: 1. VI Seminarium AFM/STM: Badania prowadzone metodami skaningowej mikroskopii bliskich

oddziaływań, Zakopane, Poland, "Pulling power of proteins: force activated reactivity switch at the

single bond level and mechanical properties of human Notch 1" (tłumaczenie polskie: “Aktywowany

siłą sposób zmiany reaktywaności pojedynczego wiązania dwusiarczkowego a także właściwości

mechaniczne białka ludzkiego Notch1”) (12/2010).

Dwadzieścia jeden (21) ustnych prezentacji konferencyjnych: 1. Annual APS Prairie Section Meeting, Lawrence, KS, USA (tłumaczenie polskie: Coroczne

Spotkanie Sekcji Prerii Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, Lawrence, Stan Kansas, Stany

Zjednoczone Ameryki Północnej), “Protein folding intermediates probed by ensemble of their

transient stiffnesses in single-molecule force-quenched AFM“ (tłumaczenie polskie: Struktury

przejściowe w trakcie procesu fałdowania się białek próbkowane przez zmiany sztywności w

eksperymentów typu force-quench AFM”), 11/2012.

2. “Mechanics in Biology” workshop at UCLA (tłumaczenie polskie: Warsztaty „Mechanika w

Biologii” zorganizowane w Kalifornijskim Uniwersytecie Stanowym w Los Angeles), “Mechanical

unfolding of NRR domain from human Notch 1“(tłumaczenie polskie: Mechaniczne rozfałdowywanie

się domeny NRR z ludziego białka Notch1), 1/2012.

3. Gordon Research Conference on protein folding in Ventura, CA, USA (tłumaczenie polskie:

Konferencja na temat zwijania się białek zorganizowana przez Towarzystwo Gordon Research w

miejscowości Ventura, w Stanie Kalifornia, USA) “Mechanical unfolding of NRR domain from human

Notch 1“(tłumaczenie polskie: Mechaniczne rozfałdowywanie się domeny NRR z ludziego białka

Notch1), 1/2012.

4. XIII Annual Linz Winter Workshop on Advances in Single-Molecule Research for Biology &

Nanoscience, Linz, Austria, (tłumaczenie polskie: XIII Coroczne Warsztaty Zimowe w Linz na temat

Postępów w badaniach pojedynczych cząsteczek w Biologii i Nanonaukach) “Mechanical properties

of NRR domain from human Notch 1 studied by single molecule AFM force spectroscopy”

(tłumaczenie polskie: Własności mechaniczne domeny NRR z ludziego białka Notch1 badane za

pomocą spektroskopii sił AFM na poziomie pojedynczej cząsteczki), 2/2011.

5. APS March Meeting, Dallas, TX, (tłumaczenie polskie: Spotkanie Marcowe Amerykańskiego

Towarzystwa Fizycznego, Dallas, Stan Teksas, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej) “Mechanical

properties of NRR domain from human Notch 1 studied by single molecule AFM force spectroscopy”

(tłumaczenie polskie: Własności mechaniczne domeny NRR z ludziego białka Notch1 badane za

pomocą spektroskopii sił AFM na poziomie pojedynczej cząsteczki), 3/2011.

8. “Nanomeasure 2010” – konferencja zorganizowana przez firmę Agilent, Stany Zjednoczone

Ameryki Północnej, i Uniwersytet Jagielloński, Kraków, “The force-activated reactivity switch in a

bimolecular chemical reaction at the single-molecule level” (tłumaczenie polskie: Zmiana reaktywności w dwucząsteczkowej reakcji chemicznej aktywowana siłą mechaniczną), 5/2010.

33

9. Annual Meeting of Four Corners Section of APS, Ogden, UT, (tłumaczenie polskie: Coroczne

Spotkanie Sekcji Four Corners Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego, Ogden, Stan Utah, Stany

Zjednoczone Ameryki Północnej) "Mechanical properties of NRR domain from human Notch 1

studied by single molecule AFM force spectroscopy and steered molecular dynamics" (tłumaczenie

polskie: Własności mechaniczne domeny NRR z ludziego białka Notch1 badane za pomocą spektroskopii sił AFM na poziomie pojedynczej cząsteczki), 10/2010.

10. Annual Meeting of Four Corners Section of APS, Colorado School of Mines, Golden, CO,

(tłumaczenie polskie: Coroczne Spotkanie Sekcji Four Corners Amerykańskiego Towarzystwa

Fizycznego, Golden, Stan Kolorado, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej) “Force-activated

reactivity switch in a bimolecular chemical reaction at the single molecule level” (tłumaczenie

polskie: Zmiana reaktywności w dwucząsteczkowej reakcji chemicznej aktywowana siłą mechaniczną), 10/2009.

11. Kansas Physical Chemistry Symposium, University of Kansas, Lawrence, KS, (tłumaczenie

polskie: Sympozjium Chemii Fizycznej w Kansas, Lawrence, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej)

“Force-activated reactivity switch in a bimolecular chemical reaction at the single molecule level”

(tłumaczenie polskie: Zmiana reaktywności w dwucząsteczkowej reakcji chemicznej aktywowana siłą

mechaniczną), 2009.

12. APS March Meeting, Baltimore, MD, (tłumaczenie polskie: Spotkanie Marcowe Amerykańskiego

Towarzystwa Fizycznego, Baltimore, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej) “Polymer dynamics at

local scales: origin of ripples formation” (tłumaczenie polskie: Dynamika polimerów w skalach

lokalnych: geneza formowania się zmarszczek na powierzchniach polimerów), 2006.

13. APS March Meeting, Baltimore, MD, (tłumaczenie polskie: Spotkanie Marcowe Amerykańskiego

Towarzystwa Fizycznego, Baltimore, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej) “Formation of

nanoscale water bridges” (tłumaczenie polskie: Formowanie się mostków kapilarnych w nanoskali),

2006.

14. MRS Fall Meeting, Boston, MA, USA (tłumaczenie polskie: Spotkanie Jesienne Amerykańskiego

Towarzystwa Badań Materiałów, Boston, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej) “Friction force

microscopy as a tool to probe local phase transitions” (tłumaczenie polskie: Mikroskopia pomiaru sił

tarcia jako narzędzie do badania lokalnych przejść fazowych), 2005.

15. 23rd European Conference on Surface Science, Berlin, Republika Federalna Niemiec, (tłumaczenie

polskie: 23 Konferencja Europejska z Nauk o Powierzchni) “Friction force microscopy as a tool to

probe local phase transitions” (tłumaczenie polskie: Mikroskopia pomiaru sił tarcia jako narzędzie do

badania lokalnych przejść fazowych), 2005.

16. International Non-contact Atomic Force Microscopy Conference, Seattle, WA, USA (tłumaczenie

polskie: Międzynarodowa Konferencja z Niekontaktowej Mikroskopii Sił Atomowych, Seattle, Stan

Washington, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej) “Adhesion hysteresis and its correlations with

friction” (tłumaczenie polskie: Histereza adhezji i jej związki z tarciem), 2004.

17. 27th International Symposium on Acoustical Imaging, Saarbrucken, Germany, (tłumaczenie

polskie: 27 Międzynarodowe Sympozjum z Obrazowania Ultradźwiękami, Saaebrucken, Republika

Federalna Niemiec) “How can ultrasounds help with connecting friction and adhesion at local scales”

(tłumaczenie polskie: Jak ultradźwięki mogą pomóc w badaniu związków między tarciem a histerezą

adhezji w skalach lokalnych), 2003.

18. Swiss Physical Society Annual Meeting, Basel, Switzerland, (tłumaczenie polskie: Coroczne

Spotakanie Szwajcarskiego Towarzystwa Fizycznego, Bazylea, Szwajcaria) “How can ultrasounds

help with connecting friction and adhesion at local scales” (tłumaczenie polskie: Jak ultradźwięki

mogą pomóc w badaniu związków między tarciem a histerezą adhezji w skalach lokalnych), 2003.

19. 3rd International Symposium on Tribochemistry, Cracow, Poland, (tłumaczenie polskie: 3e

Międzynarodowe Sympozjum z Trybochemii) “Adhesion hysteresis and ultrasonic force microscopy”

(tłumaczenie polskie: Histereza adhezji i ultradźwiękowa mikroskopia sił), 2001.

34

20. Mini-Symposium „Son et Lumiere”, Grasmere, Wielka Brytania, (tłumaczenie polskie: Mini-

sympozjum o Dźwięku i Świetle) “Jumping off, jumping on - principles of ultrasonic force

microscopy” (tłumaczenie polskie: Podskakiwanie w górę i w dół – koncepty ultradźwiękowej

mikroskopii sił), 2000.

21. 12th Międzynarodowa Konferencja Studentów Fizyki, Wiedeń, Austria, “Viscosity of discotic

liquid crystals” (tłumaczenie polskie: lepkość ciekłych kryształów o strukturach dyskotycznych), 1997.

Osiemnaście (18) Zaproszonych Seminariów i Wykładów: 1. SEMINARIUM Z FIZYKI BIOLOGICZNEJ I BIOINFORMATYKI, Instytutu Biochemii i

Biofizyki PAN, Instytutu Fizyki PAN, i Zakladu Biofizyki UW, IBB, Warszawa, Stiffness

and internal friction of single protein molecules: AFM studies (tłumaczenie polskie:

Sztywność i tarcie wewnętrzne pojedynczych cząsteczek białek: studia AFM), 3/2015

2. Seminarium Fizyki Miękkich Faz, Instytut Chemii Fizycznej PAN, Exerting mechanical force

on single proteins and polymer surfaces (tłumaczenie polskie: Wywieranie siły mechanicznej

na pojedyncze cząsteczki białek i substancje polimerowe), 12/2014.

3. Imperial College London, Wielka Brytania, Departament Biomateriałów, Using single

molecule AFM methods to learn about proteins (tłumaczenie polskie: Używanie metod AFM

w badaniach pojedynczych cząsteczek w celu zdobycia wiedzy o białkach), 11/2013.

4. Wydział Fizyki, Matematyki i Informatyki, Politechnika Krakowska, Using single molecule

AFM methods to find and characterize folding intermediates of a simple model protein

(tłumaczenie polskie: Używanie metod AFM w celu znalezienia i charakteryzacji struktur

pośrednich w trakcie zwijania się prostych cząsteczek białek), 11/2013.

5. Centrum NANOSAM, Uniwersytet Jagielloński, Kraków, Using single molecule AFM

methods to find and characterize folding intermediates of a simple model protein

(tłumaczenie polskie: Używanie metod AFM w celu znalezienia i charakteryzacji struktur

pośrednich w trakcie zwijania się prostych cząsteczek białek), 11/2013.

6. Międzywydziałowe Seminarium z Fizyki/Chemii/Biochemii, Georgia Tech, Stany

Zjednoczone Ameryki Północnej, Exerting force on biomolecules (tłumaczenie polskie:

Wywieranie siły mechanicznej na biomolekuły), 8/2013.

7. Wydział Fizyki, Laboratorium Narodowe Argonne, Stan Illinois, Stany Zjednoczone Ameryki

Północnej, Exerting force on proteins (tłumaczenie polskie: Wywieranie siły mechanicznej na

białka), 3/2013.

8. Wydział Fizyki, Uniwersytet Purdue, Stan Indiana, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej,

Exerting force on proteins (tłumaczenie polskie: Wywieranie siły mechanicznej na białka),

3/2013.

9. Exerting Mechanical Force on Single Proteins (tłumaczenie polskie: Wywieranie siły

mechanicznej na pojedyncze cząsteczki białka), Wydział Nauk o Życiu, Ecole Polytechnique

Federale de Lausanne, Switzerland, 3/2012.

10. Chemical nad topographical nano-patterning of polymers using thermochemical

nanolithography (tłumaczenie polskie: Chemiczne i topograficzne nanostrukturyzowanie

polimerów z użyciem termochemicznej nanolitografii), Centrum NANOSAM, Uniwersytet

Jagielloński, Kraków, 3/2012.

11. Centrum NANOSAM, Uniwersytet Jagielloński, Kraków, Some applications and basic

research in bio-nano-technology: from pulling single protein molecules to thermochemical

nanolithography” (tłumaczenie polskie: Aplikacje i badania podstawowe w bio-nano-

technologii: od rozwijania pojedynczych cząsteczek białek do nanolitografii

termochemicznej), 2010.

12. Wykład gościnny dla studentów Studiów Matematyczno-Przyrodniczych, Uniwersytet

Jagielloński, Kraków, "Pomiędzy fizyką, chemią i biologią: jak siła mechaniczna może być

aplikowana do pojedynczych cząsteczek i wiązań chemicznych", 2010

13. Wykład gościnny dla przedmiotu “Nowe Materiały w Nanotechnologii”, Uniwersytet

Jagielloński, Kraków, 2010.

14. Wydział Mechaniczny Politechniki Radomskiej,“Some applications and basic research in

bio-nano-technology: from pulling single protein molecules to thermochemical

35

nanolithography” (tłumaczenie polskie: Aplikacje i badania podstawowe w bio-nano-

technologii: od rozwijania pojedynczych cząsteczek białek do nanolitografii

termochemicznej), 2010.

15. Międzynarodowy Instytut Biologii Molekularnej i Komórkowej, Warszawa,“Some

applications and basic research in bio-nano-technology: from pulling single protein

molecules to thermochemical nanolithography” (tłumaczenie polskie: Aplikacje i badania

podstawowe w bio-nano-technologii: od rozwijania pojedynczych cząsteczek białek do

nanolitografii termochemicznej), 2010.

16. Wydział Chemii, Uniwersytet Łódzki, “Some applications and basic research in bio-nano-

technology: from pulling single protein molecules to thermochemical nanolithography”

(tłumaczenie polskie: Aplikacje i badania podstawowe w bio-nano-technologii: od rozwijania

pojedynczych cząsteczek białek do nanolitografii termochemicznej), 2010.

17. Narodowy Instytut Standartów i Technologii (NIST), Gaithersburg, Stan Maryland, Stany

Zjednoczone Ameryki Północnej, “Local capillaries of water and water confined at sub-

nanometer gaps: a prelude to bioinspired surfaces“ (tłumaczenie polskie: Lokalne mostki

wodne i woda związana w przestrzeniach sub-nanometrowych), 2007.

18. Fraunhofer Society, IZFP, i Uniwersytet w Saarbrucken, Republika Federalna Niemiec,

“Correlations between adhesion hysteresis and friction at local scales” (tłumaczenie polskie:

Korelacje między histerezą adhezji a tarciem w skalach lokalnych), 2003.

Dwanaście (12) wykładów w formie kolokwiów:

1. Wydział Biochemii KSU, Exerting force on biomolecules (tłumaczenie polskie: Wywieranie

siły mechanicznej na biomolekuły), 11/2013

2. Wydział Fizyki KSU, Biological and Soft-Matter Physics in the Szosz-lab (tłumaczenie

polskie: Fizyka biologiczna i fizyka miękkich faz w pracowni Szosz-lab), 9/2013.

3. Wydział Fizyki Uniwersytetu Stanowego w Wichita, Kansas, Exerting force on biomolecules,

(tłumaczenie polskie: Wywieranie siły mechanicznej na biomolekuły), 5/2013.

4. Wydział Chemii Uniwersytetu w Kansas, Exerting force on single proteins (tłumaczenie

polskie: Wywieranie siły mechanicznej na pojedyncze cząsteczki białek), 3/2013.

5. Wydział Fizyki KSU, "Szosz-lab: Molecular Biophysics and Soft-Matter Materials Physics"

(tłumaczenie polskie: Biofizyka cząsteczkowa i fizyka miękkich faz w pracowni Szosz-lab),

1/2011.

6. Wydział Fizyki Uniwersytetu Stanu Teksas w Dallas, “Single-Molecule Studies of

Mechanical (un)Folding of Proteins, Enzymatic Catalysis and Water Structure in Cell

Membranes” (tłumaczenie polskie: Studia na poziomie pojedynczych cząsteczek i

mechanicznego rozciągania i zwijania się białek, katalizy enzymatycznej i struktury wody w

membranach biologicznych), 2008.

7. Wydział Biochemii KSU, “Single-molecule studies of mechanical (un)folding of proteins and

enzymatic catalysis” (tłumaczenie polskie: Studia na poziomie pojedynczych cząsteczek i

mechanicznego rozciągania i zwijania się białek, a także katalizy enzymatycznej) , 2008.

8. Wydział Fizyki KSU, “Single-molecule and local studies of mechanical (un)folding of

proteins, enzymatic catalysis and water structure at solid surfaces” (tłumaczenie polskie:

Studia na poziomie pojedynczych cząsteczek i mechanicznego rozciągania i zwijania się

białek, katalizy enzymatycznej i struktury wody na powierzchniach ciał stałych), 2008.

9. Wydział Fizyki Uniwersytetu Stanowego w Północnej Karolinie, USA “Single-molecule and

local studies of mechanical (un)folding of proteins, enzymatic catalysis and water structure at

solid surfaces” (tłumaczenie polskie: Studia na poziomie pojedynczych cząsteczek i

mechanicznego rozciągania i zwijania się białek, katalizy enzymatycznej i struktury wody na

powierzchniach ciał stałych), 2008.

10. Wydział Fizyki Uniwersytetu Stanowego na Florydzie, USA “Single-molecule and local

studies of mechanical (un)folding of proteins, enzymatic catalysis and water structure at solid

surfaces” (tłumaczenie polskie: Studia na poziomie pojedynczych cząsteczek i mechanicznego

36

rozciągania i zwijania się białek, katalizy enzymatycznej i struktury wody na powierzchniach

ciał stałych), 2008.

11. Wydział Fizyki Uniwersytetu Stanowego “Wayne State”, Stan Michigan, USA, “Local

capillaries of water and water confined at sub-nanometer gaps: a prelude to bioinspired

surfaces” (tłumaczenie polskie: Lokalne mostki wodne i woda związana w przestrzeniach sub-

nanometrowych: preludium do bioinspirowanych powierzchni), 2007.

12. Narodowe Laboratorium w Brookhaven w Stanie Nowy Jork, USA, “Water at local scales”

(tłumaczenie polskie: Woda w skalach lokalnych), 2006.

Trzynaście (13) wykładów w formie seminariów wydziałowych: 1. Zakład Projektowania Materiałów Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki

Warszawskiej, Thermochemical nanolithography on polymers (tłumaczenie polskie:

termochemiczna nanoligrafia na polimerach), 3/2015.

2. Biogrupa Wydziału Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, Stiffness and internal

friction of single protein molecules: AFM studies (tłumaczenie polskie: Sztywność i tarcie

wewnętrzne pojedynczych cząsteczek białek: studia AFM), 4/2015.

3. Wydział Fizyki KSU, Thermochemical nanolithography on polymers (tłumaczenie polskie:

termochemiczna nanoligrafia na polimerach), 9/2013.

4. Wydział Fizyki KSU, “Nano-abrasion of polymers” (tłumaczenie polskie: nanoabrazja

polimerów), 9/2012.

5. Wydział Fizyki KSU, “Nanomechanics of Proteins at the Single Molecule Level”

(tłumaczenie polskie: nanomechanika pojedynczych cząsteczek białek), 9/2011.

6. Wydział Inżynierii Chemicznej KSU, "The Szosz-lab at KSU: Investigating the effects of

mechanical force on single chemical bonds and proteins, as well as some results with

thermochemical nanolithography on polymers" (tłumaczenie polskie: Studia nad efektami siły

mechanicznej na pojedyncze wiązania chemiczne i pojedyczne cząsteczki białka, a także

rezultaty badań z użyciem termochemicznej nanolitografii na polimerach w pracowni Szosz-

lab w KSU), 2010.

7. Wydział Fizyki KSU, "2D assemblies of nanoparticles by thermochemical nanolithography"

(tłumaczenie polskie: Dwuwymiarowe struktury z nanocząsteczek utworzone za pomocą

termochemicznej nanolitografii ciepłem), 2010.

8. Wydział Fizyki KSU, "Current research overview: stretching proteins and patterning

polymers" (tłumaczenie polskie: Przegląd bieżących badań: rozciąganie białek i

nanostrukturyracja polimerów), 2009.

9. Wydział Chemii KSU, “The pulling power of proteins: investigating single-molecule disulfide

reductions one by one” (tłumaczenie polskie: Rozciąganie białek: badania procesów redukcji

pojedynczych wiązań dwusiarczkowych), 2009.

10. Wydział Fizyki KSU, "Confined water, water capillaries and control of hydrophilicity at

nanoscopic lengths" (tłumaczenie polskie: Zaadsorbowane woda, mostki kapilarne i konrola

hydrofilowości w skalach nanoskopowych), 2008.

11. Wydział Chemii KSU, “Confined water, water capillaries and control of hydrophilicity at

nanoscopic lengths” (tłumaczenie polskie: Zaadsorbowane woda, mostki kapilarne i konrola

hydrofilowości w skalach nanoskopowych), 2008.

12. Wydział Fizyki Georgia Tech-u, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej “Water at local

scales” (tłumaczenie polskie: Woda w skalach lokalnych), 2005.

13. Wydział Fizyki Georgia Tech-u, Stany Zjednoczone Ameryki Północnej “Nanoscale

capillary bridges investigated by friction force microscopy” (tłumaczenie polskie:

Nanoskopowe mostki kapilarne badane za pomocą mikroskopii pomiaru tarcia w nanoskali),

2005.

37

Zajęcia Dydaktyczne i Opieka nad Studentami

Podczas mojej 6.5-letniej pracy na KSU opracowałem własne materiały dydaktyczne do

wielu zajęć ze studentami, które prowadziłem na poziomie licencjackim. W szczególności

opracowałem zajęcia a także prowadziłem wykłady i ćwiczenia z Mechaniki Klasycznej

(numer katalogowy w KSU: PHYS 522: Mechanics) a także Termodynamiki z Elementami

Fizyki Statystycznej (numer katalogowy w KSU: PHYS 664: Thermal Physics).

W lutym 2015 opracowałem, wygłosiłem i prowadziłem ćwiczenia z zaproszonego wykładu

autorskiego „Single molecule biophysics and nanotechnology” (tłum. polskie: Badania

pojedynczych cząsteczek w biofizyce i nanotechnologii) na Wydziale Inżynierii Materiałowej

Politechniki Warszawskiej. Kurs ten składał się z sześciu godzin wykładów i sześciu godzin

pracowni laboratoryjnej z udziałem mikroskopii sił atomowych i symulacji komputerowych.

Byłem opiekunem naukowym i wypromowałem czterech magistrantów: Nicoleta Ploscariu,

Magisterium z Fizyki, KSU, 12/2014; Reginald Rice, Magisterium z Fizyki, KSU, 12/2012;

Magisterium z Fizyki, 12/2014; Ashim Dey, Magisterium z Fizyki, KSU, 12/2010; Katarzyna

Małek, Magisterium z Fizyki otrzymane na Wydziale Fizyki UJ, 07/2012, gdzie pełniłem rolę

promotora pomocniczego.

Pełniłem rolę opiekuna dwóch naukowców zatrudnionych w pracowni Szosz-lab w KSU w

ramach ich stażów po-doktorskich: Dr. Neelam Khan, KSU, w latach 2009/2010: obecnie

zatrudniona jako Assistant Professor w Georgia Gwinnett College, GA, USA; Dr. Hui Li,

KSU, w roku 2009, obecnie: zatrudniona jako naukowiec na Wydziale Biochemii KSU. W

przypadku dr. Li pełniłem rolę opiekuna pomocniczego wraz z innym opiekunem naukowym,

z Wydziału Biochemii KSU.

Na przestrzeni mojej kariery w KSU opiekowałem się naukowo jedynastoma (11) studentami

studiów licencjackich, którzy pracowali w pracowni Szosz-lab: Brandin Davis, Jeremy

Pogue, Aaron Morgan, Magdalena Wawrzyniuk, Kushan Weerasinghe, Michael H. Cochran,

Anthony Lang, Katarzyna Malek, Jacek Szczerbinski, Heidi Martin, Vera Okuneva.

Działania Synergiczne:

Popularyzcja nauki w społeczeństwie:

W lipcu 2007 zaprojektowałem i przeprowadziłem dwugodzinny tutorial z AFMu dla

uczestników programu Excite workshop. Program ten został stworzony w KSU z myślą o

popularyzacji Nauk Ścisłych i Technicznych dla dziewcząt z liceów. W zajęciach w

pracowni Szosz-lab wzięło udział około 25 uczestniczek.

W paździeniku 2010 zaprojektowałem i przeprowadziłem około półdniowe aktywności

dla ok. 15u dzieci z lokalnego przedszkola. Zajęcia te miały na celu zainteresowanie

dzieci nauką.

1. i Nazwisko: z podaniem nazwy, miejsca - ibb.waw.pl w j.polskim_2.pdf · angielskim: Comment...

Documents

Transcript of 1. i Nazwisko: z podaniem nazwy, miejsca - ibb.waw.pl w j.polskim_2.pdf · angielskim: Comment...