K rakow, 29.01.2013
RECENZJA
R ozpraw y doktorskiej Opis zja w isk transportu m a sy w kanalach w ybranych m em bran naturalnych і syntetycznych
Pana m gr K rzysztofa Paw elka
P raca d oktorska pana K rzysztofa P aw elka dotyczy w aznego zagadnienia kine- tyki kanalow ej w blonach biologicznych oraz ukladach m odelow ych, w tym takze w syntetycznych blonach m agnetycznych. K analy jo n o w e b?d^ce specy- ficznym i b ialkam i blonow ym i tw orz^cym i struktur? poru s^ odpow iedzialne za transport substancji niskocz^steczkow ych pom i?dzy srodow iskiem a kom ork^ oraz pom i?dzy poszczegolnym i przedzialam i w ew n^trzkom orkow ym i. W za- leznosci od m echanizm u aktyw uj^cego otw arcie bram ki kanalu um ozliw ia- j^ ce g o dyfuzj? jo n o w zgodnie z gradientem st?zen, w yroznia si? kanaly otw ie- rane zm iany potencjalu pola elektrycznego, kanaly otw ierane ligandem , zm iany napr?zen ia m echanicznego, a naw et zm iany tem peratury.
Z m iany stanu kanalu, a zw laszcza obszaru bram ki w ynikaj^ z ci^glych zm ian srodow iska і fluktuacji term icznych, ktore odpow iedzialne s$ takze za zm iany konform acyjne biaiek form uj^cych por. D zi?ki rozw ini?tym technikom p a tch cla m p , m ozliw e je s t rejestrow anie і analizow anie pikoam perow ych pr^dow przeplyw ajqcych przez otw arte kanaly. Poznanie, analiza і m odelow anie kine- tyki kanalow ej pozw ala w spolczesnie na syntez? now ych lekow , z pow odze- niem stosow anych w terapiach w ielu schorzen. P odobnie - tw orzenie sztucz- nych m em bran о dedykow anych w lasnosciach fizykochem icznych m a ogrom - ne znaczenie w stosow anych w przem ysle m ikrofiltrach і m etodach rozdziela- nia (separacji) substancji.
B adania opisane w rozpraw ie skupialy si? na trzech zagadnieniach:
1) m odelow aniu procesow kinetyki bram kow ania aktyw ow anych w apniem ka- nalow potasow ych BK, 2) m odelu transportu przez filtr selektyw ny kanalow K csA і 3) analizie procesu transportu azotu і tlenu p rzez syntetyczne m em bra- ny m agnetyczne. Z akres tem atyczny rozpraw y je s t zatem bardzo bogaty (z
po-1 U N I W E R S Y T E T J A G 1 E L L O N S K1 W К R A К О W 1 E Wydziat Fizyki Astronomii і Informatyki Stosowanej ul. Reymonta 4 PL 3 0 - 0 5 9 Krakow tel. + 4 8 ( 1 2 ) 8 6 3 - 5 8 - 9 0 fax + 4 8 ( 1 2 ) 6 3 3 - 7 0 - 8 6
w odzeniem m ogtby poshizyc do przygotow ania dw och doktoratow ) і sw iad- czy о roznorodnosci badan zjaw isk transportu przez blony prow adzonych w zespole prom otora pana K rzysztofa Paw eika, prof. Z bign iew a G rzyw ny. Rolg d oktoranta w podjgtym projekcie bylo zaproponow anie і przetestow anie m ode- li kinetycznych moggcych odtw orzyc w yniki dosw iadczalne uzyskane przez grup? і je j w spoipracow nikow .
P rzy m odelow aniu prgdow jon o w y ch pochodzgcych z pojedynczych kanalow zw ykle zaktada si?, ze kinetyk a przelgczania pom i?dzy o tw artym і і zam kni?ty- m i stanam i kanahi m a charakter losow y і m oze bye przyblizona procesem M ar- k ow a о niew ielkiej ilosci stanow dyskretnych. Tym niem niej, w spolczesna lite- ratura przedm iotow a podaje w iele przykladow pogw atcenia zasady m arkow o- w skosci w obserw ow anych prgdach ladunkow ych (со przejaw ia si? np. nie- ergodycznoscig procesow kinetyki kanalow ej, charakterystycznym , ci?zko- ogonow ym rozkladem czasow pobytu w stanach zam kni?tym /otw artym kanalu і dhigoczasow ym zanikaniem funkeji autokorelacji procesu prgdu jon o w eg o zgodnie ze statystycznym i praw am i pot?gow ym i). D la procesow M arkow a z duz^ liczbg stanow konform acyjnych bram ki posredniczgcych w otw arciu (lub zam kni?ciu) kanatu zasadny je s t w ybor opisu kinetyki kanatow ej z uzy- ciem (ciggtych w zm iennej przestrzennej і czasow ej) row nan dyfuzji stochas- tycznej. A le і w tym podejsciu, niem arkow ow skosc і efekt skalow ania typu Pareto w ogonach rozkladow czasow przelgczania m og^ pojaw ic si?, je sli np. bariery potencjahx pom i?dzy kolejnym i stanam i konform acyjnym i nie sg dob- rze sprecyzow ane, a z racji lokalnego nieporzgdku, przyjm ujg charakter zm iennych losow ych. A utor rozpraw y w spom ina о tym problem ie w podroz- dziale 2 A .2 .6 , gdzie om aw ia znane m odele bram kow ania kanalow BK. Zazna- cza przy tym „ w w ielu przypadkach w ielostanow y rozklad czasow trw ania wg. m odeli M arkow a m oze zostac zredukow any do postaci pojedynczej funkeji typu „stretched exponential44. W istocie, projekeja w ieloparam etrycznego procesu M arkow a do przestrzeni о nizszej liczbie w ym iarow (zm iennych) prow adzi do efektu pam i?ci. Podobnie, proces niem arkow ow ski m oze zostac zanurzony w w ielow ym iarow ej przestrzeni pozw algcej na rozw ini?cie jg dra pam i?ci w szereg w azonych w kladow eksponencjalnych, „udajgcych44 kinetyk? m arkow ow skg.
W cz?sci rozpraw y posw i?conej transportow i jo n o w potasow ych przez filtr selektyw ny kanahi K csA autor prezentuje m odel opisujgey dyfuzj? m olekul w ody і jo n o w w obszarze segem entu filtra w form alizm ie pochlaniajgcych lan- cuchow M arkow a. M odel ten przew iduje, ze w w yniku oddzialyw an odpycha- jgcych pom i?dzy sgsiednim i jo n a m i potasow ym i, skraca si? czas potrzebny do opuszczenia obszaru filtra przez jo n . D odatkow o, pokazano, ze oddzialyw ania typu jo n -d ip o l pom i?dzy grupam i karbonylow ym i a jo n am i potasu istotnie w ptyw ajg na efektyw nosc transportu jo n o w w yrazong liczbg krokow potrzeb- nych do o puszczenia przez jo n kanahi. E fektyw nosc tak a okazala si? niem
ono-U N I W E R S Y T E T J A G I E L L O N S K 1 W K R A K O W I E Wydziaf Fizyki Astronomii і Informatyki Stosowanej ul. Reymonta 4 PL 3 0 - 0 5 9 Krakow tel. + 4 8 ( 1 2 ) 6 6 3 - 5 8 - 9 0 fax + 4 8 ( 1 2 ) 6 3 3 - 7 0 - 8 6 e-mail:
toniczn^ funkcj^ oddziafyw ania: przy niskich w artosciach staiej dielektrycznej lub duzych w artosciach m om entow dipolow ych efektyw nosc transportu zna- cz^co spada, zas m aksym alne tem po transportu uzyskuje si? dla pew nej cha- rakterystycznej w artosci staiej dielektrycznej.
W kolejnym podrozdziale przedstaw iono dw a m odele kinetyki bram kow ania kanalu BK, w ktorych dynam ika konform acyjna bram ki aktyw acyjnej opisana zostala ja k o dyskretny proces bl^dzenia przypadkow ego. W analizow anych m odelach 1,2 allosteryczne oddzialyw anie czujnikow n a bram k? w prow adzone je s t do m odelu ja k o dodatkow a stala sila dryfu nalozona n a sit? pochodz^c^ od potencjalu przypisanego przestrzeni konform acyjnej. Pow oduje ona stale nachylenie potencjalu w kierunku konform acyjnych stanow otw artych (lub zam kni?tych) kanalu, b^dz w kierunku punktu przejscia ze stanu otw artego do stanu zam kni?tego. W oparciu о zaproponow ane m odele w ygenerow ano odpo- w iednie przebiegi pr^dow e. A naliza statystyczna (badanie w ykladnika H ursta procesu sum cz?sciow ych szeregu) w ykazala w artosci w spolczynnika H na poziom ie 0.7-0.8, со sw iadczy о fraktalnym charakterze przebiegu pr^dow ego і w yst?pow aniu dtugiej pam i?ci. B ardzo ciekaw ym і znacz^cym w ynikiem tego rozdzialu je s t takze analiza stosunku m as fluktuuj^cego otoczenia і bram ki aktyw acyjnej, ktory w w arunkach row now agi term odynam icznej m oze bye w yrazony przez stosunek w spolczynnikow dyfuzji. O bserw acja ta tlum aczy, dlaczego lokalna zm iana g?stosci kanalu w obr?bie bram ki m oze bye odpow ie- dzialna za pojaw ienie si? roznych skal czasow ych ruchu bram ki.
O statnia cz?sc pracy posw i?cona je s t m odelow i transportu cz^steczek azotu і tlenu przez blony m agnetyczne uzyw ane do w zbogacania pow ietrza w tlen.
Stosuj^c m odel bl^dzenia przypadkow ego w obecnosci staiej sily zew n?trznej w ysym ulow ano struktury granulek m agnetycznych tw orz^cych kanaly w m odelu blony polim erow ej. Przeanalizow ano zachow anie si? ukladu dla roz nych w ielkosci granulek m agnetycznych oraz d la roznych intensyw nosci pola m agnetycznego. Ten aspekt m odelu m a szczegolnie istotny charakter aplika- cyjny (przew idyw anie optym alnych w arunkow rozdzialu tlenu і azotu w w a runkach technologicznych; udzial zjaw iska agregacji azotu і tlen u w silnych polach m agnetycznych).
R ozpraw a opatrzona je s t w yczerpuj^c^ bibliografi^ і podsum ow uj^cym w yniki, rozdzialem koncow ym .
Sposrod spostrzezonych bl?dow edytorskich і potkni?c о charakterze m erytorycznym , w ym ieni? ponizsze uwagi:
Prezentacja w ynikow nie pozw ala jedno zn aczn ie stw ierdzic udzialu (lub braku udzialu) d oktoranta w cz?sci przeprow adzonych eksperym entow . A dnotacja na ten tem at znajduje si? dopiero w sekeji 3.1 і na pocz^tku rozdzialu 4. W szcze- golnosci, je sli au tor rozpraw y nie w ykonyw al pom iaru przenikalnosci pow
iet-©
U N 1 W E R S Y T E T J A G I E L L O N S K I W K R A K O W 1 E Wydzial Fizyki Astronomii і Informatyki Stosowanej ul. Reymonta 4 PL 3 0 - 0 5 9 Krakow tel. + 4 8 ( 1 2 ) 6 6 3 - 5 8 - 9 0 fax + 4 8 ( 1 2 ) 6 3 3 - 7 0 - 8 6rza, nie w idz? pow odu um ieszczania w rozpraw ie np. sekcji 3.4 (nie w nosi niczego istotnego do zagadnienia prezentow anego pozniej m odelu).
U klad pracy (pobiezne przedstaw ienie podejscia teoretycznego, podanie w ynik ow dosw iadczalnych dla trzech w .w . zagadnien, a nast?pnie kolejno p rzedstaw ienie m odeli і w yniko w ich sym ulacji) nie sprzyja przejrzystosci; w ydaje si?, ze w podobnym schem acie (opis teoretyczny, w yniki dosw iadczal- ne, m odel) iatw iej byloby autorow i om ow ic kazde z badanych zagadnien osobno.
S tr.l 1 T tum aczenie tekstu H ow arda B erga je s t niepopraw ne: Z am iast „cz^stce 0 tem peraturze absolutnej T m ozna przypisac sredniq energi? kinetyczn^ w zgl?dem danej osi w ynosz^c^ k T /2“ ... pow inno bye „cz^steczka poruszaj^ca si? w tem peraturze T m a sredni^ energi? kinetyczn^ przypadajqc^ n a stopien sw obody w ynosz^c^ kT/2 Inaczej: kT/2 je s t sredni^ energi^ kinetyczn^ przypadaj^ca na kazdy niezalezny kierunek ruchu cz^steczki.
Str. 16: po w zorze (29): d ry f zam iast ,,dryfit“
W tekscie cz?sto pojaw ia si? term in ,,m arkow ski“ zam iast ,,m arkow ow ski“ . (pow inno bye: m arkow ski od nazw iska M arko, m arkow ow ski od nazw iska M arkow a - vide np. B ulhakow і B ulhak)
Str.21 - 23: brak o m ow ienia w tasnosci m acierzy praw dopodobienstw przejscia dla lancuchow M arkow a, bl?dny w zor (55)
Str. 38: m om ent m agnetyczny tlenu zaw iera d w a rozne oznaczenia dla m agnetonu B ohra
Str. 74,75: brak opisu osi w ykresu (srednia licznba krokow pow inna bye liczbq naturaln^)
Str. 72-74: schem at przejscia pow inien bye zilustrow any przykladem (m ozliw e pozyeje jo n o w potasu) w odniesieniu do tabel 5,6
Str. 95-96: w ykresy 12 і 13 przedstaw iaj^ funkcj? przezyw alnosci w stanie, tj. S (t)= l-F (t), gdzie F (t) je s t dystrybuant^ rozkladu czasow pobytu w stanie. N ie m a zatem uzasadnienia opis osi rz?dnej ja k o „probability density function14 (funkeja g?stosci praw dopodobienstw a, odpow iadaj^ca pochodnej S(t) ze znakiem m inus, pdf= -d(F(t))/dt).
N iezaleznie od pow yzszych uw ag, stw ierdzam , ze rozpraw a je s t w artosciow ym 1 oryginalnym w kladem do analizy procesow kanalow ych zachodz^cych w blo nach biologicznych і polim erow ych m em branach syntetycznych. W yniki oraz przew idyw ania m odeli kinetycznych zaproponow anych przez doktoranta zosta- ly p orow nane z badaniam i eksperym entalnym i і opublikow ane w renom ow
a-©
U N I W E R S Y T E T J A G I E L L O N S K.1 W K R A K O W I E Wydziat Fizyki Astronomii і Informatyki Stosowanej ul. Reymonta 4 PL 3 0 - 0 5 9 Krakow tel. + 4 8 ( 1 2 ) 6 6 3 - 5 8 - 9 0 fax + 4 8 ( 1 2 ) 6 3 3 - 7 0 - 8 6 e-mail:nych czasopism ach znajdujgcych si? na tzw . liscie filadelfijskiej. Praca posia- da dodatkow o znaczgcy w alo r aplikacyjny.
P odsum ow uj^c uw azam , ze przedstaw iona m i do oceny rozpraw a w pelni odpow iada sform ulow anym w art. 13 U staw y о stopniach naukow ych і tytule (z 14 m arca 2003 roku z pozniejszym i zm ianam i) w ym ogom odnoszgcym si? do przygotow yw anych prac doktorskich. W nosz? zatem о dopuszczenie pana m gr K rzysztofa Paw eika do dalszych etapow przew odu doktorskiego.
Astronomii і Informatyki Stosowanej
Prof. dr hab. E w a G udow ska-N ow ak Instytut Fizyki im. M. Sm oluchow skiego
C entrum B adania U kladow Z tozonych im. M. К аса U niw ersytet Jagiellonski w K rakow ie.
