Témata doktorských prací/Topics of Ph.D. Thesis

Nanomateriály/Nanomaterials

• Syntéza nanočástic na bázi oxidu železitého, Fe a Fe(VI) pro účely čištění a úpravy vod/Synthesis of Iron Oxide Based Nanoparticles, Fe and Fe(VI) for Water Treatment Applications (doc. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D.)
• Studium mechanismu tvorby a teplotní transformace sloučenin železa ve vyšších oxidačních stavech (IV, V, VI)/ Study of the Formation Mechanism and Thermal Transformations of Iron Compounds with Higher Oxidation States of Fe(IV, V, VI) (doc. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D.)
• Studium biologicky aktivních látek imobilizovaných na magnetických nanočásticích a jejich aplikace/ Study of the Biologically Active Compounds Immobilized on Magnetic Nanoparticles and Teir Applications (doc. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D.)
• Studium mechanismu interakce nanočástic Fe s vybranými polutanty pro aplikace v technologiích čistění vod/Study of the Reaction Mechanism of Fe Nanoparticles with Selected Pollutants for the Water Treatment Technologies (doc. RNDr. Radek Zbořil, Ph.D.)
• Studium přípravy koloidních částic stříbra a jejich aplikačních možností/Study of Preparation of Silver Nanoparticles and Their Application in Practice (doc. RNDr. Libor Kvítek, CSc.)
  Koloidní částice kovů o rozměrech jednotek až stovek nm vykazují specifické vlastnosti spojené s uplatněním povrchových jevů zvyšujících chemickou aktivitu atomů či molekul na povrchu koloidní částice. Takové částice pak nalézají uplatnění v mnoha oblastech jak výzkumné činnosti (povrchem zesílený Ramanův rozptyl - SERS) tak v technologické praxi (katalýza, vodivé inkousty). Zvýšená chemická aktivita se uplatňuje i při interakci s živými organismy, známý je baktericidní efekt koloidů stříbra. Zmíněné vlastnosti resp. specifické chování koloidních částic a tedy i jejich uplatnění v praxi výrazně závisí na jejich velikosti. Proto je výzkum v oblasti přípravy koloidních částic stříbra i dalších kovů výrazně zaměřen na přípravu částic definovaných velikostních distribucí, umožňujících maximalizaci využívaného efektu v praxi. Důležitým směrem výzkumu je pak studium závislosti jednotlivých efektů na velikosti a povrchových vlastnostech připravených částic stříbra. Zajímavé možnosti tak nabízí zejména studium povrchem zesíleného Ramanova rozptylu a studium biologické aktivity koloidních částic stříbra.
• Studium povrchové energie pevných látek/The Study of Surface Energy of Solid Materials (doc. RNDr. Libor Kvítek, CSc.)
• Teoretické modelování nanomateriálů/Theoretical Modeling of Nanomaterials (doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D.)

Biomakromolekuly/Biomacromolecules

• Počítačové návrhy nových léků/In silico drug design (prof. Ing Pavel Hobza, DrSc., FRSC)
  Počítačové návrhy nových léků představují velmi atraktivní vědní obor na pomezí chemie, biochemie a farmacie a jejich cílem je návrh nových léků nebo modifikace stávajících. Přes náročnost jsou počítačové postupy velmi efektivní a dovolují tak omezit časově i finančně namáhavou syntézu velkého množství potenciálních léků. Klíčovým problémem je výpočet vazebné volné energie komplexu bílkovina...ligand a ukazuje se, že stávající postupy užívané ve "virtual screening" nejsou dostatečně přesné aby popsaly všechny významné energetické, entropické a solvatační příspěvky. V naší laboratoři jsme nedávno vyvinuli a otestovali nový postup výpočtu vazebné volné energie založený na užití modifikované semiempirické kvantově chemické metody PM6-DH2. Tato metoda, poskytující velmi kvalitní odhady interakčních energií různých typů nekovalentních komplexů, velmi výrazně zlepšila odhady jak struktur komplexů protein...ligand tak také (a to je velmi podstatné) příslušných interakčních energií. Testováni jsme prováděli na HIV proteáze a více než 20 ligandech včetně všech používaných v klinické praxi. Teoretické hodnoty velmi dobře korelovaly s pokusnými hodnotami vazebných volných energií. V současné době provádíme další testování jakož i vlastní výzkum a to jak modifikovaných ligandů tak také mutovaných proteinů.
• Studium mechanismu ribozymové katalýzy QM/MM metodami/QM/MM Study on Mechanism of Ribozyme Catalysis (doc. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.)
  Práce se bude věnovat popisu RNA katalýzy u vybraných ribozymů (HDV ribozym, hairpin ribozym ...) kombinovanými QM/MM metodami a dále popisu referenční reakce na úrovni CCSD(T)/CBS.
• Strukturní určovatele substrátové specifity cytochromu P450/Structural Determinants of Substrate Specificity of Cytochrome P450 (doc. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.)
  Cytochrom P450 je enzym monooxygenáza, který se v lidském těle podílí např. na detoxifikaci cizorodých látek (např. léčiv). Pochopení klíčových určovatelů substrátové specificity může napomoci při identifikaci metabolickcýh cest léčiv či hledání lékových interakcí. Cílem práce bude hledat vztahy mezi strukturou a vlastnostmi různých forem lidského cytochromu P450 a jejich substrátovou specifitou a to zejména metodami výpočetní chemie a bioinformatiky.
• Struktura a dynamika RNA/Structure and dynamics of RNA (prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc./doc. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.)
  Předmětem disertace bude studium vybraných molekul RNA (ribosomální motivy, jejich komplexy s proteiny, případně ribozymy, dle aktuální situace a dohody) pomocí počítačových simulací, bioinformatiky, případně kvantové chemie.
  RNA patří v současné době k nejintenzivněji studovaným biomolekulám. Funkční molekuly RNA formují fascinující 3D architektury a počítačové simulace patří k základním nástrojům studia vlivu molekulových interakcí na strukturu a funkci RNA. Naše laboratoř dosáhla v této oblasti v posledních 3 letech velmi výrazných výsledků. Ribosomy jsou velké molekulární stroje, jejichž komplexita připomíná obrovskou dynamickou stavebnici LEGO. Princip funkce biomolekulárních strojů se fundamentálně liší od strojů makroskopických (mechanických), protože všechny biomolekulární stroje pracují v režimu stochastických termálních fluktuací. Naše práce například prokázaly, že klíčové RNA stavební bloky ribosomu zvané Kink-turny slouží jako flexibilní molekulární klouby přenášející rozsáhlé dynamické pohyby, při nichž dochází během syntézy bílkovin. Naše simulace poskytly unikátní náhled na strukturní dynamiku katalytických center Hepatitis Delta Virus a hairpin ribozymu. Počítačovými simulacemi lze získat nové informace například o úloze nekanonických interakcí bází nukleových kyselin, hydrataci a dalších vlastnostech, a podstatným způsobem doplnit informace zjištěné rentgenovou krystalografií, fylogenetickou analýzou, a dalšími metodami. Úzce spolupracujeme se zahraničními laboratořemi, například laboratoří Prof. N.B. Leontise (BGSU, Ohio), N.G. Waltera (University of Michigan), M. Zachariase (Int. Univ. Bremen) a J. Franka (Wadsworth HHMI Ctr. Albany, a Columbia University, NY, USA).
• Teorie původu života - studium prebiotických reakcí/Origin of Life Theory – Study on Prebiotic Reactions (prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc./konzultant doc. RNDr. Michal Otyepka, Ph.D.)
  Předmětem disertace bude práce v oblasti "origin of life theory", což je dnes obsáhlá oblast výzkumu, sahající od evoluce planetárních systémů přes prebiotickou syntézu základních stavebních komponent živé hmoty až po jednoduché buněčné modely. Teoretické kvantově-chemické metody mohou být velmi efektivně aplikovány na studium prebiotických chemických procesů. Velkou výhodou těchto metod je jejich schopnost popsat procesy jež v řadě případů nelze uspokojivě či úplně studovat experimentálně. V rámci tématu jsme nedávno studovali interakci aldopentóz (arabinóza, xylóza, lyxóza, ribóza) v komplexech s boráty. Tyto analýzy pomohly odpovědět na otázku proč mohla být ribóza vybrána pro prvotní replikátory v prebiotickém světě. Jako přímé pokračování projektu plánujeme studium fosforylační reakce v komplexech borátů s aldopentózami. Dalším tématem disertace může být i studium párování bází a dalších molekulových interakcí alternativních bází nukleových kyselin, s cílem zjistit, co zvýhodňuje standardní báze nukleových kyselin (adenin, cytosin, guanin, uracil/thymin) oproti mnoha ostatním bázím. Existuje řada alternativních hypotéz primární syntézy základních komponent RNA, které zahrnují elementární chemické kroky a různé výchozí materiály. Kvantově-chemické výpočty mohou poskytnout důležité údaje o těchto procesech, jako je stereochemie a energetika jednotlivých reakčních kroků. To může být použito spolu s dostupnými experimenty na posouzení relevance různých syntetických cest v prebiotických podmínkách. Další možné projekty formulujeme ve spolupráci s našimi zahraničními partnery. Disertace je vhodná pro studenty, kteří mají zájem o použití moderních kvantově-chemických přístupů a mají cit pro chemické reakce.

Kvantová chemie a mezimolekulové interakce/Quantum Chemistry and Intermolecular Interactions

• Excitované stavy basí nukleových kyselin a párů basí nukleových kyselin/Electronically Excited States of Nucleic Acid Bases and Base Pairs (prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc.)
  Kvantověchemické ab initio výpočty vertikálních a 0-0 přechodů singletních a tripletních elektronicky excitovaných stavů; metody CI-S, CAS SCF, CAS PT2, SAC-CI.
• Přesné kvantově chemické výpočty stabilizačních energií párů basí nukleových kyselin a párů aminokyselin/Accurate Quantum Chemical Calculations on Stabilization Energies of Nucleic Acid Base Pairs and Aminoacid Pairs (prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc.)
  "complete basis set limit" výpočty na CCSD(T) úrovni; metody RI-MP2, CCSD(T)
• Výpočty termodynamických charakteristik interakce interkalujících látek a látek vázajících se v malém žlábku DNA/On the Calculations of Thermodynamic Characteristics of Interaction of Intercalators with DNA Minor Groove (prof. Ing. Pavel Hobza, DrSc.)
  Molekulová dynamika komplexu v reálném fyziologickém prostředí, výpočty termodynamických charakteristik metodou "free-energy pertrubation", parametrizace empirického AMBER potenciálu na základě kvantověchemických výpočtů.
• Empirické potenciály pro molekulovou dynamiku/Empirical Potentials for Molecular Dynamics (doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D.)
  Přesné kvantově chemické výpočty jsou oblíbeným odrazovým můstkem pro návrh empirických potenciálů. Tyto empirické potenciály jsou pak díky své jednoduchosti a efektivitě masově aplikovány v molekulovém modelování např. nukleových kyselin nebo proteinů. Cílem práce bude prozkoumat, jakým způsobem by se daly odstranit některé známé nedostatky stávajících potenciálů, týkající se např. popisu iontů nebo torzních úhlů. Pokusíme se pak za pomoci kvantově chemických metod jako jsou např. SAPT nebo DFT navrhnout nový potenciál a otestovat jej prostřednictvím molekulárně dynamických simulací.
• Disperzní energie v teorii funkcionálu hustoty - nelokální funkcionál hustoty/ Dispersion Energy in Density Functional Theory – Nonlocal Density Functional (doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D.)
  Teorie funkcionálu hustoty je dnes nejrozšířenějším nástrojem pro modelování chemických reakcí a získává oblibu také pro výpočty mezimolekulových interakcí. Současné lokální funkcionály ale stále nejsou schopny podchytit jednu z nejdůležitějších mezimolekulových interakcí - disperzi. Cílem práce bude pokusit se navrhnout, implementovat a otestovat nelokální funkcionál hustoty, který by zahrnoval disperzní interakci. Při návrhu budeme vycházet z již existujících řešení, která bude potřeba výrazně zdokonalit. Vítáni jsou zájemci se zájmem o fyziku nebo programování.
• Mezimolekulové interakce v biomolekulách/Intermolecular Interactions in Biomolecules (doc. RNDr. Petr Jurečka, Ph.D.)
  S rychlým rozvojem počítačů se kvantově chemické výpočty stávají stále populárnější metodou pro analýzu mezimolekulových interakcí v biomolekulách. V naší práci se soustředíme na interakce bazí nukleových kyselin v RNA a zvláště v ribozomech.

Antioxidanty, elektrochemie/Antioxidants, Electrochemistry

• Katalytické, permselektivní a iontově selektivní vrstvy pro senzorové aplikace/Catalytic, Permselective and Ion-Selective Layers for Sensor Applications (doc. RNDr. Jan Hrbáč, Ph.D.)
  Citlivost elektrochemických senzorů vůči určitému analytu zajišťují katalyzátory ukotvené na povrch elektrody, selektivita senzorů je zajišťována krycími filmy, zpravidla deponovanými pomocí elektrochemicky iniciované polymerace, depozicí par, metodami dip a spin coating apod. Morfologie filmů závisí na krystalografické struktuře povrchu pokrývaného materiálu, koncentraci monomeru, potenciálu použitého pro depozici, případně rychlosti, s jakou je měněn, přítomnosti aditiv, pH apod. Náplní práce bude optimalizace vrstev kotvených na uhlíkovém mikrovlákně, pro diskriminaci peroxidu vodíku a oxidu dusnatého.
• Chemiluminiscence luminolu v organizovaných soustavách a její využití pro stanovení lipofilních antioxidantů/Luminol Chemiluminescence in Organized Media and Its Utilization for Determination of Lipophilic Antioxidants (doc. RNDr. Jan Hrbáč, Ph.D.)
  Inhibice chemiluminiscence antioxidanty je často využívána pro stanovení celkové antioxidační kapacity potravinářských produktů. Nejčastěji používaná metodika, využívající luminol, je limitována na hydrofilní vzorky. Přídavek surfaktantu do chemiluminiscenční směsi umožňuje převedení lipofilních antioxidantů do roztoku a tím i stanovení antioxidační kapacity v olejích a tucích.