Doktorské studium Biofyzika

Spektroskopické využívající časové rozlišení v oblasti femtosekund umožňují sledovat extrémně rychlé procesy v různých materiálech. Naše projekty se pohybují na hranicích mezi fyzikou, chemií a biologií, a zaměřují se především na studium dynamiky excitovaných stavů molekul, především fotosyntetických pigmentů. Studujeme zejména procesy přenosu energie a/nebo elektronu ve fotosyntetických proteinech pomocí laserů generujících extrémně krátké světelné pulsy. Naše vědecká skupina ale také vyvíjí nové metody ultrarychlé spektroskopie jako například experimenty s multipulsní excitací, které umožňují manipulaci s populacemi excitovaných stavů molekul, nebo experimenty využívající dvoufotonovou excitaci.

Kontaktní osoba: prof. Tomáš Polívka (tpolivka@jcu.cz), www.polivkalab.cz

Fotosyntéza je složitý proces vyžadující přesnou souhru mnoha molekul a proteinů, která vede k efektivnímu využití sluneční energie a její přeměně na energii chemickou. Studentské projekty v této oblasti jsou zaměřeny na studium účinnosti přenosu energie ve fotosyntetických proteinech i složitějších komplexech obsahujících více proteinů, na mechanismy ochrany fotosyntetických organismů před nadměrným ozářením, na vztahy mezi strukturou a funkcí fotosyntetického aparátu a na další biofyzikální aspekty fotosyntézy. Tyto projekty jsou řešeny pomocí různých optických a biochemických metod jako například absorpční a fluorescenční spektroskopie, cirkulární dichroismus nebo chromatografické metody.

Kontaktní osoby: dr. Radek Litvín (rlitvin@prf.jzu.cz), dr. David Bína (bina@umbr.cas.cz)

AFM umožňuje detailní zobrazení povrchu a mechano-elastických vlastností, včetně jejich dynamiky u živých buněk, biologických membrán, proteinů a jejich komplexů, peptidů, polynukleotidových řetězců, organických polymerů a jejich sloučenin a to jak v plynné tak kapalné fázi. Ve vzorcích v pevné fázi např. nanočástice a nano strukturované povrchy mohou být zobrazovány mapy vodivosti a kapacitance. AFM také slouží k měření sil působících mezi všemi výše zmíněnými objekty až na úroveň studia nekovalentních vazeb vznikajících mezi jednotlivými molekulami.

Kontaktní osoba: dr. David Kaftan (dkaftan@prf.jcu.cz)

Projekty elektronové mikroskopie využívají technicky náročné metody, které umožňují lokalizaci jednotlivých komponent v buněčné ultrastruktuře (TEM) či povrchové morfologii vzorku (SEM). Součástí projektů je rovněž příprava biologických preparátů pro elektronovou a korelativní mikroskopii. Kromě klasické EM jsou naše projekty zaměřené i na Cryo EM strukturální studie virových částic nebo izolovaných proteinových komplexů. Výsledkem těchto projektů je 3D struktura zkoumaného preparátu. Další metoda, kterou je možné využít v naší laboratoři pro 3D struktury větších objektů (izolované organely) je elektronová tomografie.

Kontaktní osoby: ing. Jana Nebesářová (nebe@paru.cas.cz), dr. Zdeno Gardian (gardian@prf.jcu.cz)

Studenti se zabývají výzkum a vývojem tenkých, funkčních, nanostrukturovaných vrstev, které jsou schopné interakce s komplexy molekul; jedná se zejména o povrchy pro bio-senzory využívající metody LMR, SERS, LSPR, SPR detence; obohacené tenké vrstvy (např. vrstvy dopované antibiotiky); povrchy s funkčními vazbami atd. Nanostrukturované povrchy jsou typicky připravovány pomocí plazmatických metod PVD (Physical Vapour Deposition) nebo PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition).

Kontaktní osoba: Vítězslav Straňák (stranak@prf.jcu.cz, stranv00@centrum.cz), www.prf.jcu.cz/plasma

umožňují pochopit strukturu, interakce a dynamiku iontů, molekul a biomolekul na molekulární úrovni, a objasnit molekulární původ experimentálních dat. K získání výsledků a jejich porovnání s experimentálními výsledky používáme klasickou molekulární dynamiku i kvantové výpočty, včetně ab initio dynamiky. V současné době se soustředíme na predikci signálů nelineární optiky (generace součtových frekvencí, generace druhé harmonické frekvence) a elektrokinetických jevů (elektroosmóza, elektroforéza) aplikovaných na stále složitější systémy.

Kontaktní osoba: doc. Milan Předota (predota@prf.jcu.cz)

Studenti pracují s výpočetními metodami pro modelování biologických systémů a zabývají se především analýzou dynamických změn v těchto systémech a jejich interakcí s okolím. Studenti pomocí tzv. molekulárního modelování a kvantově chemických výpočtů studují vztah mezi strukturou a funkcí biomolekul (proteinů a nukleových kyselin), jejich vzájemnou interakci a jejich interakci s okolím (rozpouštědel a iontových kapalin). Výsledky teoretických přístupů jsou následně srovnávány s experimentálními daty.

Kontaktní osoby: Dr. David Řeha (reha@nh.cas.cz), Dr. Babak Minofar (minofar@nh.cas.cz)

s cílem připravit krystaly a určit struktury proteinů a proteinových komplexů pomocí rentgenové difrakční analýzy. Znalost detailní struktury proteinů je zásadní pro pochopení jejich funkce. Studenti se zabývají celým procesem vedoucím k určení struktury proteinu od izolace a purifikace proteinu pomocí molekulárně biologických a biochemických metod, přes vlastní přípravu krystalů až po rentgenovou strukturní analýzu. Celá řada enzymů, virových a jiných proteinů důležitých pro biomedicínu, farmakologii, biotechnologie nebo biotransformace jsou k dispozici k detailnímu studiu. 

Kontaktní osoba a školitelé: prof. Ivana Kutá Smatanová, Ph.D. (kuta@prf.jcu.cz), Taťána Prudnikova, Ph.D. (prudnikova@prf.jcu.cz), Michal Kutý, Ph.D. (kuty@prf.jcu.cz)

https://www.prf.jcu.cz/en/uchbch/research/laboratory-of-structural-chemistry.html

Viry jsou původci mnoha infekčních onemocnění negativně ovlivňující lidské zdraví, zemědělskou výrobu a vedoucí k značným ekonomickým ztrátám. Vývoj nových léčiv vyžaduje znalost replikačního cyklu viru v infikované buňce. Naše laboratoř se zaměřuje na RNA viry z rodiny Reoviridae, rotavirus a ptačí reovirus, které způsobují významné infekční onemocnění. Tyto viry se replikují v takzvaných viroplasmách, což jsou virem in dukované cytoplasmické struktury. Dosavadní výzkum prokázal že viroplasmy se tvoří fázovou separací, ale zůstávají v tekutém stavu. Tento projekt se zaměřuje na vývoj modelových systému pro studium této fázové separace a aplikaci nových biofyzikálních a zobrazovacích metod.

Kontaktní osoba: doc. Roman Tůma (rtuma@prf.jcu.cz)

Vedoucí: Roman Tůma & Tomáš Fessl

Virus klíšťové encefalitidy patří do skupiny pozitivních jednovláknových RNA virů. Tyto viry se v hostitelské buňce replikují na membráně endoplasmatického retikula, kde dochází k vytvoření dynamického útvaru nazývaného replikační komplex. Navzdory tomu, že replikační komplex je nezbytný pro replikaci viru, naše informace o struktuře tohoto komplexu či interakcích vedoucích ke vzniku komplexu a replikaci virové genomové RNA jsou značně limitované. V našem přístupu kombinujeme široké spektrum metod (od molekulárně biologických po biofyzikální či strukturní), které pomohou objasnit vznik replikačního komplexu v membráně endoplasmatického retikula a replikaci virové RNA.

Kontaktní osoba:  Zdeněk Franta zfranta@prf.jcu.cz, Školitelé: Zdeněk Franta, Filip Dyčka (fdycka@prf.jcu.cz), Zdeno Gardian (gardian@prf.jcu.cz), Tomáš Fessl (fessl@prf.jcu.cz), Roman Tůma (rtuma@prf.jcu.cz)

Alostericky modulované molekulové motory se účastní mnoha klíčových procesů v bakteriálních i eukaryotních buňkách. Obecnou vlastností těchto motorů je, že prochází opakovanými cykly hydrolýzy nukleotidů a že rychle přechází mezi mnoha konformačními stavy. Tyto přechody jsou realizovány za pomoci vazby nukleotidů a jejich hydrolýzou (přeměnou energie z chemické na mechanickou). Celý proces je řízen alostericky. Plné porozumění těmto procesům na molekulární úrovni tak bude od studentů vyžadovat aplikaci alosterické teorie a její další rozvoj. Práce s membránové proteiny je výrazně složitější než zkoumání těch ve vodě rozpustných, právě proto, že ke své optimální funkci vyžadují přítomnost biologické membrány. Navíc standardní biofyzikální a biochemické metody nejsou na membránové proteinové komplexy běžně aplikovatelné kvůli jejich inherentní heterogenitě, dynamice a komplexnosti jejich nativního prostředí. Proto jsme jako hlavní výzkumný nástroj zvolili  fluorescenční spektroskopii jednotlivých molekul, která si s těmito aspekty dokáže poradit. Cílem navržených projektů je zmapovat kompletní alosterickou síť regulující procesy v různých membránových proteinových komplexech za použití jedno-molekulových metod v kombinaci s in silico analýzou a hydrogen-deuterium exchange hmotnostní spektroskopií.

Školitelé: Tomáš Fessl (fluorescence jednotlivých molekul + molekulární motory), David Řeha (in silico), Filip Dyčka (hmotnostní spektrometrie), Alexey Bondar (membránové proteiny) and Roman Tůma (makromolekulární komplexy).

Další biofyzikální témata jsou nabízena ve spolupráci s Fakultou rybářství a ochrany vod.