Témata kvalifikačních prací


Bakalářské práce:

  • Molekulární simulace proteinů
    Klasické počítačové simulace chování proteinů ve vodných prostředích a na pevných rozhraních se zaměřením na jejich strukturu. Student se v rámci této práce seznámí se simulačními softwary Amber a Gromacs, osvojí si základní metody strukturních analýz (RMSD, RDF, Ramachandran plot, korelační funkce, atd.) a naučí se zobrazovat proteinové struktury pomocí programů VMD a Chimera. Dále bude řešitel seznámen s proteinovou databází RCSB PDB, kde jsou uloženy atomární struktury většiny známých biomakromolekul a která se hojně využívá pro nejrůznější studie proteinů in silico, včetně vývoje nových léčiv. Práce je tedy zaměřené prakticky, tak aby případný absolvent byl schopen samostatně provádět základní simulace biomolekul. Konkrétní protein studovaný v rámci této práce bude zvolen po dohodě studenta se školitelem.

    Téma je vhodné především pro studenty Biofyziky či Biochemie, mohou ji ale řešit i motivovaní studenti z jiných oborů. Předpokládají se znalosti fyzika popř. chemie na úrovni základních kurzů vyučovaných na PřF JU. 

  • Dynamika redoxních polycyklických molekul
    Resorcinareny jsou polycyklické molekuly, které mohou být v různých rozpouštědlech redukovány či oxidovány, což následně ovlivňuje jak jejich strukturu, tak jejich optické vlastnosti. Vzhledem k této variabilitě, je chování těchto molekul v současné době intenzivně studováno experimentálně (NMR, UV-VIS spektroskopie) i teoreticky pomocí počítačových simulací, s vidinou jejich potencionálního uplatnění v molekulární elektronice. V rámci této práce budou prováděny simulace pomocí klasické molekulární dynamiky (MD) v softwaru Amber a Gromacs a následné výpočty optických spekter pomocí programu Gaussian. Kromě těchto simulačních programů a používaných technik se student během řešení práce seznámí s metodami zobrazování molekul a základními analýzami napočítaných dat. Práce bude řešena ve spolupráci s vědeckou skupinou na National Institute of Materials Science (NIMS) v Japonsku, která tyto molekuly studuje experimentálně.

    Téma je vhodné především pro studenty Biofyziky, Fyziky či Chemie, mohou ji ale řešit i motivovaní studenti z jiných oborů. Předpokládají se znalosti fyzika popř. chemie na úrovni základních kurzů vyučovaných na PřF JU. 

  • Simulace optických spekter malých molekul
    Přestože je výpočet optických spekter molekul dnes již relativně přímočará záležitost, přesnost takových výpočtů záleží na mnoha parametrech, které mohou drasticky ovlivnit výsledky. Cílem teto práce je sestavit skupinu malých molekul, jejichž absorpční optická spektra jsou experimentálně známá a které absorbují v různých částech frekvenčního spektra. Na této skupině molekulou budou poté testovány různé kvantové výpočetní metody (od empirických jako je ZINDO/S, přes kvantově-chemické jako CIS a CCSD až po časově závislou teorii hustotních funkcionálů, tedy TDDFT) s cílem porovnat jejich přesnost, výpočetní náročnost a provést optimalizaci jejich nastavení. Student se během řešení této práce naučí zacházet s programem Gaussian, který patří mezi nejpoužívanější kvantově-chemické software, a osvojí si základní výpočetní techniky v této oblasti.

    Téma je vhodné především pro studenty Biofyziky, Fyziky či Chemie, mohou ji ale řešit i motivovaní studenti z jiných oborů. Předpokládají se základní znalosti kvantové fyziky.



Diplomové práce:

  • Vliv elektrického pole na strukturu a vlastnosti proteinů
    Chování proteinů, tj. základních stavebních kamenů všech živých buněk, je do značné míry determinováno prostředím, ve kterém se nacházejí a elektrickým polem, které dané prostředí generuje. Ten samý protein se může jinak chovat, pokud je integrován v buněčné membráně, je rozpuštěn ve vodě, je extrahován do vakua anebo pokud je vystaven vnějším elektrickým polím, tak jak k tomu dochází během elektrochemických měření. To vše může ovlivnit jak strukturu, tak elektronické vlastnosti proteinů, což se nejvíce projeví když je daný protein tzv. redoxní, tedy schopen zachytávat a vést elektrický náboj. V rámci této práce budou tyto efekty studovány pomocí počítačových simulací využívající metody nerovnovážné molekulární dynamiky (MD), metody poruchových matic (PMM) a teorie hustotních funkcionálů (DFT). Práce bude zaměřena především na redoxní proteiny a jejich odezvu na vnější elektrické pole v různých prostředích. Konkrétní protein bude zvolen po dohodě studenta se školitelem.

    Téma je vhodné především pro studenty Biofyziky či Biochemie, práci mohou ale řešit i motivovaní studenti z jiných oborů.

  • Studium přenosu náboje mezi kovovými ionty v roztoku
    Elektrický náboj v elektrolytech je veden pomocí rozpuštěných iontů. Pokud jsou ale dané ionty tzv. multivalenční, může mezi nimi docházet ještě k přenosu elektronů a tedy změně redoxních stavů. Tyto procesy nastávají zpravidla u transitních kovů jako Fe, Cu, Ru, Rh či Os, které silně interagují s rozpouštědlem (především s vodou), mohou existovat v několika redoxních stavech a snadno si předávají elektrony. Jejich vzájemná schopnost si elektron předat je dána redoxními potenciály těchto kovů zatímco rychlost takové procesu závisí na jejich vzájemné vzdálenosti, strukturní flexibilitě a uspořádání molekul rozpouštědla v jejich okolí. To vše může být ovlivněno dále ovlivněno přítomností vnějšího elektrického pole, tak jako tomu je v elektrochemických experimentech. Tyto efekty budou v rámci této práce studovaný pomocí počítačových simulací s využitím d-QM/MM metody (tedy kombinovaného klasického a kvantového popisu systému) a molekulární dynamiky (MD). Student bude v rámci práce seznámen nejen s těmito metodami, ale i s praktickým využitím Markusovy teorie přenosu náboje, která se pro popis těchto nábojových přenosů využívá.

    Téma je vhodné především pro studenty Fyziky, práci mohou ale řešit i motivovaní studenti z jiných oborů

  • Vývoj softwaru pro kombinované molekulárně mechanické a kvantové simulace molekul
    Počítačové simulace molekul lze provádět buď klasicky pomocí tzv. silových polí nebo kvantově, kdy je nutné spočítat tzv. vlnovou funkci či elektronovou hustotu dané molekuly. První přístup je aplikovatelný na velké systémy, jako např. proteiny, ale nedokáže popsat chemické procesy, kdy dochází k přenosu náboje či změně chemických vazeb, a proto se omezuje se na studium struktury a pohybu molekul. Druhý přístup je naopak vhodný pro popis chemických změn, ale je výpočetně náročný, a tedy aplikovatelný jen na relativně malé molekuly. V případě popisu chemických procesů probíhajících v makromolekulách je nutné tyto přístupy kombinovat a popisovat část systému klasicky a část kvantově. Školitel této práce vyvinul software QMS, který umožňuje propojit kvantový program Gaussian s klasickými simulačními programy Amber a Gromacs a tyto kombinované výpočty provádět. Řešitel této práce bude tento systém dále rozšiřovat, tak aby byl schopný párovat více dostupných simulačních programů a provádět pokročilé simulační techniky (např. optimalizace molekul s fixními parametry). Systém bude testován na vybraných aplikacích po dohodě studenta se školitelem.

    Téma je vhodné především pro studenty Fyziky či Aplikované informatiky, práci mohou ale řešit i motivovaní studenti z jiných oborů. Předpokládá se znalost programovacího jazyka C a základy fyziky na úrovni úvodních kurzů PřF JU.