Doktorské studium Biofyzika

Garant: prof. RNDr. Tomáš Polívka, PhD.; kontakt: tel. 387 776 259; e-mail: tpolivka@jcu.cz


Požadavky na uchazeče:

Úspěšné absolvování magisterského oboru přírodovědného (fyzika, chemie, matematika, nebo biologie) případně inženýrského směru.

Charakteristika doktorského oboru Biofyzika:

Studijní obor biofyzika je zaměřen na vědeckou práci studentů v oblastech na hranicích fyziky, chemie a biologie. Studenti biofyziky se ve svých doktorských projektech zabývají především řešením problémů spadajících tematicky do biologie a/nebo chemie, a tyto problémy řeší pomocí fyzikálních metod. Nabízené doktorské projekty jsou jak teoretické tak experimentální, a dle konkrétního zaměření se mohou zabývat buď základním, nebo aplikovaným výzkumem. Během řešení doktorských projektů jsou studenti vedeni k samostatné vědecké práci, od navrhování a realizace experimentálních i teoretických přístupů, správného zpracování a interpretace naměřených nebo vypočtených dat, až po prezentaci výsledků. Okruhy témat disertačních prací vycházejí z vědeckého profilu jednotlivých odborných skupin a pokrývají širokou škálu moderních biofyzikálních metod od ultrarychlé laserové spektroskopie a spektroskopie jednotlivých molekul přes rentgenovou difrakční analýzu, molekulárně dynamické, kvantově chemické a semiempirické výpočty, techniky molekulárního modelování, až po pokročilé mikroskopické metody včetně elektronové mikroskopie nebo mikroskopie atomárních sil. Tyto metody jsou aplikovány na studium biologických systémů od úrovně molekul přes studium izolovaných proteinů, celých buněk až po modelování procesů v ekosystémech.

Okruhy témat doktorských prací:

Ultrarychlá spektroskopie. 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

Studium fotosyntetických procesů pomocí optických a biochemických metod. 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)

Mikroskopie atomárních sil (AFM). 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)

Elektronová mikroskopie (EM). 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)

Bio-aktivní nanostrukturované tenké vrstvy a povrchy. 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

Molekulární simulace vodných roztoků a rozhraní pevná látka-kapalina 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)

Počítačové modelování interakcí mezi biomolekulami a jejich okolím. 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)

Krystalizace a proteinová krystalografie 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

Skládání virových částic – od modelových systémů k buněčnému zobrazování v reálném čase. 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)

Replikace viru klíšťové encefalitidy. 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)

Alosterická komunikace a dynamika v membránových proteinových komplexech. 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.

Požadavky na disertační práci

Disertační práce v oboru Biofyzika musí splňovat obecné požadavky stanovené Opatřením děkana č. 62 (odkaz https://www.prf.jcu.cz/data/files/8/81/84/203d62.pdf). Oborová rada Biofyziky nad rámec tohoto opatření stanovuje rozšiřující požadavky na úvod a závěr v případě, že se disertační skládá z úvodu doplněného již publikovanými pracemi. V tomto případě úvodní část musí být originální text v rozsahu alespoň 20-30 normostran (5000-7500 slov), obrázky, tabulky a citace se do tohoto rozsahu nepočítají. Úvodní část práce musí obsahovat přehled problematiky, současný stav poznání v oboru, popis použitých metod (nad rámec stručného popisu běžně používaného v publikacích), cíle disertační práce. Kromě tohoto úvodu musí disertační práce rovněž obsahovat závěr, který shrnuje výsledky disertační práce, případně naznačuje další možnosti využití výsledků prezentovaných v disertační práci.

Požadavky na státní zkoušku

Oborová rada doporučuje státní zkoušku složit během třetího roku doktorského studia. Státní zkouška se skládá ze ze dvou částí. První část obsahuje zkoušku z pilotních doktorských kurzů, které student během studia absolvoval. Druhá část je zaměřena na konkrétní problematiku souvisejícís tématem disertační práce.