|
Molecular chemical physics and sensorics
Doktorský program,
Fakulta chemicko-inženýrská
The aim of the doctoral study programme Molecular Chemical Physics and Sensors is to prepare highly qualified specialists in the interdisciplinary fields of molecular chemical physics and sensorics. The main areas of study of this programme are related to knowledge of quantum physics and quantum chemistry, optics, electronics, vacuum physics, spectroscopy, modelling of molecules and molecular processes, and theoretical and experimental methods of studying nanostructures. As part of this study, PhD students will be prepared for independent research work in laboratories as well as for managerial positions at various levels, both in the public institutions and in the private sector. The aim of the doctoral study programme is to deepen and broaden students' knowledge so that they can combine experimental work with computational models and analyze large multivariate datasets with the aim of qualified evaluation of information and formulation of appropriate conclusions. UplatněníGraduates of the doctoral study programme Molecular Chemical Physics and Sensorics will have both deep theoretical knowledge and extensive experimental experience in chemical-physical disciplines (quantum theory, optics, optoelectronics, spectroscopy, computational chemistry and modelling of molecular and supramolecular systems, etc.). Graduates will be prepared for highly creative work in interdisciplinary teams dealing with molecular chemical physics, sensorics, spectroscopy, computational chemistry and nanostructure research, they will be able to communicate with experts in the field of measurement and control technology, physical and analytical chemistry, computer data evaluation or material research. Graduates will have extensive experience in communicating specialised knowledge in the form of written / electronic texts, especially in English, as well as oral and poster presentations. Detaily programu
Vypsané disertační práce pro rok 2026/27Ab initio modelování přenosu nosičů náboje v polymorfních organických polovodičích
AnotaceVelká strukturální a chemická variabilita organických polovodičů vyvolává potřebu výpočetního screeningu klíčových parametrů elektronové struktury a souvisejících vlastností objemové fáze, jako je šířka zakázaného pásu nebo mobilita nosiče náboje. Posledně jmenovaná vlastnost zůstává u většiny existujících organických polovodivých materiálů spíše nízká ve srovnání s tradičními anorganickými krystalickými platformami optoelektronických zařízení. Pochopení vztahů mezi krystalovou strukturou, nekovalentními interakcemi molekul v ní, elektronickými vlastnostmi, vodivostí a odezvou všech těchto vlastností na změny teploty a tlaku značně urychlí materiálový výzkum v oblasti organických polovodičů. Tato práce bude využívat zavedené metody elektronové struktury s periodickými okrajovými podmínkami a také ab initio fragmentační metody k mapování koheze organických polovodičů s pohyblivostí nosiče náboje v krystalických i amorfních strukturách těchto materiálů. Ab initio výpočty a Marcusova teorie budou použity jako výchozí bod pro detailní zkoumání vlivu lokálních strukturních variací v důsledku chemické substituce, tepelného pohybu nebo polymorfismu na vodivost cílových materiálů. Ab Initio Prediction of Protein Structure: Viewing Protein Folding as an Intramolecular Solvation Problem
AnotaceHlavním cílem je vývoj a implementace ‘ab initio’ prediktoru struktury proteinů (pracovně pojmenovaného QMLFold). QMLFold spojí rozšíření solvatační teorie COSMO-RS do 3D prostoru (označené jako 3D-COSMO-RS) s kvantově-chemickými (QM) potenciály peptidů získaných strojovým učením (které byly nedávno vyvinuty v naší skupině) a efektivními algoritmy vzorkování. Program by měl být nezávislý na existujících proteinových strukturách, a být tedy univerzální a všestranný. Strojové učení v rámci jeho algoritmu – „ML“ v QMLFold – bude použito pouze k predikci intramolekulárních volných energií krátkých peptidových fragmentů tvořících proteinový řetězec (v „QM/DFT kvalitě“). Paradigma, které stojí za QMLFold-em, se dá vyjádřit otázkou, zdali můžeme skládání proteinů považovat za „solvatační problém“. Jinými slovy, zdali můžeme protein považovat za soubor chemicky odlišných entit – postranních řetězců aminokyselin, kovalentně spojených „poly-glycinovou“ páteří, které jsou rozpuštěny samy v sobě? QMLFold může otevřít nové obzory v biokatalýze, designu peptidů vázajících kovy (senzorů) a může být potenciálním průlomem v oblasti, která není přístupná algoritmům typu AlphaFold3 (tedy oblasti středně velkých peptidů, nestrukturovaných proteinů či peptidů s xeno-aminokyselinami). Ab initio zpřesnění metod pro hledání kokrystalů farmaceuticky aktivních látek
AnotaceModerní formulace léčiv často spoléhají na kokrystalické formy, jejichž krystalová mřížka je vytvořena z více chemických látek, typicky určité aktivní farmaceutické složky a další biokompatibilní sloučeniny, která se v tomto kontextu nazývá koformer. Tyto kokrystalické lékové formy často mohou vykazovat vyšší rozpustnost, stabilitu nebo jiné prospěšné vlastnosti ve srovnání s krystaly čistých aktivních farmaceutických složek. Protože molekulární materiály mají tendenci krystalizovat v jednosložkových krystalech spíše než v kokrystalech, nalezení vhodného koformeru pro danou aktivní farmaceutickou složku může být velmi zdlouhavý a pracný proces. Aby se obešly nákladné experimenty typu pokus-omyl, in silico metody mohou pomoci předem vybrat seznam možných koformerů nabízejících vysokou pravděpodobnost vytvoření kokrystalu. V současnosti dostupné metody se zaměřují na screening elektrostatického potenciálu kolem hodnocených molekul a empirické párování jeho maxim a minim pro jednotlivé molekuly, což umožňuje screening koformerů se slušnou přesností pro molekuly s převážně vodíkovými vazbami. Tato práce se zaměří na začlenění ab initio výpočtů molekulárních interakcí, které přinesou další zlepšení také pro screening kokrystalů větších molekul s převažujícími disperzními složkami jejich interakcí. Nově budou zvažovány také dopady stechiometrických variací a prostorového balení molekul v mřížce kokrystalu, což značně rozšíří rozsah použitelnosti současných postupů screeningu kokrystalů. Computational Design of Ligands for Radiotherapy
AnotaceCílená radioterapie založená na komplexech kovových radionuklidů představuje významný směr vývoje moderní onkologické léčby. Klíčovou roli v těchto systémech hrají chelátory, které musí zajistit vysokou termodynamickou stabilitu komplexu, kinetickou inertnost v biologickém prostředí a vhodnou koordinační geometrii kovového centra. Tato práce se zaměřuje na výpočetní návrh a charakterizaci chelátorů založených na peptidových ligandech nebo od peptidů odvozených chelátorů pro komplexaci terapeuticky relevantních radionuklidů, zejména 177Lu, 161Tb, 225Ac a případných dalších. Pomocí kvantově-chemických výpočtů (DFT) budou studovány geometrie, vazebné energie a elektronové vlastnosti komplexů, rovněž pak specifita vazby jednotlivých iontů radionuklidů uvedených výše. Součástí práce bude také interpretace experimentálních dat paramagnetické NMR spektroskopie pomocí výpočtů NMR parametrů, umožňující detailní popis struktury a dynamiky paramagnetických komplexů v roztoku. Výsledky budou diskutovány v kontextu vztahů mezi strukturou a vlastnostmi relevantních pro racionální návrh radiofarmakologických ligandů. Praktická realizace bude provedena našimi zahraničními spolupracovníky. Kvantový sensing pomocí optických bionanosenzorů
AnotaceKvantové nanosenzory přináší oproti klasický senzorům výhodu velké citlivosti a vysokého rozlišení. Jedním typem takového kvantového nanosenzoru jsou fotoluminiscenční nanočástice, jejichž detekce spočívá v sledování změn luminiscence v odpovědi na vnější podněty. Cílem práce bude čtení optických nanosenzorů s využitím pulzní optické elektronové paramagnetické rezonance (EPR) detekce a sledováním spektrálních změn. Student bude navrhovat a implementovat pokročilé pulzní sekvence do stávajícího kvantového konfokálního mikroskopu, provádět a vyhodnocovat měření. Dále bude optimalizovat senzitivitu nanosenzorů pomocí chemických modifikací povrchu. Výstupem práce bude časově-rozlišená lokální kvantová detekce v biologicky relevantním prostředí. Předpokládané znalosti uchazeče na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika a chemická fyzika nebo fyzikální chemie. Práce bude vypracována v týmu Syntetická nanochemie na ÚOCHB AV ČR. Molecular Design of New (Metallo- and Xeno-)Peptidic Frameworks for Biocatalysis
AnotaceOblast přepracování (redesign) stávajících nebo návrhů enzymů nových, často podporovaná výpočetními algoritmy, doznala v posledních několika desetiletích značného rozvoje. V literatuře poslední doby lze najít mnoho úspěšných příkladů. Patří mezi ně záměna jedné aminokyseliny v proteinu za účelem dosažení katalytické aktivity u neaktivního enzymu, přepracování katalytických kofaktorů nebo „chemomimetická“ biokatalýza využívající syntetický potenciál enzymů závislých na kofaktorech. V navrhované práci bude využito efektivní konformační vzorkování založené na strojově-učených kvantově mechanických energiích v implicitním rozpouštědle (ML-QM(DFT)/COSMO energie) pro návrh nových a dosud nepoznaných oligopeptidů, které po vložení kovu budou napodobovat katalytická místa v nativních architekturách v metaloenzymech. Pomocí stejných metod a přístupů budeme také zkoumat stejnou otázku u peptidů složených z xeno- (nepřirozených, či nekanonických) -aminokyselin, abychom odhalili dosud neprobádaný katalytický potenciál metalo-xeno peptidů či jejich proteinových protějšků. Tímto způsobem bychom mohli otevřít nové obzory v biokatalýze, včetně zcela nové oblasti metalo-xeno peptidů. Příprava a charakterizace kvantově-optických bionanosenzorů
AnotaceFotoluminiscenční nanodiamanty jsou novým typem kvantových biosenzorů využívajících změnu luminiscenčních vlastností v odpovědi na vnější podněty. Oproti klasický senzorům přinášejí výhodu velké citlivosti a vysokého rozlišení, ale jsou často nespecifické. Cílem práce bude chemická funkcionalizace těchto senzorů za účelem specifické a citlivé detekce v biologicky relevantním prostředí. K tomu student využije kovalentní modifikace povrchu nanosenzorů v koloidním stavu a provede jejich následnou charakterizaci. Funkčnost takto zkonstruovaného nanosenzoru ověří pomocí kvantového konfokálního mikroskopu s využitím pokročilých pulzních sekvencí. Výstupem práce bude časově-rozlišená lokální kvantová detekce specifických molekul. Předpokládané znalosti uchazeče na úrovni ukončeného magisterského studia v oboru biofyzika, chemická fyzika nebo fyzikální chemie. Práce bude vypracována v týmu Syntetická nanochemie na ÚOCHB AV ČR. Radiační poškození DNA, experiment a teorie
AnotaceCílem projektu je studium radiačního poškození DNA na jednotlivých molekulách pomocí DNA origami nanostruktur. Metodologie vyvinutá v naší laboratoři [Sala et al. J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 17, 3922] bude použita ke studiu radiosensibilizačního efektu nanočástic na přesně definované sekvence DNA. Tento základní výzkum je zaměřen na pochopení detailů radiační terapie s použitím zlatých nanočástic s potenciálem využití k lepšímu cílení terapie a vývoje nových teranostických postupů. Student se obeznámí s přípravou DNA origami nanostruktur a zapojí se do experimentů s ionizujícím zářením ve spolupracujících laboratořích v ČR a zahraničí. Značná část projektu se zaměří na teoretické modelování studovaných procesů a to zejména s použitím nástrojů molekulové dynamiky a hrubozrnných modelů. |
Aktualizováno: 15.2.2022 15:51, Autor: Jan Kříž