Studentská vědecká konference 2020

Práce se zabývá teoretickým modelováním stability a fotochemie aminokyselin, především glycinu, na astrochemických ledových částicích. Práce je motivována novými daty získaných kosmickými sondami na kometách; pro interpretaci těchto dat je důležité porozumět fotochemii a stabilitě aminokyselin na ledových částicích a ve vodě. Ve své práci v první fázi studuji pomocí kvantově chemických metod stabilitu aminokyselin glycinu a alaninu v různě protonovaných formách v závislosti na stupni hydratace. Dále bude práce pokračovat fotochemií aminokyselin a studiem vlivu solvatace na fotochemii. Poté budou simulovány fotochemické procesy na ledových částicích, pro jejich studium předpokládám model typu QM/MM, který ale bude nutné navrhnout a testovat.  

One of the most interesting properties of liquid ammonia is its ability to dissolve alkali metals, producing solutions of a fine blue color. This blue color has been ascribed to excitations of free solvated electrons, which reside in solvent cavities. These solutions, due to their highly unorthodox nature - containing a solute of purely quantum-mechanical nature, have historically been a target of great scientific interest. We sought to obtain a quantitative description of the optical spectrum using calculations employing the time-dependent density functional theory. First, we considered cluster systems in implicit solvent, which we previously used to quantitatively reproduce vertical detachment energies of solvated electrons. We found that these systems were insufficient to properly describe the spectrum, due to the highly diffuse nature of the excitated states. We solved this by considering larger numbers of explicit molecules, and replacing the implicit solvent by additional classical mechanical molecules, described by a force field. Conventional approximate hybrid exchange-correlation functionals were also found to be unsuitable for calculating the optical spectrum. We explored a possible solution to this - employing non-empirically tuned range-separated hybrid functionals.

Lipáza je enzym ze skupiny hydrodláz, jehož přirozenou funkcí je rozklad tuků. Kromě toho ale nachází i využití v průmyslových procesech jako katalyzátor, a to nejen ve vodném prostředí, ale i v organických rozpouštědlech. Nejvyšší aktivitu vykazují lipázy na fázovém rozhraní tuku a vody, což se vysvětluje přítomností amfifilní smyčky – tzv. víčka v blízkosti aktivního místa. Na fázovém rozhraní dojde působením hydrofóbních interakcí ke změně konformace víčka, které následně odkryje aktivní místo s katalytickou triádou aspartát‑histidin-serin. Víčko různých lipáz se liší velikostí i primární strukturou. Mutacemi lze ovlivňovat různé vlastnosti daného enzymu, např.: termostabilitu nebo aktivitu. Otevírání víčka je mimo jeho strukturu dané i rozpouštědlem, ve kterém se nachází. Tato práce se zaměřuje na lipázu Candida Antarctica B (CALB), její přírodní formu a mutanta CALB‑G.zeae. Pohyb víčka u těchto dvou systémů byl studován v třech ropouštědlech, a to vodě, toluenu a acetonitrilu, pomocí metod klasické molekulové dynamiky. Výsledkem práce je kvantifikování kontaktů aminokyselin helixů a5 a a10, které tvoří víčko, a předběžný profil volné energie otevírání víčka.  

Molekulové simulace jsou rozsáhlý obor fyzikální chemie zabývající se pohybem atomů a molekul v daném silovém poli. Možnosti využití tohoto oboru jsou velice široké. Samotné simulace nám ale neposkytnou odpovědi, k tomu potřebujeme umět interpretovat výsledek: to je úkolem analýzy dat. Výborným nástrojem pro analýzu simulací je jazyk Python, který nabízí specializované knihovny jako MDAnalysis. V této práci se zabývám využitím této knihovny na analýzu a interpretaci výsledků simulací dvou peptidů: dekaalaninu a dekaglutaminu.

Zahřívání pomocí mikrovlnného záření v mikrovlnné troubě se běžně vysvětluje pomocí dielektrických ztrát způsobených rotací molekul vody. Méně se mluví o vlivu iontů. V této práci studuji rozdíl rychlosti zahřívání mezi čistou vodou a roztoky NaCl (1M a 2M) pomocí molekulové simulace. Proměnné elektrostatické pole mělo frekvenci 2.45 GHz používanou v mikrovlnných troubách a amplitudy intenzity v rozsahu 30 MV/m až 70 MV/m. Zjištěná rychlost zahřívání závisí na koncentraci soli, což jsem potrvrdil i skutečným experimentem, který zahrnoval zahříváni vody a roztoků o stejných koncentracích v mikrovlnné troubě.

Proteiny jsou zásadními stavebními kameny všech živých organismů. Rodící se proteiny musí zpravidla projít řadou kotranslačních a posttranslačních modifikací, aby mohly zaujmout správnou prostorovou konformaci a správně plnit svou funkci. U eubakterií je jednou z těchto modifikací odštěpení N-formylmethioninu z nascentního proteinu a prvním krokem této modifikace je odštěpení formylu. To umožňuje enzym peptidová deformyláza (PDF). Katalytické místo PDF je předmětem zájmu pro výzkum nové třídy antibiotik, protože PDF hraje zásadní roli v metabolismu eubakterií. Méně prozkoumaná je však interakce PDF s povrchem ribozomu. PDF s ribozomem interaguje přes svůj C-terminální α-helix. Interaguje převážně s ribozomálním proteinem uL22, který zasahuje dlouhou fibrilární částí až do ribozomálního tunelu. Jedním z cílů této práce je pomocí atomistických počítačových simuací prozkoumat, zda-li interakce uL22 s C-terminálním helixem PDF způsobí přenos allosterického signálu do ribozomálního tunelu. Dalším cílem je porovnat stabilitu C-terminálního helixu samotného a na povrchu ribozomu. Analýza hlavních komponent a RMSF naznačuje, že rozdíl v chování uL22 je velmi malý. RMSF a Ramachandranovy diagramy naznačují, že C-terminální helix je interakcí s ribozomem mírně stabilizován.

Since 1960s, SF₆ has been extensively used as an insulation medium in switchgears and transmission lines. However, the global warming potential of SF₆ is 22,500 higher than that of CO₂. The worst case scenario predicts SF₆ emissions to account for a 0.03 °C global average temperature rise by 2100. Therefore, there is an urgent need to replace it by more environmentally-friendly media. Perfluoroisobutyronitrile (C₄F₇N, Novec 4710) is one of the most promising candidates, thanks to a high dielectric strength as well as a low boiling point. For a wider implementation, a detailed knowledge of its interaction with free electrons is crucial. In this project, we focus on electron-induced decomposition of C₄F₇N yielding neutral fragments. Firstly, we studied the minimal geometry excitations with ab initio methods and TDDFT. Secondly, we simulated electron energy loss spectra, using the nuclear ensemble approach. Finally, we aim to study potential fragmentation pathways using methods of nonadiabatic dynamics, based on electronic structure methods (TDDFT, CASSCF, OM3, FOMO–CASCI). Having obtained preliminary results, we are now planning an analysis with a higher number of trajectories at the FOMO–CASCI level, in order to obtain probability distribution of the electron excitation outcomes.