Studentská vědecká konference 2022

Proteins are crucial for all physiological processes in a cell. They are translated from messenger ribonucleic acid (mRNA) on the ribosome, where they emerge through the ribosomal exit tunnel as nascent polypeptide chains. These chains of amino acids may interact with the ribosomal exit tunnel causing  significant changes in translation rates and consequently, cell physiology. A recently identified nascent chain, VemP, facilitates translational arrest and has been the subject of an experimental study of its structure through SESCA analysis of circular dichroism spectra in solutions of 2,2,2-trifluoroethanol (TFE). This work aims to rationalize this experiment by means of molecular dynamics simulations. Also, we introduce a methodology of representing the experimental conditions in silico.

Stavová rovnice SAFT‑γ Mie je v současnosti jedním z nejprogresivnějších modelů z rodiny SAFT. Teoretické základy, flexibilita v popisu molekulární struktury a interakcí a skupinově-příspěvkový charakter této rovnice jsou dobrými vlastnostmi, které ovšem nutně nezaručují kvalitu predikce pro široké spektrum látek. SAFT‑γ Mie je, podobně jako ostatní SAFT rovnice, velmi závislá na parametrizaci. Ve své práci se zaměřuji na fungování SAFT‑γ Mie při použití na komplexní systémy s léčivy. Aplikací SAFT‑γ Mie na léčiva je v literatuře zatím omezeně, a proto nejprve zanalyzuji současný stav. Dále srovnám odhady hustoty, tlaku par a tepelné kapacity pěti čistých modelových léčiv s experimentálními daty a také jejich rozpustnosti v řadě rozpouštědel. Na základě obdržených výpočetních výsledků demonstruji rozdíly mezi odhady získanými ze SAFT‑γ Mie a odhady pomocí rovnice PC‑SAFT, která doposud farmaceutickým aplikacím dominovala.

Ribozom je klíčový biomolekulární komplex zodpovědný za syntézu bílkovin ve všech živých organismech. Děje spojené s ribozomem probíhají na časových škálách od pikosekund po sekundy, což je obtížné zachytit jedinou experimentální technikou. Kombinace několika technik je mnohdy důležitá pro vytvoření detailního a robustního obrázku o studovaném ději. Počítačové simulace mohou sloužit jako vhodný propojovací činitel. Pro simulace takto velkých systémů je často výhodné použít zhrubené modely, ve kterých jednotlivé částice reprezentují skupiny několika atomů. Má práce si klade za cíl takovýto zhrubený model pro simulaci ribozomů vytvořit a otestovat jeho stabilitu během simulací.  V tomto textu je podán popis vybraného zhrubeného modelu Martini. Model Martini i několik jeho alternativních verzí jsou použity k simulaci jednoduchého testovacího proteinu (T4 lysozymu). Jednotlivé simulace jsou porovnány mezi sebou a vzhledem k experimentální struktuře lysozymu a výsledky analýz jsou použity pro určení dalších kroků při vytváření zhrubeného modelu ribozomu.

Electron–molecule collisions are of great interest in science and technology. However, obtaining the scattering cross sections still poses a very challenging task, both theoretically and experimentally. In this study, I focus on the electron-induced chemistry of dielectric gases, C₄F₇N and C₅F₁₀O. The electron-impact excitation and fragmentation of these molecules is still rather poorly understood, although they are promising greener alternatives to SF₆ in gas-insulated equipment. In case of C₄F₇N, photoabsorption and electron energy loss spectra were measured by our experimental colleagues. The results implied a surprisingly significant difference in excited states populations upon photon and electron impact excitation. We confirmed these differences by calculating the photoabsorption and electron cross sections ab initio, based on the Born approximation and reflection principle. Furthermore, I modelled the time evolution of C₄F₇N in different initial excited states and suggested the main fragments to be expected in the discharge. Currently, I am testing these calculations for the C₅F₁₀O molecule, where no experimental reference is available.  

Redox reactions are ubiquitous in natural processes. Experimental determination of their key characteristic, redox potential, is often impractical, e.g. for reactions involving unstable species or subsequent protolytic equilibria. Reliable theoretical modelling of these reactions is, therefore, desirable both for understanding natural and technological processes. Using quantum chemistry methods we can obtain redox potentials by calculating the Gibbs free energies of the reaction . The calculated values depend strongly on the method chosen, and the error can be quite large. Since a majority of relevant reactions occur in an aqeuous solution, it is crucial to have models that describe the solvated species sufficiently. Moreover, redox potentials become pH-dependent once proton transfer is involved. In this work, I employ several methods of modeling redox potentials of L-ascorbic acid and anti-cancer drug nimorazole. The long term goal of the present poject is to extract the electrochemical data for these (and other) systems using the photoemission spectroscopy techniques in the liquid phase. In the present work,  I discuss the possible connection between the electrochemical and spectroscopy worlds. This represents a big challenge for us regarding our future work in this field.  

Molekuly s invertovaným pořadím prvního excitovaného singletu a tripletu představují materiály pro 5. generaci organických světlo vyzařující zařízení (OLED). Jejich hlavní výhodou v porovnání s emitory předchozích generací je jejich vysoká stabilita a nízká cena při současném zachování výborných kvantových výtěžků. S využitím metod výpočení chemie byly studovány excitační energie π-konjugovaných N-subsituovaných systému, u kterých je pořadí prvního singletového a tripletového excitovaného stavu opačné oproti tomu vyplývajícímu z Hundova pravidla. Přestože použité ab initio metody se shodují na inverzi singletu a tripletu, na úrovni časově závislé teorie funkcionálu hustoty je tripletní stav identifikován chybně jako energeticky nižší než stav singletní. V rámci této práce je osvětleno, které excitace přispívají k inverzi prvních excitovaných stavů, a jsou navrženy metody vhodné pro další studium podobných systémů.

The aim of this work is to broaden our microscopic understanding of the volumetric and enthalpic properties of solutes in aqueous solutions reflecting their hydrophilic and hydrophobic interactions. By means of molecular dynamics simulations we investigate series of neopentanol molecules, gradually substituting methyl- with the hydroxymethyl- groups.  Building on our previous excellent agreement of limiting partial molar volumes with experimental data at mild temperatures, we focus in this work on conditions near the critical point of water, which are exceptionally difficult to study experimentally.  The analysis of volumetric properties answered a long-standing question, whether highly polar solutes act at the critical region as hydrophobic or ionic species. To that end, the partial molar volumes were determined by finite differences and fitted by Sedlbauer’s equation of state. This flexible model, applicable up to the critical point, accounts for the possible divergence of the partial molar volume toward positive or negative infinity.  Finally, using the same set of simulation data, we outlined the calorimetric properties of neopentanol series and observed the qualitative difference in the limiting hydration enthalpy of hydrophobic and hydrophilic solutes in the critical region.