Struktura a dynamika klastrů vázaných vodíkovými vazbami
V látkách jako jsou alkoholy nebo voda dochází tvorbě řetězců či sítí vodíkových vazeb, které spojují různé molekuly. Jejich důsledkem jsou specifické termodynamické vlastnosti těchto látek. I když se tyto látky jeví makroskopicky homogenní, ve skutečnosti jsou tvořeny dynamicky se měnícím shluky molekul, klastry, vázánými k sobě vodíkovými vazbami. Našim cílem je stanovit jednak velikost přítomných klastrů, topologii vodíkových vazeb a charakteristickou dobu reorganizace těchto struktur. V současné době se věnujeme především zředěným roztokům ethanolu v hexanu. Zajímavým modelovým systémem jsou kalix[n]areny, které obsahují řetězec vodíkových vazeb, který je ale vázán ke kovalentnímu makrocyklu, takže se nemůže zcela rozpadnout jako např. klastr molekul ethanolu.
Hlavní experimentální technikou v tomto projektu je měření translační difúze pomocí NMR s využitím gradientů magnetického pole, z teoretických metod pak využíváme molekulové modelování a hydrodynamické výpočty.
Stabilita sekundárních struktur DNA
Deoxyribonukleová kyselina, DNA, slouží jako úložiště dědičné informace ve všech živých organizmech. Základním uspořádáním je dvoušroubovice tvořená dvěma komplementárními molekulami DNA, ale v buňkách lze nalézt celou řadu dalších motivů sekundárních struktur, jako jsou vlásenky či kvadruplexy. Tyto struktury jsou stabilizovány nekovalentními interakcemi (patrovou interakcí neboli stackingem, vodíkovými můstky a hydrofóbním jevem).
DNA se účastní mnoha biologických pochodů, které závisí nejen na prostorové struktuře, ale také na její stabilitě a flexibilitě. Pomocí spektroskopie NMR vysokého rozlišení zkoumáme vlastnosti sekundárních struktur krátkých úseků DNA. Změnou teploty způsobujeme rozpad a opětovné složení dvoušroubovice nebo jiného motivu. Důkladnou analýzou experimentálních dat získáme hodnoty termodynamických veličin, které vznik a zánik struktury fyzikálně popisují. Jedinečným přínosem NMR jsou zejména detailní lokální pohled na studovanou molekulu a možnost sledování rychlosti procesů, neboli kinetiky. Experimenty na základě spolupráce s jinými pracovišti kombinujeme s dalšími spektroskopickými metodami (UV absorpcí, Ramanovým rozptylem či dynamickým rozptylem) pro získání ucelenějšího pohledu na studovanou problematiku.
Zabýváme se zejména výzkumem stability dvoušroubovice DNA, vlivu chemické modifikace určité části molekuly (methylace cytosinu) a stability vlásenek. Vyvinutou metodiku s úspěchem používáme i na jiné dynamické systémy, kde dochází ke konformačním změnám nebo vzniku komplexů.
Dynamika retrovirových proteinů
Ve spolupráci se skupinou doc. R. Hrabala (VŠCHT v Praze) studujeme dynamické chování matrixového proteinu Mason-Pfizerova opičího viru. Bylo prokázáno, že tvorba nekovalentních oligomérů je zásadním aspektem během skládání nové virové částice uvnitř hostitelské buňky. Nalezli jsme úzkou souvislost mezi zvýšenou vnitřní flexibilitou některých částí proteinového řetězce a schopností oligomerizace. Předmětem zkoumání je přirozená forma proteinu a dále mutované formy, u kterých se prokázal vliv na životní cyklus viru (např. R55F převádí místo skládání virové částice z cytoplazmy na buněčnou membránu, což je místo skládání částic příbuzného retroviru, HIV).
Vzhledem k tomu, že molekulární procesy probíhají ve velmi odlišných časových škálách, využíváme řadu metodik NMR spektroskopie, jako jsou měření chemických posunů, měření koeficientu translační difúze, měření relaxace jaderného spinu apod., které jsou porovnávány s moderní korelační analýzou simulací molekulové dynamiky.
Studium transportně-strukturních vlastností porézních látek
Translační pohyb molekul tekutiny absorbované v porézním prostředí je charakterizován jako omezená difúze. Jedním z cílů projektu je nalezení vhodných veličin popisujících vliv daného porézního prostředí na difúzi tekutiny. Objektem studia jsou látky makroporézní (lože skleněných kuliček, keramika na bázi aluminy apod.), mesoporézní i mikroporézní.
Příkladem mikroporézních látek jsou tzv. organometalické sítě (metal-organic framework, MOF). Studujeme míru a způsob omezení pohybu molekul tekutiny (např. chloroform) uvnitř porézní sítě a termodynamiky interakci mezi tekutinou a porézní matricí. Hlavní metodikami jsou měření tvaru čáry v NMR spektru, relaxace jaderného spinu, měření translační difúze s využitím pulzních gradientů magnetického pole.
Na tomto projektu spolupracujeme s ÚFCH JH, a ÚCHP Akademie věd ČR, VŠCHT v Praze, Univerzitou v Lipsku a Univerzitou ve Stockholmu.
Charakterizace křemíkových nanokrystalů pomocí NMR spektroskopie
Běžný krystalický křemík nemá vhodné vlastnosti pro využití v optoelektronice (nízký kvantový výtěžek a dlouhá doba dohasínání luminiscence). Nanočástice křemíku s modifikovaným povrchem o rozměrech jednotek nanometrů mají tyto vlastnosti podstatně lepší. V případě organicky modifikovaného povrchu využíváme citlivosti jader 1H a možnosti jejich přímé korelace s atomy 13C nebo 29Si, v jejichž blízkosti se daný atom vodíku vyskytuje. Takové měření umožňuje určit typ funkčních skupin a prokázat jejich chemickou vazbu k atomům křemíku. Stanovení samodifúzního koeficientu umožňuje též stanovit velikost nanokrystalických částic v koloidním roztoku a stanovit tak míru agregace křemíkových nanočástic, která je nežádoucí. Na tomto projektu spolupracujeme s Fyzikálním ústavem AV ČR (prof. I. Pelant), kde křemíkové nanočástice připravují, a s Katedrou chemické fyziky a optiky MFF UK (doc. J. Valenta).
