Acid-base equilibria in two-phase systems containing proteins, peptide or synthetic polymers, studied by molecular simulations

• Název práce v češtině: Acidobazické rovnováhy v dvoufázových systémech obsahujících proteiny, peptidy nebo syntetické polymery, studované pomocí molekulových simulací.
• Název v anglickém jazyce: Acid-base equilibria in two-phase systems containing proteins, peptide or synthetic polymers, studied by molecular simulations
• Klíčová slova: acidobazická ronovávha, pH, peptid, protein, polylelektrolyt, Donnanova rovnováha
• Klíčová slova anglicky: acid-base equilibrium, pH, peptide, protein,
• Akademický rok vypsání: 2023/2024
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Peter Košovan, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 17.10.2023
• Datum zadání: 17.10.2023
• Datum potvrzení stud. oddělením: 17.10.2023

Předběžná náplň práce

Roztoky proteinů, peptidů nebo nabitých syntetických polymerů se mohou spontánně fázově oddělit a vytvořit fázi bohatou na polymer (koacervát nebo precipitát), která je v rovnováze s roztokem supernatantu bez polymeru. Toto oddělení fází je často řízeno elektrostatickými interakcemi, které jsou určeny protonačními stavy kyselých a zásaditých skupin, které závisí na pH.[1] Obecně se pH mezi fází bohatou na polymer a roztokem pufru liší.
Nedávno jsme zavedli metodu Grand-reaction ensemble, která umožňuje simulovat reaktivní polymerní systémy v rovnováze s rezervoárem.[2] V rámci projektu budeme tuto metodu dále rozvíjet a aplikovat na simulace dvoufázových systémů s řešením konkrétních otázek vyplývajících z experimentů našich spolupracovníků v rámci projektu nebo našich externích partnerů. K predikci vlastností obou fází použijeme počítačové simulace: roztok supernatantu a koacervát polyelektrolytového gelu. Dále budeme tuto metodu používat k predikci rozdělení malých iontových rozpuštěných látek mezi obě fáze.
Hlavním úkolem studenta bude provádět simulace, analyzovat data, zpřesňovat modely a implementovat nové simulační algoritmy nebo nové simulační protokoly. Volitelně může práce zahrnovat také experimentální zkoumání těchto systémů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Solutions of proteins, peptides or charged synthetic polymers may spontaneously phase-separate, forming a polymer-rich phase (coacervate or precipitate), which is in equilibrium with the polymer-free supernatant solution. This phase separation is often driven by electrostatic interactions, which are determined by the protonation states of acid and base groups which depend on the pH.[1] In general the pH differs between the polymer-rich phase and the buffer solution.
We have recently introduced the Grand-reaction ensemble method which enables simulating reactive polymer systems in equilibrium with a reservoir.[2] Within the project we will further develop this method and apply it to simulations of two-phase systems, addressing specific questions arising from experiments performed by our collaborators within the project, or by our external partners. We will use the computer simulations to predict the properties of both phases: supernatant solution and the coacervate of polyelectrolyte gel. Furthermore, we will use this method to predict the partitioning of small ionic solutes between both phases.
The main job of the student will be to perform the simulations, analyze the data, refine the models and implement new simulation algorithms or new simulation protocols. Optionally, the job may also include experimental investigation of these systems.