Struktura a samoorganizace agregátů fotosyntetických molekul

• Název v anglickém jazyce: Structure and selforganization of agregates of photosynthetic molecules
• Akademický rok vypsání: 2010/2011
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Fyzikální ústav UK (32-FUUK)
• Vedoucí / školitel: doc. Mgr. Tomáš Mančal, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 26.09.2011
• Datum zadání: 26.09.2011
• Datum potvrzení stud. oddělením: 29.12.2011
• Konzultanti: doc. RNDr. Jakub Pšenčík, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1) Zpracovat podrobnou rešeši literatury o vlastnostech, teoretickém popisu a experimentálních metodách zkoumání agregátů chlorofylů a karotenoidů
2) Osvojit si metody teoretického popisu spektroskopických metod zkoumání těchto agregátů.
3) Osvojit si a rozvinout metody popisu transportních jevů a molekulární dynamiky agregátů.
4) Molekulárně dynamickými metodami prozkoumat podmínky pro samoorganizaci agregátů za různých termodynamických podmínek.
5) Na základě molekulárně dynamických metod a navržených struktur provést výpočty nelineárních spekter a porovnat je s experimentem.
6) Výsledky publikovat ve kvalitních zahraničních časopisech

Seznam odborné literatury

[1] S. Mukamel, Principles of nonlinear spectroscopy, Oxford University Press, Oxford, 1995
[2] H. Haken, Synergetics, Springer Verlag, Berlin, 1983
[3] R. E. Blankenship, Molecular Mechanisms of Photosynthesis, Blackwell Science, Oxford, 2002
[4] H. van Amerongen, L. Valkunas and R. van Grondelle, Photosynthetic excitons, World Scientific, Singapore, 2000
[5] J. Pšenčík et al, Biophys. J. 87 (2004) 1165

Předběžná náplň práce

Agregáty a komplexy relativně malých molekul - chlorofylů a karotenoidů - tvoří klíčovou část fotosyntetické mašinerie rostlin a bakterií. Velká variabilita vlastností agregátů (oproti vlastnostem individuálních molekul) v závislosti na jejich struktuře, umožňuje fotosyntetickým organismům vybudovat komplexní světlozáchytný systém na bázi pouze několika stavebních kamenů. Zatímco struktury těsných komplexů, které jsou drženy pohromadě bílkovinami, byly většinou určeny krystalografickými metodami, volné agregáty chlorofylů a karotenoidů (např. chlorosom zelených bakterií) se často doposud zkrystalizovat nepodařilo. Cílem této disertační práce je teoreticky prozkoumat možnosti předpovědi struktury agregátů pomocí počítačových simulací stability a samoorganizace různých modelů struktury navržených na základě neúpných informací získaných z experimentů. Simulace budou zahrnovat jak spektroskopické výpočty na modelových systémech, kde jsou jednotlivé molekuly představovány dvou a tří hladinovými elektronovými modely s vazbou, tak i molekulární dynamiku na základě semiempirických silových polí, popř. kvantově chemické výpočty. Molekulární dynamika bude použita jako zdroj parametrů pro spektroskopické výpočty, jako nástroj ke zkoumání stability navržených struktur, případně budou její výstupy zdrojem prametrů pro modelování samoorganizace. Veškerá teoretická práce bude prováděna v úzké spolupráci s experimentálními skupinami na MFF UK a Přírodovědecké fakultě Jihočeské univerzity, kde budou její výsledky aplikovány při zkoumání přírodních a vývoji umělých fotosyntetických agregátů.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Aggregates and complexes of relatively small molecules - chlorophylls and carotenoids - form a key part of the photosynthetic machinery of plants and bacteria. Large variability of their properties (with respect to the properties of individual molecules) depending on their structure, makes it possible for the photosynthetic organisms to build complex light-harvesting systems based on few building elements only. While the structures of tight complexes held together by proteins are mostly known from crystallographic methods, these methods often fail for loose aggregates of chlorophylls and carotenoids (e.g. chlorosoms of green bacteria). The aim of this work is to theoretically investigate the possibilities of structure determination of aggregates by computer simulations of the stability and selforganization of different models of aggregate structure based on incomplete experimental information. Simulations will involve both spectroscopic calculations on model systems, where individual molecules are represented by two and three electronic level models with coupling, and molecular dynamics based on semi-empirical force fields, or quantum chemical calculations. Molecular dynamics will be used as a source of parameters for spectroscopic calculations, as a tool for stability determination of proposed structures, and as a source of parameters for modeling of self-organization. All the theoretical work will be conducted in close collaboration with experimental groups at the Faculty of Mathematics and Physics of Charles University and at the Faculty of Natural Sciences of the University of South Bohemia, where its results will be applied in investigations of natural and development of artificial photosynthetic aggregates.