Analýza izotopicky značených biosloučenin: Simulace vibračních spekter různě deuterovaného guaninu

• Thesis title in Czech: Analýza izotopicky značených biosloučenin: Simulace vibračních spekter různě deuterovaného guaninu
• Thesis title in English: Analysis of isotopically labeled bio-compounds: Simulations of vibrational spectra of variously deuterated guanine
• Key words: QM simulace|Ramanův rozptyl|IR absorpce|guanin|deuterace
• English key words: QM simulations|Raman scattering|IR absorption|guanine|deuteration
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Department: Institute of Physics of Charles University (32-FUUK)
• Supervisor: RNDr. Václav Profant, Ph.D.
• Advisors: doc. RNDr. Peter Mojzeš, CSc.

Guidelines

1. Prostudovat dostupnou literaturu a vypracovat rešerši postihující současný stav studia isotopicky značených látek v živých buňkách pomocí Ramanovy spektroskopie.
2. Seznámit se se základy vibrační spektroskopie a metodikou měření na Ramanovském mikrospektrometru WITec Alpha300.
3. Seznámit se se základy kvantově mechanických výpočtů molekul a jejich vlastností.
4. Provést simulace vibračních spekter guaninu jeho deuterovaných analogů se zahrnutím vlivu různých modelů rozpouštědla.
5. Analyzovat dříve získaná experimentální spektra na základě výpočtů, identifikovat charakteristické spektrální rysy svázané s konkrétní deuterací. Kvantifikovat přesnost simulací v závislosti na různých výpočetních parametrech.

References

1. Dieing T., Hollricher O., and Toporski J., Confocal Raman microscopy, Springer, 2011.
2. Bura R., Diplomová práce, MFF UK, 2021.
3. Jílek Š., Bakalářská práce, MFF UK, 2019.
4. Mojzeš P., Gao L., Ismagulova T., et al., Guanine, a high-capacity and rapid-turnover nitrogen reserve in microalgal cells. PNAS 117 (2020) 51.
5. Moudříková Š., Nedbal L., Solovchenko A., and Mojzeš P., Raman microscopy shows that nitrogen-rich cellular inclusions in microalgae are microcrystalline guanine, Algal Research 23 (2017) 216-222.
6. Wang Y., Huang W. E., Cui L., and Wagner M., Single-cell stable isotope probing in microbiology using Raman microspectroscopy, Current Opinion in Biotechnology 41 (2016) 34-42.

Preliminary scope of work

Poměrně nedávno bylo zjištěno (s významným přispěním členů našeho oddělení), že řada jednobuněčných řas skladuje dusík, který je jejich základní živinou ovlivňující jejich složení, produktivitu a dynamiku růstu, ve formě mikrokrystalů guaninu. Pro studium metabolických drah a sledování toku živin v různých organismech se často využívají sloučeniny značené stabilními isotopy biogenních prvků (13C, 15N, 18O, 2H). Pokud se tedy zmíněné řasy nechají růst v médiu, kde je namísto čisté vody použita směs vody a těžké vody, některé (či všechny) vodíky na zásobním guaninu budou vyměněny za deuteria.

Při studiu in situ na jednobuněčné úrovni se v poslední době velmi dobře uplatňuje varianta vibrační spektroskopie založená na neelastickém rozptylu světla, Ramanova mikroskopie. Abychom byly přesně schopni identifikovat a analyzovat, jaké deuterované formy guaninu v řasách pozorujeme, je nutné provést teoretické simulace Ramanových spekter všech možných izotopických variant guaninu, které mohou vzniknout.

Předmětem bakalářské práce budou kvantově mechanické simulace různě deuterovaných forem guaninu zahrnující příspěvek slabých molekulových interakcí (vodíkové můstky). Finální spektra pak budou srovnána s experimentálními spektry a budou určeny markery jednotlivých typů deuterace, které bude možné dále použít v mikroskopickém pozorování buněk.

Preliminary scope of work in English

It has been found relatively recently (with significant input from members of our department) that many unicellular algae store nitrogen, their basic nutrient affecting their composition, productivity, and growth dynamics, in the form of guanine microcrystals. Compounds labeled with stable isotopes of biogenic elements (13C, 15N, 18O, 2H) are often used to study metabolic pathways and monitor the flow of nutrients in various organisms. Thus, if said algae are allowed to grow in a medium where a mixture of water and heavy water is used instead of neat water, some (or all) of the hydrogens on the reserve guanine will be exchanged for deuterium.

Recently, a variant of vibrational spectroscopy based on inelastic light scattering, Raman microscopy, has been very well applied in in-situ studies at the unicellular level. To be able to accurately identify and analyze what deuterated forms of guanine we observe in algae, it is necessary to perform theoretical simulations of Raman spectra of all possible isotopic guanine variants that may arise.

The subject of the bachelor thesis will be quantum mechanical simulations of various deuterated forms of guanine, including the contribution of weak molecular interactions (hydrogen bridges). The final spectra will then be compared with experimental spectra and markers of individual types of deuteration will be determined, which can be further used in the microscopic observation of cells.