Dva mladí pracovníci Ústavu fyzikální chemie uspěli se svými projekty ve výzvě Grantové agentury ČR. Ctirad Červinka bude pomocí kvantové chemie a termodynamických experimentů zkoumat iontové kapaliny a jejich páry. Michal H. Kolář bude pomocí masivních počítačových simulací studovat detaily syntézy bílkovin v ribozomech. V  následujících třech letech tak na našem ústavu posílí výzkum na poli teoretické a výpočetní chemie a biochemie. Oba projekty tu krátce představujeme.

Jak těkavé iontové kapaliny vlastně jsou?

Kontakt: Ing. Ctirad Červinka, Ph.D., více o skupině zde

Iontové kapaliny (IK) skýtají mohutný potenciál pro různé technologické aplikace (ukládání plynů, chytré elektrolyty, média pro exfoliace nanočástic, atd.). To je dáno tím, že se IK vyznačují zcela unikátními vlastnostmi jako např. nízká těkavost, vysoká elektrochemická stabilita nebo téměř nekonečná strukturní variabilita. Širší použití IK je zatím stále bráněno jejich vyšší cenou, omezenou dostupností dat o jejich fyzikálně-chemických vlastnostech a nedostatečným porozuměním jejich chování na molekulární úrovni. Ač je existence IK známa již celé století, dlouho byly považovány za zcela netěkavé a výskyt parní fáze IK byl prokázán teprve v minulém desetiletí. Přesto je těkavost IK o mnoho řádů nižší než u běžných molekulárních kapalin (např. voda). To představuje zásadní překážku pro přesná a reprodukovatelná měření dat o jejich vypařování. Význam výparu takových zdánlivě netěkavých látek lze ilustrovat na výskytu vysoce perzistentních chemikálií (např. DDT) v polárních regionech, daleko od jejich původní aplikace člověkem. Tam se tyto látky šíří atmosférou, koncentrují se v živých organismech a hrají v nich roli mutagenů. Znalost dat o vypařování (sublimaci) chemikálií je zásadní pro modelování jejich distribuce v životním prostředí.

Obr: Schéma znázorňující výpočetní a experimentální techniky, jež budou používány ke studiu jednotlivých skupenství iontových kapalin.

Nová metodologie pro získání přesných dat o těkavosti (a jiných fázových rovnováhách) IK, která by byla založena na spolehlivějších přístupech (kombinace výpočtu a experimentu), než jsou přímá měření tlaků sytých par IK, zcela jistě nalezne uplatnění v budoucím návrhu chemických procesů a technologií s využitím IK. Obzvlášť pokud existují miliony IK, přičemž termodynamická data jsou známa jen pro stovky z nich. Použití pokročilých ab initio výpočtů, molekulárně-dynamických simulací a kalorimetrických a efuzních experimentů představuje světově unikátní přístup k postihnutí problematiky fázových rovnovách iontových kapalin. 

Peptidový tunel v ribozomu

Kontakt: RNDr. Michal H. Kolář, Ph.D., http://mhko.science

Bílkoviny jsou klíčové biomolekuly, které se účastní prakticky všech procesů v buňkách. V živých organizmech jsou bílkoviny syntetizovány velkými biomolekulárními komplexy, tzv. ribozomy. Ribozomy čtou genetickou informaci, dočasně uloženou ve vlákně ribonukleové kyseliny, a překládají ji do sekvence aminokyselin. Ribozomy katalyzují vznik peptidových vazeb mezi aminokyselinami a umožňují tak, aby se aminokyseliny spojovaly za podmínek běžných v živém materiálu.

Protože je katalytické místo skryto uvnitř ribozomu, musí nově vznikající protein opustit ribozom tunelem. Co je podstatné, tento tunel má několik medicinálních souvislostí. Obsahuje vazebné místo velké skupiny antibiotik a špatné balení bílkovin započaté blízko jeho ústí může vést k závažným neurodegenerativním poruchám.

Obr. Průřez bakteriálním ribozomem a několik konformací nově vznikajícího proteinu uvnitř ribozomálního tunelu.

Proto se projekt zaměřuje právě na to, co se děje uvnitř tunelu. Informace o tom je obtížné získat. Tradiční experimentální techniky jako je rentgenová krystalografie nebo kryoelektronová mikroskopie selhávají, neboť obsah tunelu je flexibilní a jeví se na rozmazaně. Alternativou mohou být masivní molekulárně dynamické simulace poskytující vysoké prostorové a časové rozlišení. Michal a jeho spolupracovníci využijí těchto simulací, aby studovali, jak obsah tunelu ovlivňuje dynamiku ribozomu. Existuje naděje, že se jim podaří objevit nové cesty, jimiž se signál přenáší z vnitřku ribozomu na jeho povrch.