Výzkumné projekty prof. P. Hobzy

Nekovalentní interakce

Teoretické studie stabilizačních energií, struktur, geometrií, vlastností a podstaty stabilizace různých nekovalentních interakcí: vodíkové vazby, nepravé – „blue-shifting“ – vodíkové vazby, dvojvodíkové vazby, halogenové vazby, stackových a disperzních interakcí.

Vývoj neempirických ab initio kvantově-mechanických metod pro popis nekovalentních interakcí

Neustále se zvyšující množství informací o („low-order scaling“) metodách pro výpočty nekovalentně vázaných komplexů nám umožňuje soustředit se na jejich slabá místa a případně navrhnout možnosti, jak zlepšit přesnost, použitelnost a spolehlivost těchto metod. Zabýváme se především škálovanými poruchovými metodami, metodami se škálovanými spinovými složkami a kombinovanými DFT a WF metodami.

Vývoj semiempirických QM method pro popis nekovalentních interakcí

Semiempirické QM metody mohou být velmi užitečné při studiu biomolekul, a to díky jejich schopnosti popsat kvantově mechanické jevy, pro než je popis pomocí široce používaných empirických potenciálů nedostačující. Tyto semiempirické metody však často selhávají při popisu nekovalentních interakcí – vodíkových vazeb a disperzních interakcí, které určují strukturu a funkci biomolekul. Vyvinuli jsme a nadále zlepšujeme korekce několika semiempirických metod pro správný popis nekovalentních interakcí.

Vysoce přesné výpočty interakčních energií a struktur nekovalentě vázaných komplexů

Vlastnosti nekovalentně vázaných komplexů (stabilizační energie, geometrie) určené s vysokou přesností představují hodnotné informace nejen pro řádné pochopení podstaty nekovalentních interakcí, ale i pro vývoj a testování nových metod pro jejich popis. V této souvislosti je potřeba využít coupled-cluster nebo jiných „high-correlated“ metod. To je však, bereme-li v úvahu složitost biologicky relevantních problémů, obtížný úkol nejen z hlediska počítačového hardware, ale i software. Vyvíjíme a optimalizujeme vysoce paralelizovatelné algoritmy převážně coupled-cluster a poruchových metod a zabýváme se možným využitím grafických karet.

Vícečásticové efekty v nekovalentních interakcích

Řádný popis vícečásticových efektů (často nazývaných „kooperativita“ nebo „neaditivita“) v nekovalentních interakcích je úkol pro výpočetní chemii neobyčejně obtížný, zvláště proto, že musí být využity nejsofistikovanější (a tedy i výpočetně nejnáročnější) metody. Mnoho jevů v biologii spojených s vícečásticovými efekty nebylo doposud odhaleno hlavně kvůli příliš jednoduchým modelům použivaných v minulosti. Studujeme možné souvislosti mezi vícečásticovými efekty a strukturou DNA a peptidů.

Termodynamické vlastnosti

Biologicky relevantní problémy je třeba studovat nejen z hlediska stabilizační energie, ale i z hlediska volné Gibbsovy energie a entropie. Tyto termodynamické vlastnosti jsou částečně dostupné pomocí molekulově dynamických simulací a pokročilých MD metod. Důraz klademe na výzkum interakcí DNA a proteinů s malými organickými molekulami, na studium solvatačních efektů a konformačních změn, a to směrem k potenciálnímu využití ve vývoji nových léků.

Systematické prozkoumávání hyperploch potenciální energie

Současný rozvoj „reaction path search“ algoritmů nám dovoluje charakterizaci reakčních drah a tranzitních stavů pro pozoruhodně složité systémy. Využíváme systematický, kombinatoriální přístup k určení všech „minimum-energy“ reakčních drah spojujících termodynamicky dostupná minima. Tuto metodologii aplikujeme při studiu konformačních změn biomolekul, biomolekulových komplexů, obzvláště pak malých peptidů.

Teoretický popis biologicky relevantních systémů v jejich elektronicky excitovaných stavech

Pomocí „on-the-fly“ metody založené na ab initio multireferenčích výpočtech studujeme dynamiku elektronicky excitovaných stavů bazí nukleových kyselin a jejich analogů. Zkoumáme podstatu nekovalentních interakcí v elektronicky excitovaných komplexech s cílem porozumět struktuře a dynamice defektů DNA způsobených UV zářením.

In silico drug design

Semiempirická PM6-DH2 metoda, na jejímž vývoji se podílíme a která správně popisuje vodíkové vazby i disperzní interakce, je využívání jako skórovací funkce pro virtuální screening. Protein…ligand vazebná energie je konstruována jako součet vazebné energie v plynné fázi, změny hydratačních energií proteinu a ligandu, deformační energie a entropického členu. Pokud není známa krystalová struktura protein-ligandového komplexu, využíváme některý z „dockovacích“ algoritmů.

Výzkumné projekty O. Bludského

Zkušební molekuly (např. CO, H₂) se často používají k charakterizaci složitých molekulárních prostředí (molekulová síta, molekulové matrice). Přiřazení spektrálních charakteristik k příslušným strukturám bývá velmi obtížné, v mnoha případech dokonce nemožné. Naším cílem je přiřazení spektrálních vlastností konktrétním strukturám, a to pomocí srovnání experimentálních a teoretických spekter.

Výzkumné projekty M. Kabeláče

• konformační hyperplocha biomolekul
• hydratace a solvatace molekul
• přesné ab initio výpočty nekovalentích interakcí v biologicky relevantních systémech

Výzkumné projekty P. Nachtigalla

Tzv. „metal-exchanged“ zeolity (M⁺/zeolity) jsou intenzivně studovány, protože vykazují neobyčejné sorpční a katalitické vlastnosti. Oblastí našeho zájmu je studium koordinace a lokalizace kationtových poloh kovů v zeolitech a jejich interakce s adsorbovanými molekulami. Pro popis těchto systému se s výhodou využívají periodické DFT a hybridní QM/MM metody.

Předmětem studia jsou kationtové polohy různých topologií (MFI, FER, IFR, LTA aj.) a chemického složení. Naší cílem je pochopení souvisloti mezi vazbou kovu a jeho katalitickými vlastnostmi. Metodami teoretické chemie studujeme vibrační dynamiku molekul adsorbovaných na M⁺/zeolity. S použitím moderních „ω/r scaling“ metod a periodických modelů jsme schopni se spektroskopickou přesností určit vibrační frekvence malých molekul vázaných v kanálech zeolitů. To nám umožňuje interpretovat experimentálně získaná IČ spektra.

Teoreticky studujeme vlastnosti zeolitů obsahujících měď, konkrétně elektronické excitační energie (UV/VIS spektra), katalytickou aktivitu a vibrační dynamiku absorbovaných molekul.

Výzkumné projekty D. Nachtigallové

Chování excitovaných stavů bazí nukleových kyselin je předmětem studia mnoha experimentálních i teoretickcýh prací. Jejich cílem je pochopení fotochemických vlastností, jež zabraňují poškození DNA ultrafialovým zářením. V naší skupině se zabýváme výpočty elektronicky excitovaných stavů bazí nukleových kyselin v jejich stackovém uspořádání, především za účelem vysvětlení přenosu energie mezi bazemi. Směřujeme k objasnění interakcí mezi elektronicky vzbuzenými stavy bazí v DNA v závislosti na jejich pořadí a vzájemné orientaci. Výpočty na malých modelových systémech pomáhají pochopit tyto jevy s využitím vysoce přesných výpočetních metod, jejichž použití u bazí nuklových kyselin je z hlediska výpočetních nároků často omezené.

Výzkumné projekty V. Špirka

• kvantově-mechanické studie molekulových pohybů oponovaných neharmonickými (tj. obsahujícími více minim) potentiály (konformační dynamika, izomerizace, přenosy protonu, dynamické korekce molekulových vlastností)
• teoretické výpočty vysoce excitovaných rotačně-vibračních stavů malých molekul (statistické vlastnosti stavů, „energy clustering,“ skrytá symetrie, elementární chemické reakce
• přibližné metody kvantově-chemických výpočtů (adiabatické separace, numerická integrace spřažených Schrödingerových rovnic)

Výzkumné projekty J. Šponera

• výpočetní chemie nukleových kyselin
• strukturální molekulární biologie a biofyzika
• molekulové modelování, atomistické simulace biopolymerů
• kvantová chemie, bioinformatika

Strukturální studie funkčních RNA molekul zahrnují výzkum několika ribozymů (Hepatitis Delta Virus r., Hairpin r. a Hammerhead r.), jež v současnosti směřuje k MD a QM/MM analýze reakčních mechanismů. Důraz je kladen na dynamiku klíčových částí ribosomální RNA jako např. „A-site finger,“ L7/L12 a L1 domén, které jsou nezbytné pro vazbu tRNA a její pohyb v rámci ribosomu během proteosyntézy.

Výzkumné projekty J. Vondráška

• stabilizace proteinů a její důsledky pro protein-folding
• de novo design funkčních peptidů a malých proteinů nesoucích biologickou funkci
• strukturální bioinformatika založená na velmi přesných ab initio výpočtech