Bachelor projects

Bachelor thesis projects in Biophysics (Department of Biophysics and Center for Interdisciplinary Biosciences) for the academic year 2021/2022:

1. Svetelná robotika

Supervisor: doc. Mgr. G. Bánó, PhD.
Annotation: Laserovým lúčom poháňané mechanické mikroštruktúry, zachytené a polohované pomocou optickej pinzety, sa dajú ľahko integrovať do mikrofluidného LOC (lab-on-chip) prostredia. Prevažná väčšina mikroštruktúr poháňaných svetlom sa pripravuje dvojfotónovou polymerizáciou. Cieľom práce je preskúmať možnosti využitia elastických mikroštruktúr v oblasti bio-medicínskych aplikácií.

.....................................................................................................................................................................................

2. Vlastnosti a biotechnologické využitie haloalkánových dehalogenáz

Supervisor: Mgr. Veronika Dzurillová
Annotation: Znečistenie životného prostredia halogenovanými organickými zlúčeninami predstavuje globálny problém. Haloalkánové dehalogenázy sú bakteriálne enzýmy, ktoré katalyzujú hydrolytické štiepenie väzby uhlík-halogén, vďaka čomu napomáhajú degradácii toxických organických halogénderivátov. Experimentálne úsilie viacerých vedeckých skupín smeruje k modifikácii vlastností tejto skupiny enzýmov. Cieľom tejto bakalárskej práce je vytvorenie stručného prehľadu o biochemických vlastnostiach haloalkánových dehalogenáz, mechanizmoch ich účinku, spektre degradovateľných substrátov, využití enzýmami sprostredkovanej dehalogenácie v biotechnológii a moderných metód cielených na dizajn dehalogenáz s vylepšenými vlastnosťami.

.....................................................................................................................................................................................

3. Štúdium vplyvu usporiadania hydroxylových skupín v molekulách derivátov antrachinónov na stabilitu biomakromolekúl

Supervisor: RNDr. G. Fabriciová, PhD.
Annotation: Ľudský sérový albumín je najrozšírenejším proteínom v krvi. HSA preukázal mimoriadnu schopnosť viazať najrôznejšie ligandy. Vďaka tejto schopnosti sa využíva na transport mnohých fyziologicky významných endogénnych aj exogénnych zlúčenín. Nevyhnutnou súčasťou pri výskume HSA ako potenciálneho transportného systému na prenos liečiv je štúdium vplyvu interakcií nízkomolekulových lidangov na jeho stabilitu. Cieľom tejto práce je pomocou diferenčnej skenujúcej kalorimetrie študovať vplyv architektúry molekuly, konkrétne umiestnenie hydroxylových skupín v derivátoch antrachinónu, na stabilitu HSA.

.....................................................................................................................................................................................

4. Optimalizácia detekcie fosforescencie singletového kyslíka

Supervisor: RNDr. Andrej Hovan
Annotation: Singletový kyslík hrá kľúčovú rolu vo fotodynamickej terapii, ktorá sa využíva aj na liečenie nádorových ochorení. Z vlastností singletového kyslíka je najdôležitejšia jeho doba života v danom prostredí, ktorá určuje jeho aktívny priestor, v ktorom oxiduje okolité molekuly. Doba života singletového kyslíka sa najlepšie určuje priamou detekciou fosforescencie singletového kyslíka pri 1270 nm. Táto detekcia je však vo všeobecnosti veľmi obtiažna. Cieľom práce je hľadať spôsoby optimalizácie detekčnej aparatúry.

.....................................................................................................................................................................................

5. Sledovanie zmien prebiehajúcich v bunkách pri tvorbe sferódidov prostredníctvom fluorescenčnej konfokálnej mikroskopie

Supervisor: RNDr. V. Huntošová, PhD.
Annotation: Počas vypracovania bakalárskej práce študent pripraví sféroidy nádorových buniek. Bude sledovať rast a zmeny, ktoré prebiehajú v bunkách počas proliferácie v mikrosystéme. Cieľom práce bude popísať ako sa mení prostredie mikrosféroidu od vonkajších vrstiev do vnútra útvaru. Pomocou Fluorescenčnej konfokálnej mikroskopie sa budú snímať obrazy vybraných organel citlivých na zmeny nutrícií a kyslíka. Na základe získaných výsledkov študent vyhodnotí časové a priestorové závislosti zmien, ktoré prebiehajú vo sféroidoch nádorových buniek.

.....................................................................................................................................................................................

6. Detekcia pesticídov pomocou Ramanovej spektroskopie: súčasný stav a porovnanie s inými analytickými metódami

Supervisor: RNDr. Z. Jurašeková, PhD.
Annotation: Ramanova spektroskopia (RS) je založená na fyzikálnom jave rozptylu dopadajúceho svetla od študovanej vzorky, pričom každá molekula rozptyľuje svetlo špecificky. To znamená, že RS poskytuje špecifickú štrukturálnu informáciu na úrovni molekúl, tzv. odtlačok prsta jednotlivých zlúčenín. Veľkým nedostatkom je jej slabá citlivosť. Častým a významným problémom je aj silná fluorescencia, ktorá dokáže úplne pohltiť slabý Ramanov signál. Jedným z riešení je použitie kovových nanočastíc – ak sa analyzovaná molekula nachádza na ich povrchu alebo v jeho tesnej blízkosti, tak dochádza k významnému zosilneniu Ramanovho signálu (až niekoľko rádov) a súčasne môže dochádzať k zhášaniu fluorescencie. Táto povrchovo-zosilnená Ramanova spektroskopia (SERS) nám potom umožňuje špecificky detekovať aj veľmi nízke koncentrácie molekúl. V rámci danej bakalárskej práce popíšeme a zhodnotíme aktuálny stav postavenia RS a SERS spektroskopie v rámci analytických metód používaných štandardne v oblasti životného prostredia, pokúsime sa zadefinovať výhody a výzvy jej rutinného použitia a stanovíme detekčné limity vybraných molekúl znečisťovateľov životného prostredia.

.....................................................................................................................................................................................

7. Ramanova spektroskopia a jej využitie v oblasti štúdia problémov molekulárnej paleontológie

Supervisor: RNDr. Z. Jurašeková, PhD.
Consultant: doc. RNDr. Martin Kundrát, PhD.
Annotation: Ramanova spektroskopia (RS) je analytická technika vibračnej molekulárnej spektroskopie používaná dnes už štandardne na identifikáciu rôznych materiálov, od anorganických pigmentov až po biomateriály. RS poskytuje špecifickú štrukturálnu informáciu na úrovni molekúl, tzv. odtlačok prsta jednotlivých zlúčenín. RS poskytuje tiež informáciu o prípadných chemických zmenách spôsobených počas rôznych procesov, interakcií, vplyvom aplikovaného prostredia. Výhodou RS v porovnaní s inými technikami je, že vyžaduje len minimálne množstvo vzorky a nie je potrebná ani jej žiadna špeciálna príprava. Aj preto sa RS považuje za nedeštruktívnu techniku. Navyše, možnosť in situ meraní, ktorých výsledkom je aj Ramanove mapovanie, či zobrazovanie, poskytuje špecifickú a informačne bohatú informáciu o distribúcii vybraných chemických zlúčenín v rámci analyzovanej vzorky. Nevýhodou, resp. značnou limitáciou, je slabá citlivosť RS. Aj napriek tomuto nedostatku sa v poslednom období čoraz častejšie stretávame s využitím Ramanovej spektroskopie na analýzu aj takých vzácnych a cenných vzoriek, ako sú artefakty vyhynutých organizmov. V rámci danej bakalárskej práce (BP) preto otestujeme Ramanovu spektroskopiu ako účinný nástroj pri analýze fosilizovaných tkanív živočíchov. Cieľom bude vypracovať rešerš ohľadne aktuálneho postavenia a možností využitia Ramanovej spektroskopie pri štúdiu problémov molekulárnej paleobiológie, oboznámiť sa s princípom merania na Ramanových spektrometroch, prediskutovať možnosti a limity použitia Ramanovej spektroskopie na tento druh analýz (aj s ohľadom na prístrojové vybavenie na KBF ÚFV PF UPJŠ v Košiciach), namerať a optimalizovať merania Ramanových spektier na vybraných artefaktoch fosilizovaných tkanív živočíchov a popísať namerané spektrá (identifikovať jednotlivé molekulárne komponenty a interpretovať možné spektrálne zmeny).

.....................................................................................................................................................................................

8. Vplyv fotoaktivovaného hypericínu na rast bakteriálnych kmeňov izolovaných z nemocničného prostredia a ich citlivosť voči antibiotikám

Supervisor: RNDr. Zuzana Naďová, PhD.
Annotation: V bakalárskej práci budeme sledovať interakciu medzi bakteriálnymi kmeňmi izolovanými z nemocničného prostredia a hypericínom, vplyv fotoaktivovaného hypericínu na ich rast a citlivosť voči antibiotikám. Interakcia medzi bakteriiálnymi bunkami a hypericínom bude sledovaná pomocou fluorescenčnej spektroskopie. Na sledovanie vplyvu fotoaktivovaneho hypericínu na rast bakérií budú použité základné mikrobiologické postupy a pomocou MIC bude stanovená rezistencia voči vybraným antibiotikám.

.....................................................................................................................................................................................

9. Mechanizmy stabilizácie terapeutických proteínov

Supervisor: doc. RNDr. E. Sedlák, PhD.
Annotation: Na základe porovnania stability a vlastností mezofilných a (hyper)termofilných proteínov pokúsiť sa o identifikáciu spôsobov stabilizácie termofilných proteínov tak na úrovni polypeptidového reťazca ako aj na úrovni okolitého prostredia. V práci by sa mal analyzovať efekt zmien v primárnej štruktúre a vplyvu prostredia na termodynamickú a kinetickú stabilitu proteínov proteínov v mezofilných a (hyper)termofilných organizmoch. Táto bakalárska práca má predovšetkým teoretický charakter s dôrazom na prácu s literatúrou, ale nevylučuje ani experimentálnu prácu. Cieľom tejto bakalárskej práce je vytvorenie materiálu slúžiaceho ako úvod do štúdia stability proteínov. V ideálnom prípade táto práca by mohla viesť k publikácii prehľadového charakteru.

.....................................................................................................................................................................................

10. In vivo metódy evolúcie enzýmov

Supervisor: doc. RNDr. E. Sedlák, PhD.
Annotation: Evolučné metódy spojené s vývojom proteínov/enzýmov poskytujú obrovské možnosti vo vývoji nových enzýmov, resp. enzýmov s vylepšenými vlastnosťami s uplatnením v mnohých biotechnologických oblastiach. Evolučné metódy je možné rozdeliť do dvoch skupín na metódy in vitro a metódy in vivo. Cieľom tejto bakalárskej práce je sumarizovať v súčasnosti používané evolučné techniky in vivo na vývoj enzýmov, porovnať ich s metódami in vitro. Táto práca by mala predstavovať časť úvodu do štúdia evolučných metód vo vývoji enzýmov/proteínov pre študentov bakalárskeho štúdia biofyziky/biochémie.

.....................................................................................................................................................................................

11. Singletový kyslík – tvorba v živých systémoch a jeho význam

Supervisor: doc. RNDr. E. Sedlák, PhD.
Annotation: Singletový kyslík patrí do skupiny reaktívnych druhov kyslíka, medzi ktoré patria superoxidový anión, peroxid vodíka a hydroxylový radikál. Singletový kyslík môže vznikať rôznymi spôsobmi vrátane prenosu energie z excitovaných tripletových stavov konkrétnych chromofórov na molekulový kyslík alebo chemickými mechanizmami ako jeden z produktov enzýmov peroxidázy. Cieľom tejto bakalárskej práce je vytvorenie stručného prehľadu spôsobov vzniku singletového kyslíka in vivo a jeho využitia pri liečbe zhubných ochorení.

.....................................................................................................................................................................................

12. Štúdium poškodenia nervových buniek pesticídmi – význam pre výskyt civilizačných ochorení

Supervisor: doc. RNDr. Katarína Štroffeková, CSc.
Annotation: Znečistenie životného prostredia pesticídmi je jedným z hlavných faktorov, ktoré spôsobujú zvýšený výskyt civilizačných ochorení ako sú kardiovaskulárne a neurodegeneratívne ochorenia. Mnoho štúdií ukázalo, že rôzne herbicídy ako paraquat a insekticídy ako rotenón pôsobia na nervový systém a sú spájané so vznikom Parkinsonovej a Alzheimerovej choroby. Bolo ukázané, že vystavenie nervových buniek pesticídom spôsobuje zvýšený oxidatívny stres a mitochondriálnu dysfunkcia, ktoré sú spojené s dysfunkciou alebo smrťou buniek. Pochopenie mechanizmov, ktoré regulujú počet a kvalitu mitochondrií v dôsledku toxicity pesticídov v bunkách nám dá dôležitú informáciu pre správne pochopenie bunkovej odpovede na stres. Cieľom práce je prehľadné spracovanie literatúry o vplyve insekticídov na vznik neurodegeneratívnych ochorení a pilotné merania prežívania buniek vystavených dvom zvoleným pesticídom.

.....................................................................................................................................................................................

13. Potenciál malých v prírode sa vyskytujúcich molekúl v terapii nádorových ochorení

Supervisor: doc. RNDr. Katarína Štroffeková, CSc.
Annotation: Význam fytochemických molekúl pochádzajúcich z rastlín pri liečbe a prevencii nádorových ochorení stale narastá. Niektoré z týchto molekúl a ich derivátov (vinblastine, vincristine, a paclitaxel) sa používajú v klinickej praxi pri liečbe rakoviny. Ďalšie molekuly extrahované kurkumy, sóje a zeleného čaju ukazujú antioxidačné a protizápalové účinky, a tiež inhibujú množenie nádorových buniek. V našej štúdii sa zameriame na potenciál hypericínu, gossypolu a kurkumínu pri liečbe nádorových ochorení mozgu. V štúdii tiež preskúmame ich možnú kombináciu s inými používanými cytostatikami ako doxorubicin a temozolomid. Cieľom práce je prehľadné spracovanie literatúry o význame fytochemických molekúl pochádzajúcich z rastlín pri liečbe a prevencii nádorových ochorení a pilotné merania prežívania buniek vystavených hypericínu, gossypolu a kurkumínu.

.....................................................................................................................................................................................

14. Biomateriály z rekombinatného pavúčieho proteínu a ich využitie vo farmaceutickom priemysle

Supervisor: RNDr. Veronika Talafová
Annotation: Pavúčie vlákna predstavujú prírodný materiál, ktorý ľudia využívali už stáročia. No napriek tomu doteraz neboli nikdy industriálne produkované. Vďaka jedinečnej kombinácii elasticity a pevnosti, rekombinantné pavúčie proteíny, ako aj ich ďalšie modifikácie ponúkajú širokú škálu aplikácií. Bakalárska práca má teoretický charakter so zameraním sa na popis vlastností inžiniersky pripraveného proteínu, odvodeného z vlečného vlákna križiaka obyčajného. Taktiež je jej cieľom vytvoriť prehľad doterajších pilotných štúdií využitia tohto proteínu vo farmaceutickom priemysle. Jej súčasťou je aj navrhnutie experimentov, ktoré by prispeli k rozvoju aplikačného potenciálu proteínu vo farmaceutickom priemysle.

.....................................................................................................................................................................................

15. Vývoj a vlastnosti nových trombolytík

Supervisor: RNDr. Mária Tomková, PhD.
Annotation: Cievna mozgová príhoda a infarkt myokardu patria medzi najčastejšie príčiny úmrtia vo vyspelých krajinách. Len donedávna bolo jedinou možnosťou akútnej liečby podanie tkanivového plazminového aktivátora (tPA) do 4,5 hodín od nastúpenia prvých klinických príznakov. Rýchly rozvoj vedy a techniky však otvára nové možnosti pre vývoj inovatívnych terapií. Vlastnosti trombolytík je možné „vylepšiť“ pomocou racionálneho dizajnu založenom na podrobnej znalosti proteínovej štruktúry, alebo metódou riadenej evolúcie. Medzi neenzymatické liečebné stratégie patrí napríklad sonotrombolýza. Cieľom bakalárskej práce je sumarizovať súčasné možnosti liečby akútnej ischemickej mozgovej príhody, popísať vlastnosti dostupných trombolytík, ale predovšetkým zhrnúť techniky, ktoré sa používajú pri ich vývoji.

.....................................................................................................................................................................................

16. Coarse-grain dynamika retiazkového modelu ako nástroj na interpretáciu malouhlového rozptylu a topolologických kontaktných máp

Supervisor: doc. RNDr. Jozef Uličný, CSc.
Annotation: Úlohou tejto práce je vytvoriť generický coarse grain (hrubozrnný) model vlákna mezoskopickej veľkosti s laditeľným kontaktným potenciálom a preskúmať dynamiku takéhoto modelu. Vypočítať možné experimentálne dostupné pozorovateľné ako sú speckle obrazce a radiálne distribučné funkcie rozptylu svetla vhodnej vlnovej dĺžky (SAS experiment X-ray, vákuová UV). V záverečnej časti práce sa pokúsiť o inverznú úlohu – zo známych modelových topologických kontaktných máp navrhnúť kontaktný potenciál ktorý ich reprodukuje. Výsledky práce môžu časom poslúžiť na návrh uskutočniteľnosti experimentu na synchotróne Max IV a EuXFEL.

.....................................................................................................................................................................................

17. Charakterizácia agregátov ľudského ľahkého reťazca IgG vytvorených v rôznych podmienkach OBSADENÉ

Supervisor: Mgr. Veronika Džupponová
Consultant: RNDr. G. Žoldák, PhD.
Annotation: Agregácia proteínov vo všeobecnosti je príčinou mnohých ochorení. V prípade imunoglobulínov, život ohrozujúcim stavom je agregácia ľahkého reťazca, ku ktorej dochádza pri amyloidóze, či mnohopočetnom myelóme. V rámci práce budú pripravené agregáty ľahkého reťazca rôznymi metódami – teplotne, pomocou redukčných činidiel, zmenou pH. Pripravené agregáty sa následne podrobia mikroskopickej analýze, čo umožní charakterizovať vlastností agregátov – veľkosť, tvar, kompaktnosť. Získané dáta prispejú k pochopeniu vplyvu mechanizmu agregácie na patogenitu agregátov.

.....................................................................................................................................................................................

18. Optimalizácia podmienok deSUMOylácie vybraných ľahkých reťazcov IgG OBSADENÉ

Supervisor: Mgr. Veronika Džupponová
Consultant: RNDr. G. Žoldák, PhD.
Annotation: Rekombinantnú purifikáciu proteínov výrazne uľahčuje zavedenie značiek (tzv. tag) na N- alebo C- koniec proteínovej sekvencie. Pre ďalšiu prácu s daným proteínom a charakterizáciu vlastností proteínu je potrebné tieto značky odštiepiť. V priebehu práce budú využité rôzne ľahké reťazce (LC) – patologické LC, LC terapeutických protilátok, κ-/λ- LC, značené SUMO-proteínom. Nájdenie vhodných podmienok (rôzne pH, iónová sila) štiepenia kovalentnej väzby medzi SUMO-proteínom a LC, prispeje k lepšiemu pochopeniu funkčnej úlohy SUMO-proteínu k zbaľovaniu proteínov.

.....................................................................................................................................................................................

19. Vplyv glykácie na konformačnú a koloidálnu stabilitu IgG ľahkého reťazca

Supervisor: Mgr. Veronika Džupponová
Consultant: RNDr. G. Žoldák, PhD.
Annotation: Glykácia je neenzymatická reakcia medzi cukrami a proteínmi. Glykácia nastáva expozíciou proteínu redukujúcim cukrom ako napríklad glukóza, fruktóza a galaktóza, ktoré zvyčajne reagujú s bočnými reťazcami lyzínových zvyškov alebo N-koncami proteínov a vytvárajú Schiffovu bázu. Glykácia mení nábojový profil proteínov a môže potenciálne ovplyvniť stabilitu a účinnosť proteínov. V tejto práci sa bude študovať vplyv glykácie na zbaľovanie a stabilitu patologických a terapeutických ľahkých reťazcov protilátok.

.....................................................................................................................................................................................

20. Charakterizácia koloidálnej stability ľahkých reťazcov terapeutických protilátok

Supervisor: Mgr. Veronika Džupponová
Consultant: RNDr. G. Žoldák, PhD.
Annotation: Dôležitým kritériom klinického využitia protilátok je ich dlhodobá stabilita. Tá je predmetom intenzívnych štúdií, ktoré skúmajú obe – konformačnú aj koloidálnu stabilitu. Molekulový mechanizmus koloidálnej stability zahŕňa silu proteín-proteín interakcie a vplyv konformačnej stability. Tvorba agregátov závisí od prítomnosti čiastočne rozbalených proteínových molekúl, ktorých výskyt závisí na konformačnej stabilite natívneho stavu proteínu. Rozbalené a agregované molekuly znižujú terapeutický účinok, navyše môžu spôsobiť silnú imunogénnu reakciu. V priebehu práce, využitím metodík zavedených v našej skupine, bude charakterizovaná koloidálna stabilita ľahkých reťazcov terapeutických protilátok. Získané dáta bude následne možné porovnať s dátami pre terapeutické protilátky plnej dĺžky.

.....................................................................................................................................................................................

21. Analýza ko-evolúcie šaperónu Hsp70 s jeho ko-šaperónmi Hsp40, GrpE a p23 pomocou bioinformatických nástrojov a metód výpočtovej biológie

Supervisor: Mgr. Michal Gala
Consultant: RNDr. G. Žoldák, PhD.; doc. RNDr. Peter Pristaš, CSc.
Annotation: Proteín teplotného šoku 70 kDa (Hsp70) je evolučne konzervovaný molekúlový šaperón, ktorého úloha spočíva vo viazaní iných, nesprávne zbalených proteínov. Tým im poskytuje šancu nadobudnúť správny funkčný stav. V procese skladania Hsp70 zohrávajú kľúčovú úlohu jeho ko-šaperónové proteíny. Ko-šaperóny katalyzujú hydrolýzu ATP na ADP na príslušnom šaperóne, čo umožňuje danému šaperónu podstúpiť konformačnú zmenu. Správna interakcia medzi šaperónom a ko-šaperónom priamo závisí od ich trojrozmerných štruktúr. Tento fakt vytvára evolučný tlak na to aby evolučné zmeny v jednom elemente boli kompenzované evolučnými zmenami v ostatných interagujúcich elementoch.
Táto bakalárska práca má na príklade ko-evolúcie šaperónu Hsp70 s jeho ko-šaperónmi zoznámiť študenta so základnými metódami a nástrojmi bioinformatiky. Študent sa zoznámi s databázami molekulárnych sekvencií a štruktúr, v ktorých sa naučí cielene a efektívne vyhľadávať požadované dáta. Následne sa naučí sekvencie zarovnať a vypočítať ich základne štatistické charakteristiky. Keďže ide o teoretickú prácu, od študenta sa vyžaduje pozitívny vzťah k práci na PC a zároveň ambícia vzdelávať sa v oblasti programovania.

.....................................................................................................................................................................................

22. Porovnanie spike glykoproteínu SARS-CoV-2 a iných koronavírusov pomocou bioinformatických nástrojov a metód výpočtovej biológie

Supervisor: Mgr. Michal Gala
Consultant: RNDr. G. Žoldák, PhD.; doc. RNDr. Peter Pristaš, CSc.
Annotation: Pandémia ochorenia COVID-19 spôsobená koronavírusom severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) je považovaná za zdravotnícku krízu súčasnej doby a najväčšiu výzvu, ktorej spoločnosť čelí za posledné dekády. Ide o patogénny, vysoko prenosný vírus, ktorého genóm exprimuje 4 štrukturálne proteíny: spike (S) glykoproteín, matrix (M) proteín, malý obalový (E) proteín a nukleokapsidový (N) proteín. Práve S proteín zohráva kľúčovú úlohu v infekcii človeka. Ide o receptor, ktorý ma dostatočnú afinitu s receptorom angiotenzín konvertujúceho enzýmu 2 na to, aby prenikol do hostiteľskej bunky.
Táto bakalárska práca má na modelovom proteíne – S glykoproteíne zoznámiť študenta so základnými metódami a nástrojmi bioinformatiky. Študent sa zoznámi s databázami molekulárnych sekvencií a štruktúr, v ktorých sa naučí cielene a efektívne vyhľadávať požadované dáta. Následne sa naučí sekvencie zarovnať a vypočítať ich základne štatistické charakteristiky. Keďže ide o teoretickú prácu, od študenta sa vyžaduje pozitívny vzťah k práci na PC a zároveň ambícia vzdelávať sa v oblasti programovania.

.....................................................................................................................................................................................