Bachelor projects
Bachelor thesis projects in Biophysics (Department of Biophysics and Center for Interdisciplinary Biosciences) for the academic year 2024/2025:
1. Vývoj mikroskopických viskozimetrov pre lab-on-chip aplikácie
Školiteľ: doc. Mgr. Gregor Bánó, PhD.
Anotácia: Mikroreologické merania majú veľký význam pri analýze malých objemov kvapalín. Cieľom bakalárskej práce je využiť pružné mikroštruktúry pripravené dvojfotónovou polymerizáciou na meranie viskozity v mikrofluidných kanálikoch. Tvar pružných mikroštruktúr ponorených do kvapalného média sa deformuje v závislosti od podmienok okolitej kvapaliny. Dynamika deformácie závisí okrem iného od viskozity prostredia, čo využijeme na konštrukciu mikroviskozimetrov. Zameriame sa na mikroviskozimetre, založené na pasívnych Brownovských osciláciách pružných mikroštruktúr, s potenciálom pre budúce široké využitie v iných laboratóriách.
.....................................................................................................................................................................................
2. Aplikácie SERS nanosenzorov v medicíne
Školiteľ: RNDr. Gabriela Fabriciová, PhD.
Anotácia: Nanosenzory sú vďaka svojej citlivosti, prenosnosti, selektivite a automatizovanému zberu dát vynikajúce platformy na získanie alternatívneho a spoľahlivého riešenia pre nepretržité monitorovanie a detekciu molekúl v reálnom čase. V posledných rokoch pritiahli nanosenzory veľkú pozornosť vďaka svojim jedinečným vlastnostiam, ako sú nízka cena, jednoduchosť prístrojov, miniaturizácia a flexibilita, ktoré im umožňujú kombinovať sa s rôznymi systémami. Nanosenzory umožňujú pochopenie zdravotného stavu človeka prostredníctvom neinvazívnej detekcie klinicky relevantných biomarkerov v niekoľkých biokvapalinách, ako sú slzy, sliny, pot. Povrchovo zosilnený Ramanov rozptyl (SERS) patrí k jedným z najcitlivejších analytických nástrojov, v niektorých prípadoch je možné zaznamenať vysoko kvalitné spektrum SERS, v ktorom dominuje príspevok len jednej molekuly. Spektroskopia SERS je preto sľubným nástrojom pre rutinné analytické techniky používané v lekárskych, biochemických, environmentálnych a potravinárskych analýzach. Cieľom tejto práce je charakterizovať vybrané SERS nanosenzory a ich využitie v medicínskych aplikáciách.
.....................................................................................................................................................................................
3. Štúdium vplyvu usporiadania hydroxylových skupín v molekulách hydroxyderivátov antrachinónov na tepelnú stabilitu ľudského sérového albumínu
Školiteľ: RNDr. Gabriela Fabriciová, PhD.
Anotácia: Ľudský sérový albumín (HSA) 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 ligandov 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. Štúdium komplexov ľudský sérový albumín – ligand metódami optickej spektroskopie a izotermálnej titračnej kalorimetrie
Školiteľ: RNDr. Gabriela Fabriciová, PhD.
Anotácia: 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 interakcie HSA s nízkomolekulovými ligandami Cieľom tejto práce určenie a porovnanie väzobných konštánt interakcie HSA – ligand pomocou fluorescenčnej spektroskopie a izotermálnej titračnej kalorimetrie.
.....................................................................................................................................................................................
5. Skúmanie vyväzovania flavín mononukleotidu z proteínovej štruktúry AsLOV2 svetlom indukovaným procesom
Školiteľ: RNDr. Andrej Hovan, PhD.
Anotácia: AsLOV2 je fotocitlivý proteín a v blízkej minulosti bola preukázaná jeho schopnosť tvoriť singletový kyslík, ktorý hrá kľúčovú rolu vo fotodynamickej terapii. Na základe meraní na Katedre biofyziky bolo zistené, že po stimulácii svetlom sa fotocitlivý kofaktor flavín mononukleotid (FMN) vyviaže z proteínu a začne vytvárať podstatne viac singletového kyslíka. Tieto merania boli urobené s využitím silného pulzného lasera. Táto práca má za cieľ preskúmať tento fenomén pri použití kontinuálneho lasera s rôznymi výkonmi od mW po W. Cieľom bakalárskej práce je sformulovanie kinetického modelu popisujúceho vyväzovanie FMN z proteínovej štruktúry.
.....................................................................................................................................................................................
6. Príprava a využitie nanodrôtov v bioaplikáciách
Školiteľ: RNDr. Veronika Huntošová, PhD.
Anotácia: Vývoj a výskum nových funkčných nanomateriálov pre bioaplikácie je v súčasnosti horúcou témov v oblasti nanotechnológii. Cieľom bakalárskej práce bude skúmať interakciu rôznych druhov nanodrôtov s nádorovými bunkami. Študent bude zaučený do prípravy kovových nanodrôtov a ich modifikácie polymérom pre zvýšenie biokompatibility. Pripravené nanodrôty budú študované metódami fluorescenčnej mikroskopie. Vplyv zmien magnetického poľa na nanodrôty v bunkách a kultivačnom médiu bude sledovaný mikroskopicky a štandardnými biologickými a biofyzikálnymi metódami. Práca bude zameraná na zlúčenie poznatkov materiálového a biofyzikálneho výskumu.
.....................................................................................................................................................................................
7. Vplyv ionizačného stavu katalytického centra cytochróm c oxidázy na jej spektroskopické vlastnosti
Školiteľ: doc. Mgr. Daniel Jancura, PhD.
Konzultant: RNDr. Marian Fabian, CSc.
Anotácia: Mitochondriálna cytochróm c oxidáza (CcO) je terminálny enzým respiračného reťazca prenosu elektrónov v mitochondriách eukaryotických buniek. Tento molekulový komplex katalyzuje redukciu kyslíka na vodu a transformuje energiu uvoľnenú pri tomto procese na elektrochemický protónový gradient na vnútornej mitochondriálnej membráne. Vytvorený elektrochemický protónový gradient sa následne využíva ako hnacia sila pre syntézu ATP a pre ďalšie procesy vyžadujúce energiu. K vzniku tohto gradientu prispievajú dva procesy. Prvým je oxidácia ferrocytochrómu c z medzimembránovej strany vnútornej mitochondriálnej membrány, ktorá je spojená so spotrebou protónov na tvorbu vody z matricového kompartmentu mitochondrií. Táto redukcia O2 na H2O prebieha v katalytickom centre CcO pozostávajúcom z hému a3 a iónu medi (CuB). Druhým procesom je pumpovanie protónov, počas ktorého sú protóny transportované z matrixu do medzimembránového priestoru mitochondrií. Oba procesy, redukcia kyslíka a pumpovanie protónov, vedú k prenosu celkom ôsmich nábojov cez membránu pri redukcii jednej molekuly kyslíka. Presný mechanizmus spriahnutého prenosu elektrónov a protónov v CcO však ešte nebol úplne objasnený a zostáva tak jedným z hlavných nevyriešených problémov súčasnej molekulovej bioenergetiky. Cieľom tejto práce je pripraviť prehľad o aktuálnych poznatkoch v oblasti vplyvu pH na hlavné charakteristiky CcO: katalytická aktivita, rýchlosť vnútorného prenosu elektrónov, UV-Vis optické spektrum, redoxné potenciály redoxných centier a účinnosť pumpovania protónov. Cieľom experimentálnej časti práce je skúmať pH závislosť UV-Vis optického spektra oxidovaného CcO, ako aj časový vývoj pH indukovaných absorpčných zmien v tomto enzýme.
.....................................................................................................................................................................................
8. Detekcia pesticídov pomocou Ramanovej spektroskopie: súčasný stav a porovnanie s inými analytickými metódami
Školiteľ: RNDr. Z. Jurašeková, PhD.
Anotácia: 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.
.....................................................................................................................................................................................
9. Ramanova spektroskopia a jej využitie v oblasti štúdia problémov molekulárnej paleontológie
Školiteľ: RNDr. Z. Jurašeková, PhD.
Konzultant: doc. RNDr. Martin Kundrát, PhD.
Anotácia: 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).
.....................................................................................................................................................................................
10. Použitie Ramanovej a SERS spektroskopie na štúdium živých buniek
Školiteľ: RNDr. Z. Jurašeková, PhD.
Anotácia: …
.....................................................................................................................................................................................
11. Povrchové úpravy materiálov vhodných pre 3D tlač a ich vplyv na vlastnosti kultivačných médií a kultivovaných buniek
Školiteľ: RNDr. Zuzana Naďová, PhD.
Anotácia: Biologická kompatibilita 3D tlačeného lešenia zohráva rozhodujúcu úlohu pri udržiavaní bunkových funkcií. V niektorých prípadoch vytlačený materiál nemusí podporovať rast buniek a štúdie ukázali, že stuhnuté polyméry po vytlačení môžu obsahovať toxické zvyšky, ktoré inhibujú rast buniek. Techniky úpravy povrchu sa často používajú na prispôsobenie povrchových vlastností 3D tlačeného materiálu, tak, aby spĺňali špecifické požiadavky. Pre účely práce budú ľudské gingiválne fibroblasty kultivované na PA12 lešeniach, vytlačených pomocou Multi Jet Fusion (MJF). Cieľom bakalárskej/magisterskej práce bude vyhodnotiť vplyv automatického farbenia PA12 na (i) vlastnosti kultivačného média (najmä zmeny jeho pH), (ii) produkciu kyslíkových radikálov (ROS), funkčnosť mitochondrií a (iii) vitalitu a proliferáciu buniek. Študent získa praktické skúsenosti s UV-VIS spektroskopiou, kultiváciou buniek in vitro a fluorescenčným zobrazovaním vybraných vnútrobunkových cieľov.
.....................................................................................................................................................................................
12. Vývoj bioluminiscenčného kvasinkového systému založeného na luciferáze
Školiteľ: RNDr. Michal Nemergut, PhD.
Anotácia: Luciferáza je enzým, ktorý katalyzuje biochemickú reakciu, vďaka ktorej vzniká svetlo za prítomnosti kyslíka a substrátu nazývaného luciferín. Hoci je biosyntéza luciferázy dobre pochopená naprieč rôznymi organizmami, metabolická dráha vedúca k syntéze luciferínu bola doteraz podrobnejšie popísaná iba u huby Neonothopanus nambi. Úlohou študenta bude vložiť gény zapojené do bioluminiscencie huby Neonothopanus nambi do kvasinky Saccharomyces cerevisiae. Cieľom tejto bakalárskej práce bude vytvoriť kvasinkový systém, ktorý by autonómne produkoval svetlo.
.....................................................................................................................................................................................
13. Využitie luciferázy ako alternatívneho zdroja osvetlenia
Školiteľ: RNDr. Michal Nemergut, PhD.
Anotácia: Luciferázy sú enzýmy, ktoré majú schopnosť katalyzovať reakciu, pri ktorej dochádza k oxidácii substrátu (luciferínu) a následnému vyžiareniu svetla. Tieto enzýmy sa vyskytujú v rôznych organizmoch, napríklad u svätojánskych mušiek alebo vo viacerých morských živočíchoch. Vďaka schopnosti vyžarovať svetlo si luciferázy našli široké uplatnenie v molekulárnej biológii pri sledovaní a vizualizácii rôznych biologických procesov v bunkách. V budúcnosti by sa luciferázy taktiež dali využiť pri vývoji ekologicky priaznivej technológie osvetlenia založenej na svietiacich rastlinách, ktorá by mala potenciál znížiť spotrebu elektrickej energie ako aj uhlíkovú stopu. Cieľom tejto bakalárskej práce bude zosumarizovať súčasný vedecký stav v danej oblasti.
.....................................................................................................................................................................................
14. Štúdium mechanizmu autofágie v zdravých a poškodených nervových bunkách
Školiteľ: doc. RNDr. Katarína Štroffeková, PhD.
Anotácia: Autofágia je katabolická dráha, ktorá reguluje homeostázu v bunkách. Autofágia je charakterizovaná tvorbou dvojmembránových vezikúl; autofagozómov, ktoré sú zodpovedné za dodanie poškodených organel a extra proteínov do lyzozómov na recykláciu. Potreba študovať autofágiu je dôležitá kvôli jej vzťahu s rôznymi regulačnými dráhami a funkciami, najmä pri rakovine, cukrovke, neurodegeneratívnych poruchách a infekčných chorobách. Táto štúdia sa zameria na porovnanie autofagických regulačných proteínov, LC3, Beclin a Bcl2 v zdravých a poškodených neurónových bunkách. Pri výskume bude využitý interdisciplinárny prístup využívajúci fluorescenčnú mikroskopiu, imunocytochémiu, a molekulárnu biológiu. Hlavným cieľom experimentálnej časti práce je určenie hladín proteínov LC3, Beclin a Bcl2 regulujúcich autofágiu v zdravých a poškodených neurónových bunkách.
.....................................................................................................................................................................................
15. Glykoinžiniersvo: Modifikácia glykozylácie ako nástroj úpravy vlastností terapeutických proteínov
Školiteľ: RNDr. Mária Tomková, PhD.
Anotácia: Prírodné proteíny predstavujú významný zdroj terapeutických látok a priemyselných enzýmov. Ich široké využitie v priemyselnej praxi často vyžaduje úpravu ich vlastností. Jednou z kľúčových post-translačných modifikácií proteínov je glykozylácia, ktorej zmeny môžu výrazne ovplyvniť ich vlastnosti. Modifikácia cukorných zvyškov môže zlepšiť zbaľovanie proteínov, ich stabilitu, rozpustnosť a odolnosť voči tepelnému, proteolytickému alebo chemickému stresu. Glykoinžiniersvo sa tak stáva dôležitým nástrojom na vylepšovanie vlastností priemyselných proteínov. Cieľom bakalárskej práce je poskytnúť prehľad súčasných poznatkov a metód v oblasti úpravy vlastností proteínov prostredníctvom modifikácie ich glykozylácie, s dôrazom na terapeutické aplikácie a aplikácie v priemysle.
.....................................................................................................................................................................................
16. Metódy na vývoj a testovanie trombolytík: hodnotenie ich účinnosti a spoľahlivosti
Školiteľ: RNDr. Mária Tomková, PhD.
Anotácia: Trombolytiká sú liečivá, ktoré sa používajú na rozpúšťanie krvných zrazenín pri akútnych cievnych udalostiach, ako sú infarkt myokardu alebo cievna mozgová príhoda. Komplexné porozumenie súčasného stavu trombolytickej liečby je kľúčové pre zlepšenie vývoja nových trombolytík. V súvislosti so súčasným výskumom a rozvojom v oblasti kardiovaskulárnych ochorení a liečby trombóz je dôležité presné hodnotenie in vivo a in vitro trombolytickej aktivity pre vytváranie nových liečebných stratégií. Cieľom tejto práce bude poskytnúť prehľad o prístupoch k vývoju nových trombolytík a metód na hodnotenie ich účinnosti. V praktickej časti bakalárskej práce sa študent bude venovať optimalizácii niektorých in vitro metód na hodnotenie trombolytickej aktivity.
.....................................................................................................................................................................................
17. 3D rekonštrukcia experimentu XCDI mikrotomografie – test teórie optimálneho balenie pre polydisperznú distribúciu homogénnych sfér
Školiteľ: doc. RNDr. Jozef Uličný, CSc.
Anotácia: Motivácia: na experimente XCDI v ESRF Grenobli sme náhodne odmerali tomogragický sken sféroidu, tvoreného guličkami monostearátu sodného. Tým sme získali experimentálnu štruktúru husto pakovaných sférických objektov rovnakého materiálového zloženia. Odhadom 4000+ sfér rôznych polomerov vytvorilo objekt ohraničený sférickým povrchom o priemere niekoľko um. Sféry vieme rozoznať s teoretickým rozlíšením cca 30nm. Výsledky 3D rekonštrukcie môžu predstavovať experimentálny príspevok k riešeniu „bin packing problému“. Úlohou bude použiť pattern recognition postupy, prípadne techniky NN na alternatívnu rekonštrukciu tohto modelového objektu a porovnať účinnosť pakovania voči teoretickým odhadom. Aj keď sa nevyhýbame rekonštrukciám pomocou NN, tradičnejšie postupy sú zatiaľ rýchlejšie.
Lit: Onix 3D a Onix 4D.
.....................................................................................................................................................................................
18. Holografický mikroskop – počítačová štúdia multiprojekčného holografického mikroskopu v optickej oblasti
Školiteľ: doc. RNDr. Jozef Uličný, CSc.
Anotácia: Motivácia: holografický mikroskop je nízkonákladové riešenie na pozorovanie mikroskopických objektov (napr. parazitov v krvi v chudobných regiónoch Afriky) ako náhrada výrazne drahších (30 eur vs 100 tisíc EUR) klasických optických mikroskopov, založená na difrakcii žiarenia dostupného polovodičového optického lasera na mikroobjekte a analýze difraktogramu snímaného a počítaného napr. mobilným telefónom. Úlohou simulácie bude odhadnúť, nakoľko by multiprojekčný mikroskop tohto typu pracujúci vo Fresnelovej (holografickej) oblasti vedel rozoznávať/klasifikovať/triediť 3D tvary limitovaného modelového setu. Ide o dramaticky zjednodušený optický analóg konštrukcie XMPH mikroskopu (v patentovom riadení) používaného v našom HE EIC projekte www.tomoscopy.eu
.....................................................................................................................................................................................
19. Molekulové mechanizmy agregácia patologických foriem proteínov
Školiteľ: doc. RNDr. Gabriel Žoldák, DrSc.
Anotácia: Tento projekt ponúka jedinečnú príležitosť študovania patologických proteínov. Agregácia patologických foriem proteínov vedie k vážnym zdravotným komplikáciám a mnohé sú v súčasnosti klasifikované ako nevyliečiteľné. Využijete širokú škálu inovatívnych techník na štúdium týchto procesov ex vivo a získate tak hlbšie pochopenie týchto zložitých mechanizmov. Vaša práca prispeje k hlbšiemu pochopeniu mechanizmov agregácie patologických proteínov, čo by potenciálne mohlo viesť k novým terapeutickým stratégiám. Ako študent budete aktívne zapojení do návrhu experimentov, zberu a analýzy dát. Tiež preskúmate úlohu šaperónových domén ako možných neutralizačných a terapeutických molekúl. Tento projekt predstavuje významnú príležitosť prispieť do oblasti s vysokým medicínskym významom.
.....................................................................................................................................................................................
20. Vývoj celulárnych modelových platforiem na štúdium toxicity patologických proteínov
Školiteľ: doc. RNDr. Gabriel Žoldák, DrSc.
Anotácia: Táto práca má za cieľ posunúť naše chápanie špecifických ochorení spojených s produkciou patologických foriem proteínov. Výskum je kľúčový pre odhalenie mechanizmov tkanivo-špecifickej toxicity týchto patologických foriem. Využijete kombináciu techník z oblasti bunkovej biológie, bioinžinierstva a biotechnológií pri vývoji týchto platforiem, čo umožní podrobnú analýzu tkanivo-špecifických toxických účinkov variantov. Tento výskum môže významne posunúť naše pochopenie tkanivo-špecifických účinkov variantov patologických proteínov, čo otvára cesty k efektívnejším liečebným metódam. Výskumný tím bude spolupracovať s Dr. Magdalény Harakalovej z Výskumného centra pre cirkulačné zdravie v Utrechte, Holandsko. Táto spolupráca ponúka bohaté prostredie pre ďalší vedecký rast a rozvoj medzinárodnej spolupráce.