Üliõpilastele

Soovituslik lugemisvara sissejuhatuseks biofüüsikasse, vaata ka http://plantphys.ut.ee/6pe.html

Lõputööde teemad:

Termofiilse purpurbakteri Thermochromatium tepidum antennikompleks LH1

Bakalaureuse- ja/või magistritöö füüsika, keemia, materjalitehnoloogia või bioloogia eriala tundengile..
Juhendajad: Margus Rätsep (margus.ratsep@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

Purpurbakterite valgust koguv antennisüsteem LH1 koosneb 32-st bakterklorofülli  (BChl-a) molekulist, mis on paarikaupa seotud ja paiknevad silindrilise struktuuriga valgukompleksis. BChl-a paarid moodustavad peaaegu sümmeetrilise ringi, mille keskel asub reaktsioonitsenter. Kuumavee allikates kasvav Thermochromatium (Tch) tepidum on erandlik termostabiilsuse poolest, mis arvatakse olevat põhjustatud valgukompleksile lisandunud Ca²⁺ ioonidest. Eesmärk on uurida Tch tepidumi optilisi omadusi kõrglahutusega optilise spektroskoopia meetoditega. Töö on esimeses etapis eksperimentaalne, sisaldades katseid erinevatel temperatuuridel, andmetöötlust ja tulemuste analüüsimist. Kuna teada on LH1 antennisüsteemi 1.9 Å lahutusega struktuur, siis on ka võimalik optilisi spektreid modelleerida. Sobib füüsika või bioloogia eriala tudengile.

Fotosünteetiliste pigmentide ja valkude CD spektroskoopia

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Margus Rätsep (margus.ratsep@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

CD (circular dichroism) spektroskoopia mõõdab ainete kiraalsust ehk käelisust. Fotosünteetiliste komplekside kiraalsus võib olla tähelepanuväärselt suur, põhjuseks kas membraani makrostruktuur (nn polümeerne CD) või siis elektroonsete seisundite delokaliseeritus (eksitoonne CD). Seevastu isoleeritud pigmentide (klorofüllid, feofütiinid, karotinoidid) kiraalsus on tavaliselt mitu suurusjärku väiksem, mistõttu vastavate spektrite mõõtmine on küllaltki suur väljakutse. Alustuseks tuleb  süstemaatiliselt uurida pigmentide CD spektreid erinevates orgaanilistes lahustes ja seeläbi täiendada kirjanduses leiduvad väga üksikuid andmeid.  Kaugemaks sihiks on mõõta ja modelleerida kiraalsust sõltuvalt lahuste füüsikalistest ja keemilistest parameetritest, näiteks temperatuur, kontsentratsioon, happelisus jne. Töö on sobiv eksperimentaalsest uurimistööst huvitatud füüsika või bioloogia eriala üliõpilasele.

Bioloogiliste fotosünteetiliste süsteemide ehituse ja talitluse modelleerimine arvutuskeemia abil

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Juha Linnanto (juha.matti.linnanto@ut.ee) ja Arvi Freiberg  (arvi.freiberg@ut.ee)

Eesmärgiks on tutvuda nüüdisaegse kvantkeemia meetoditega ja rakendusvõimalustega fotosünteesi protsesside uurimiseks. Kvantkeemilised arvutused annavad infot fotosünteetiliste pigment-proteiin komplekside spektroskoopiliste omaduste ja energia ülekande omaduste kohta. Põhirõhk on valgust koguvate komplekside madalamate ergastatud singlett-seisundite aga ka laengu ülekande seisundite rolli ja olemuse väljaselgitamisel. Sellekohaseid arvutustulemusi on vaja eksperimentide andmete interpreteerimisel, et aru saada fotosünteetiliste pigment-proteiin komplekside toimimisest. Töö on sobiv üliõpilastele, kes on huvitatud kaasaegsest arvutus(bio)füüsikast ja teoreetilisest modelleerimisest.

Lähiümbruse mõjust fotosünteetiliste antennide funktsioneerimisele

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Kõu Timpmann (kou.timpmann@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

Valgustkoguvate antennide funktsiooniks fotosünteesis on päikese energia neelamine ja transport fotokeemilistesse reaktsioonitsentritesse. Looduslikes tingimustes asuvad antennide valgu-klorofüllikompleksid vesikeskkonnas. Antennide funktsioneerimise täppisuuringuteks (näit. ühe molekuli spektroskoopia meetodil) tuleb antennide vesikeskkond asendada polümeerkeskkonnaga. Töö eesmärgiks on eksperimentaalselt spektroskoopiliste meetoditega uurida antennide funktsioneerimist polümeerkeskkonnas.

Muteeritud reaktsioonitsentrite aeglahutusega spektroskoopia

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Kõu Timpmann (kou.timpmann@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

Bakteriaalses fotosünteesis toimub neeldunud valguse energia konverteerimine eraldatud laengute energiaks spetsiifilistes molekulaarsetes kompleksides – nn. reaktsioonitsentrites. Laengute eraldumise dünaamika on ülikiire, ulatudes piko- ja femtosekundpiirkonda.Töö eesmärgiks on eksperimentaalselt uurida laengute eraldumise dünaamika muutusi sihipäraselt muteeritud reaktsioonitsentrites, kasutades selleks femtosekundilise ja /või pikosekundilise ajalise lahutusega spektroskoopilist aparatuuri.

Biomolekulide vastastikmõjude uurimine kõrgete rõhkude kasutamisega

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Liina Kangur (liina.kangur@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

Meid ümbritsev keskkond mõjutab meie käitumist. See teada-tuntud tees toimib samuti ka mikromaailmas aatomite ja molekulide tasemel. Kõrge väline rõhk nihutab aatomeid/molekule üksteisele lähemale muutes osakestevahelisi interaktsioone. Tulemusena muutuvad aine karakteersed spektrid, mis võimaldabki neid mõjusid süstemaatiliselt uurida. Bakalaureusetöö tasemel tutvutakse kõrgrõhutehnikaga (optilise kõrgrõhuraku konstrueerimine ja ehitus, kõrgete (suurusjärgus 10 kbar) rõhkude mõõtmine), lihtsamate spektraalsete (neeldumis- ja kiirgusspektrite) mõõtmiste metoodikaga, õpitakse katsetulemuste analüüsi (kasutades Origini ja Matcadi) ning tulemuste vormistamist. Magistri/doktoritöö tasemel uuritakse biomolekulide (ftalotsüaniinid, porüriinid, klorofüll, bakterklorofüll, jt) ja nende agregaatide spektraalseid iseärasusi kõrgete rõhkude all. Detailne arusaamine molekulaarsete agregaatide spektrite kujunemisest ja nende peentimmimise mehhanismidest aitab paremini mõista, kuidas fotosünteetilised organismid ammutavad päikeseenergiat ja spektraalselt kohanevad äärmuslike keskkonnaoludega. Vastavaid bio-mimeetilisi ideid saab loodetavasti ära kasutada tuleviku energeetikamudeli väljatöötamisel, mis asendaks seniseid suhteliselt kalleid ja keskkonda koormavaid tehnoloogiaid. Katseline töö sobib rakendusfüüsika, materjaliteaduse, infotehnoloogia või keskonnatehnoloogia eriala õppuritele.

Fluorestsentspektroskoopia kasutamine membraanvalkude struktuuri ja dünaamika uurimiseks

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Liina Kangur (liina.kangur@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

30-40% kõikidest valkudest on membraanvalgud. Nende struktuursete omaduste uurimine on võrreldes vees lahustuvate valkudega raskendatud. Siin me kasutame asjaolu, et põhilised valgu omakiirgusesse panustavad aminohapped (Trp, Tyr ja Phe) eelistavad valgu sees koguneda piirkondadesse, mis ühtib lipiidmembraani ja vesikeskkonda eraldavate piirkihtidega. Trüptofaan (Trp) reageerib väga tundlikult valku ümbritseva keskonna omaduste (nt polaarsus) muutustele. Seepärast võib Trp kiirgusspekri ja eluea muutuste kaudu nt funktsioonina välisest rõhust saada väga kasulikku informatsiooni valgu konformatsiooniliste muutuste ja nende dünaamika kohta. Töö on jõukohane igale edasijõudnud loodusteaduskonna tudengile. Töö teostamiseks vajalikud eriteadmised on kõik kohapeal omandatavad. Tõsisele huvilisele jätkub lahendamist vajavaid probleeme nii magistri- kui ka doktoritööks. 

Fotosünteetiliste pigmentide tripletseisundite parameetrite mõõtmine rõhu all

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Kristjan Leiger (kristjan.leiger@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

Fotosünteetilised pigmendid (klorofüll, bakterklorofüll) on küll oma suure tähtsuse tõttu üsnagi läbi uuritud, aga vähem on teada tripletsete elektronseisundite omadustest. Põhjuseks on vastavate mõõtmiste keerulisus (nt. spektrite madal intensiivsus). Ometi mõjutavad need seisundid fotosünteetiliste süsteemide funktsionaalsust omajagu, kuna kohati arvatakse seda seisundit läbivat kuni 75% neelatud ergastusest. Bioloogilistes süsteemides resoneerub tripletseisund sageli lahustunud hapniku energiatasemetega, tekitades seega reaktiivset ja süsteemidele ohtlikku monohapnikku, selliste ohtude maandamiseks on neis arenenud erinevaid mehhanisme. Pigmentide lahustes on mõõtmisi siiski tehtud, aga olulist informatsiooni võiks anda ka mõõtmine kõrge rõhu all. Töö sisuks on mõõtemetoodika väljatöötamine tripletkiirguse parameetrite (intensiivsuse, eluea, võimaluse korral ka spektrite) mõõtmiseks teemantrõhurakku paigaldatud fotosünteetiliste pigmentide lahustes ja vastavate mõõtmiste läbiviimine.

Fotosünteetiliste valkude ergastusspektrite mõõtmine rõhu all

Bakalaureuse- ja/või magistritöö.
Juhendajad: Kristjan Leiger (kristjan.leiger@ut.ee) ja Arvi Freiberg (arvi.freiberg@ut.ee)

Ergastusspekter (summaarse ainest eralduva kiirguse intensiivsuse sõltuvus spektraalselt kitsa ergastuse lainepikkusest) vastab laias laastus aine neeldumise (täpsemalt 1 - läbilaskvuse) spektrile. Seda välja arvatud juhtudel, kui neeldunud energia kandub üle kanalitesse, kus ta muutub kas molekulide võnkeenergiaks (soojuseks) või ka kiirguseks spektraalpiirkondades, mida me ei suuda jälgida. Seega annab tavaneeldumise ja ergastusspektri võrdlus aimu ka energia liikumisest fotosünteetilistes valk-pigment kompleksides, näiteks bakteriaalsetes antennides. Kuna senistest mõõtmistest on saadud signaale, et välise rõhu rakendamine kutsub selles pildis esile olulisi muutusi, eeldatavasti näiteks karotenoidide ja (bakter)klorofülli vahelise energiaülekande osas, siis olekski vaja otseselt võrrelda eri rõhkudel tehtud ergastus- ja neeldumisspektreid. Töö sisuks on vastavate mõõtmiste tegemine, kasutades teemantrõhurakku ja muudetava lainepikkusega lasereid.

Functional relevance of hydration in photosystem II membrane stacks  (Hüdratatsiooni funktsionaalne olulisus fotosüsteem II membraanivirnade jaoks)

Bakalaureuse- ja/või magistritöö
Juhendaja: Jörg Pieper (jorg.pieper@ut.ee), juhendamine toimub inglise keeles

Water molecules play an essential role for structure and dynamics of biomembranes and biomolecules. First, water induces ordering via hydrophilic and hydrophobic interactions and, second, fast water motions stimulate internal protein motions. The latter flexibility is a prerequisite for several functional processes with conformational changes. One example from photosynthesis is the hydration-dependence of electron transfer efficiency in plant photosystem II. Subject of this work is a study of the structural arrangement of Photosystem II membrane stacks as a function of hydration. It requires analyses of membrane diffraction, small angle scattering and inelastic neutron scattering experiments. This work is well suited for a candidate with interest in biophysics, computation and theoretical modeling.

Excitonic energy level structure of plant antenna complex LHC II (Taimse antennikompleksi LHC II energianivoode eksitonstruktuur)

Bakalaureuse- ja/või magistritöö
Juhendaja: Jörg Pieper (jorg.pieper@ut.ee), juhendamine toimub inglise keeles

Photosynthetic antenna complexes are characterized by highly efficient light absorption and ultrafast transfer of excitation energy to the photochemically active reaction center. The most abundant antenna is the light-harvesting complex of photosystem II (LHC II). Despite of a long-standing effort, a detailed understanding of excitation energy transfer in LHC II has not yet been achieved, because of its complex structure binding 14 chlorophyll molecules per monomeric subunit. In addition, protein heterogeneity leads to significant inhomogeneous broadening masking spectral substructures in conventional optical spectra. These problems can be overcome using spectrally selective optical experiments and advanced sample material with site-specific mutations. This work is well suited for a candidate with interest in biophysics, experimental laser spectroscopy and some theoretical modeling.