Tudengile

Biofüüsikast ülevaate saamiseks on kokku pandud veidi soovituslikku lugemisvara.

Lõputöö teemad:

Termofiilse purpurbakteri Thermochromatium tepidum antennikompleks LH1

Bakalaureuse ja/või magistritöö.
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 Cr2+ ioonidest. Eesmärk on uurida Tch tepidumi optilisi omadusi kõrglahutusega optilise spektroskoopia meetoditega. Töö on esimeses etapis eksperimentaalne, sisaldades katseid, andmetöötlust ja tulemuste analüüsimist. Kuna teada on LH1 antennisüsteemi 3 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 ja jõukohane eksperimentaalsest uurimistööst huvitatud füüsika või bioloogia eriala üliõpilasele.

Klorofüllide ja porfiriinide kõrglahutusega optiline spektroskoopia

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

Taimedes, täpsemalt nende valgusantennides on enim levinud klorofülli vorm Chl-a, mis neelab punast valgust ja annab taimedele rohelise värvuse. Chl-a optilisi omadusi on põhjalikult uuritud nii lahustes kui ka valgukompleksides. Mitmetes veeorganismides on levinud veelgi punasemat valgust kasutavad Chl-d ja Chl-f, aga ka kollast spektriosa neelavad klorofüllid Chl-c1 ja Chl-c2. Viimati nimetatud klorofülle on seni vaid vähesel määral uuritud. Kavandatud töö eesmärk on Chl-c1 ja Chl-c2 kõrglahutusega optiliste spektrite mõõtmine laserspektroskoopia meetodeid (spektraalsälkamine, selektiivne fluorestsents) kasutades. Lisandub veel andmate töötlemine ja magistritöö tasemel ka tulemuste modelleerimine. Sobib füüsika või bioloogia eriala tudengile, kes on huvitatud eksperimentaalsest uurimistööst ja vastava aparatuuri, samuti andmetöötluse meetodite tundmaõppimisest ja täiustamisest.

Structure and function of biological photosynthetic systems

Bachelor and/or Masters work.
Supervisers: Juha Linnanto (juha.matti.linnanto@ut.ee) and Arvi Freiberg  (arvi.freiberg@ut.ee)

The aim is to get acquainted with the modern quantum chemical methods and to learn how these methods can be applied for understanding photosynthetic processes. Calculations will give information on spectroscopic and energy transfer properties of photosynthetic pigment-protein complexes. Especially, the role and the nature of the lowest singlet excited states as well as charge transfer states in light-harvesting complexes will be studied. Such results are required for analyzing experimental data and for understanding the functions of photosynthetic pigment-protein complexes. The work is suitable for the students who are interested in modern computational (bio)physics and in theoretical modeling.

Lähiümbruse mõjust fotosünteetiliste antennide funktsioneerimisele

Bakalaureuse- või magistritöö
Juhendaja(d): Kõu Timpmann, Arvi Freiberg, kontaktinfo: kou@fi.tartu.ee, freiberg@fi.tartu.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- või magistritöö
Juhendaja(d): Kõu Timpmann, Arvi Freiberg, kontaktinfo: kou@fi.tartu.ee, freiberg@fi.tartu.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.

Spektroskoopia optiliste näpitsate süsteemis

Juhendaja(d): Kristjan Leiger, kontaktinfo: Kristjan.Leiger@ut.ee

Optilised näpitsad on huvitav ja küllaltki uudne tehnika, kus laseri poolt tekitatud valgusvälja rõhku kasutatakse erinevate mikroobjektide hoidmiseks ja manipuleerimiseks mikroskoobi all. Huvi pakuks aga ka võimalus mõõta selliselt hoitavate objektide spektreid, kuna objekt on nii hoituna küll fikseeritud, aga samas objekti jaoks neutraalsete lainepikkuste kasutamise korral (s.o. mida objekt ei neela) peaks väliskeskkonna mõju talle olema minimaalne, võrreldes teiste fikseerimismeetoditega. Optiliste näpitsate süsteem mikroskoobi Olympus IX-71 baasil on meie laboris praeguse seisuga suuresti välja töötatud, teatud ettevalmistusi on tehtud ka fluorestsentsi mõõtmise kanali lisamiseks sellele. Töö sisuks jääks selle kanali lõplik väljaehitamine ja sellel mõningate test- või ka teaduslikku huvi pakkuvate objektide spektrite mõõtmine. Töö võib sisaldada elemente insenerindusest, laboritehnikast, spektroskoopiliste andmete kogumisest ja nende töötlemisest. Sobib füüsika, keemia, bioloogia või materjalitehnoloogia eriala tudengitele.

Biomolekulide vastastikmõjude uurimine kõrgete rõhkude kasutamisega

Bakalaureusetöö füüsika, keemia, füüsika-keemia materjalitehnoloogia või bioloogia eriala tundengile.
Juhendaja(d): Liina Kangur, Arvi Freiberg, kontaktinfo: liina.kangur@ut.ee, 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 Mathcadi) 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

Juhendaja(d): Liina Kangur, Arvi Freiberg, kontaktinfo: liina.kangur@ut.ee, 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 (Try, Tyr ja Phe) eelistavad valgus koguneda piirkondadesse, mis ühtib lipiidmembraani javesikeskkonda eraldavate piirkihtidega. Eriti Try reageerib vägatundlikult valku ümbritseva keskonna omaduste (nt polaarsus) muutustele. Seepärast võib Try kiirgusspekri ja eluea muutuste kaudunt funktsioonina välisest rõhust saada väga kasulikku informatsiooni valgu konformatsiooniliste muutuste ja nende dünaamika kohta. Töö on jõukohane igale normaalselt edasijõudnud loodusteaduskonna tudengile. Töö teostamiseks vajalikud eriteadmised on kõik kohapeal omandatavad. Tõsisele huvilisele jätkub lahendamist vajavaid probleeme nii magistri- kui ka doktoritööks.

Internal structural dynamics of plant antenna complex LHC II

Bachelor- or master-work Contact: Jörg Pieper, jorg.pieper@ut.ee

The structure of biological macromolecules is well-adapted to their specific function. However, a number of functional processes also require internal structural flexibility provided by internal molecular motions on the picoseconds timescale. One example from photosynthesis is electron transfer in plant photosystem II, where a redistribution of charges during electron transfer involves conformational rearrangements of the protein environment. Subject of this work is a similar study on the plant light-harvesting complex LHC II investigating the influence of internal protein motions on the excitonic energy level structure. It requires analyses of inelastic neutron scattering and optical spectra of pigment-protein complexes and is well suited for a candidate with interest in biophysics, computation and theoretical modeling.

Functional relevance of hydration in photosystem II membrane stacks

Bachelor- or master-work Contact: Jörg Pieper, jorg.pieper@ut.ee

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

Bachelor- or master-work Contact: Jörg Pieper, jorg.pieper@ut.ee

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.