studijní program

Biofyzikální chemie

Fakulta: FCHZkratka: DPCP_BCHAk. rok: 2021/2022

Typ studijního programu: doktorský

Kód studijního programu: P0531D130045

Udělovaný akademický titul: Ph.D.

Jazyk výuky: čeština

Akreditace: 8.10.2019 - 8.10.2029

Forma studia

Prezenční studium

Standardní doba studia

4 roky

Garant programu

Oborová rada

Oblasti vzdělávání

Oblast Téma Podíl [%]
Chemie Bez tematického okruhu 100

Cíle studia

Hlavním cílem studia je výchova vysoce vzdělaných odborníků v oboru biofyzikální chemie, určených pro samostatnou tvůrčí, vědeckou a výzkumnou činnost. Cílem biofyzikální chemie jako vědního oboru je poskytovat fyzikálně-chemická a biochemická vysvětlení funkcí a fungování biologických systémů. Student je učen samostatně formulovat vědecký problém, navrhnout hypotézy a postupy k jeho řešení a provést experimentální či teoretické pokusy k jejímu potvrzení. Nedílnou součástí je výcvik schopnosti kritického posouzení publikovaných vědeckých informací a schopnosti vyjadřovat se písemně i slovně v anglickém odborném jazyce.
Studijní program je zaměřen na samostatnou tvůrčí činnost v oblasti biofyzikální chemie, zahrnuje jak teoretickou práci, tak práci experimentální a připravuje absolventy pro vědeckou a výzkumnou činnost. Stěžejní oblasti studia budou fyzikálně-chemické a biochemické základy biologických procesů a biomateriálů. Ty budou dále rozvíjeny podle volby tématu disertace v oblasti biokoloidní chemie, nanobiotechnologie, biofyzikálních instrumentálních technik, imunochemie, technologie biomateriálů. Předměty, aktivity teoretické a laboratorní si budou studenti zapisovat tak, aby splnily požadavky FCH VUT.
Zaměření doktorských studijních programů poskytuje absolventům získání teoretických poznatků a experimentální erudice v oborech základní a aplikované chemie (fyzikální chemie, chemie a technologie materiálů, makromolekulární chemie, potravinářská chemie a biotechnologie a chemie a technologie životního prostředí). Kvalifikační práce studentů jsou pak orientovány do oblastí, které jsou na fakultě řešeny akademickými a vědecko-výzkumnými pracovníky a to především s podporou výzkumných projektů. Fakulta disponuje moderním přístrojovým vybavením pořízeným mimo jiné v rámci rozvojových a dotačních projektů (např. projekt OP VaVpI Centrum materiálového výzkumu), jehož využívání je zajištěno klíčovými akademickými pracovníky jednotlivých ústavů. Tímto vytvořeny základní předpoklady pro odbornou činnost doktorandů.

Profil absolventa

Absolventem programu je odborník s vysokými kompetencemi, schopný podílet se na vysoce kvalifikované vědecko-výzkumné činnosti založené na fyzikálně-chemických a biochemických principech a postupech, a to zejména na vysokoškolských pracovištích, pracovištích Akademie věd, ve výzkumných ústavech ale i v průmyslovém výzkumu. Absolvent je schopen samostatné tvůrčí práce v oboru biofyzikální chemie. Absolventi se mohou vzhledem k širokému spektru využití biofyzikální chemie výborně uplatnit nejen v přímo oblastech biofyzikálně-chemického výzkumu, ale v dalších oborech z oblasti péče o zdraví nebo studia živých systémů. Vzhledem k povinné praxi v zahraničí a povinnosti prezentovat získané výsledky v zahraničních časopisech, se v těchto pozicích bez problémů uplatňují i v zahraničí.
Hlavním cílem studia je výchova vysoce vzdělaných odborníků v oboru biofyzikální chemie, s dostatečnou zahraniční zkušeností, určených pro samostatnou tvůrčí, vědeckou a výzkumnou činnost. Absolvent je schopen samostatně formulovat vědecký problém, navrhnout hypotézy a postupy k jeho řešení a provést experimentální či teoretické pokusy k jejímu potvrzení. Nedílnou součástí je výcvik schopnosti kritického posouzení publikovaných vědeckých informací, schopnosti vyjadřovat se písemně i slovně v anglickém odborném i běžném jazyce, pracovat v mezinárodním týmu.
Dle Evropského kvalifikačního rámce výstupy studia v doktorském studijním programu Biofyzikální chemie odpovídají nejvyšší úrovni – tedy úrovni EQF 8, což charakterizuje absolventy jako špičkově vzdělané jedince v oboru, případně v mezioborové problematice, ovládající specializované a vysoce pokročilé techniky, schopné samostatně řešit problémy, vykazovat autoritu, inovační potenciál a akademickou i odbornou integritu, vyvíjet nové postupy při práci v oboru, při studiu nebo ve výzkumu.

Charakteristika profesí

Hlavním cílem studia programu Biofyzikální chemie je výchova vysoce vzdělaných odborníků v oboru biofyzikální chemie, určených pro samostatnou tvůrčí, vědeckou a výzkumnou činnost. Cílem biofyzikální chemie jako vědního oboru je poskytovat fyzikálně-chemická a biochemická vysvětlení funkcí a fungování biologických systémů. Student je učen samostatně formulovat vědecký problém, navrhnout hypotézy a postupy k jeho řešení a provést experimentální či teoretické pokusy k jejímu potvrzení. Nedílnou součástí je výcvik schopnosti kritického posouzení publikovaných vědeckých informací a schopnosti vyjadřovat se písemně i slovně v anglickém odborném jazyce.
V rámci tohoto programu budou připravováni odborníci s vysokými kompetencemi, kteří se budou schopni podílet na vysoce kvalifikované vědecko-výzkumné činnosti založené na fyzikálně-chemických a biochemických principech a postupech, a to zejména na vysokoškolských pracovištích, pracovištích Akademie věd, ve výzkumných ústavech ale i v průmyslovém výzkumu. Absolvent je schopen samostatné tvůrčí práce v oboru biofyzikální chemie a má dostatečné zahraniční zkušenosti. Absolventi se mohou vzhledem k širokému spektru využití biofyzikální chemie výborně uplatnit nejen v přímo oblastech biofyzikálně-chemického výzkumu, ale v dalších oborech z oblasti péče o zdraví nebo studia živých systémů, v podmínkách České republiky i v mezinárodních týmech.
Absolventi doktorského studia mají předpoklady uplatnit se ve vědecko-výzkumných institucích aplikovaného i základního charakteru a to jak ve vědecko-pedagogických tak i řídících funkcích. Naleznou také uplatnění v průmyslové praxi na vysoce specializovaných technologických pozicích, získané znalosti a kompetence umožňují absolventům zastávat manažerské a řídící funkce. Ve všech oblastech se bez problémů uplatňují jak v ČR, tak v zahraničí.

Podmínky splnění

Studijní povinnosti jsou obecně stanoveny ve třetí části Studijního a zkušebního řádu VUT v Brně. Specifické studijní povinnosti jsou určeny individuálním studijním plánem.
Student zapsaný do studia na Fakultě chemické VUT si zapíše a vykoná zkoušky v jednom povinném a minimálně ve dvou povinně volitelných předmětech s ohledem na zaměření jeho disertační práce. Ke státní doktorské zkoušce se může student přihlásit až po vykonání všech zkoušek předepsaných jeho individuálním studijním plánem. Před státní doktorskou zkouškou student vypracuje pojednání k disertační práci, v níž detailně popíše cíle práce, důkladné zhodnocení stavu poznání v oblasti řešené disertace, případně charakteristiku metod, které hodlá při řešení uplatňovat. Obhajoba pojednání, které je oponováno, je součástí státní doktorské zkoušky. V další části zkoušky musí student prokázat hluboké teoretické znalosti v oboru. Státní doktorská zkouška probíhá ústní formou a je složena z tematických okruhů týkajících se povinného teoretického předmětu Biofyzikální chemie/Biophysical Chemistry a povinně volitelných předmětů.
K obhajobě disertační práce se student hlásí až po vykonání státní doktorské zkoušky a po splnění podmínek pro ukončení, jakými jsou účast na výuce, minimálně šesti měsíční studijní nebo pracovní stáž v zahraničí, alespoň jedna ústní prezentace práce v anglickém jazyce (konference, workshopy…) a splnění níže uvedených podmínek v oblasti tvůrčí činnosti.

Vytváření studijních plánů

Pravidla a podmínky vytváření individuálních studijních plánů a všechny studijní povinnosti jsou stanoveny Studijním a zkušebním řádem VUT, čl. 32 a blíže specifikovány odpovídající směrnicí fakulty. Při nástupu do studia je stanoveno obsahové zaměření studia a související tvůrčí činnosti, určeny minimálně tři studijní předměty, které je student povinen absolvovat (povinným předmětem pro všechny studenty je předmět Biofyzikální chemie/Biophysical Chemistry), související činnosti (zahraniční případně i domácí stáže, účast na konferencích) a pedagogická praxe. Zároveň je určen časový plán všech aktivit pro první ročník s výhledem na další roky studia. Plnění individuálního studijního plánu je každoročně vyhodnocováno a aktualizováno studentem a školitelem, následně je projednán oborovou radou, která jej schvaluje.
Během prvních pěti semestrů skládá doktorand zkoušky z jednoho povinného a dvou povinně volitelných předmětů a intenzivně se zabývá studiem a analýzou poznatků v oboru stanoveném tématem disertační práce a jejich publikováním. Do konce třetího roku studia skládá doktorand státní doktorskou zkoušku, jíž prokazuje široký rozhled a hluboké znalosti v oboru, souvisejícím s tématem disertační práce. Ve třetím a čtvrtém ročníku svého studia pokračuje doktorand ve výzkumné činnosti, publikuje dosažené cíle a zpracovává svoji disertační práci. Doktorandi ve čtvrtém roku studia předkládají do konce zimního zkouškového období svému školiteli rozpracovanou disertační práci. Hotovou disertační práci doktorand odevzdá do konce 4. ročníku studia. Součástí dizertační práce jsou výsledky publikované v mezinárodních impaktovaných časopisech, přičemž minimálně u jedné publikace je student prvním autorem.

Návaznost na další typy studijních programů

Program obecně navazuje na magisterské studijní programy v oblasti chemie, biochemie, biotechnologie, případně biologie nebo medicíny. Z hlediska programů realizovaných na Fakultě chemické program navazuje na magisterské studijní programy Chemie pro medicínské aplikace, Fyzikální a spotřební chemie a Potravinářská chemie a biotechnologie.

Vypsaná témata doktorského studijního programu

  1. Analýza DNA vazebných proteinů se zaměřením na jejich interakce s lokálními strukturami DNA

    Lokální struktury v DNA hrají důležitou úlohu v základních buněčných procesech jako je replikace a transkripce. V poslední době se ukazuje, že zejména přítomnost G-kvadruplexů v DNA je významná pro regulace v buňce, ale i při regulaci životního cyklu různých viru (HIV, HSV, EBV). Tyto lokální struktury jsou rozpoznávány celou řadou proteinů. V rámci této dizertační práce budou studovány interakce proteinů s lokálními strukturami DNA se zaměřením na křížové struktury a kvadruplexovou DNA. Budou využity fyzikální, biochemické a molekulárně biologické metody včetně isogenního kvasinkového systému pro studium rozpoznávání cílových strukturních motivů v promotorové oblasti genů. Pro studium lokalizace a interakcí v buněčných systémech budou také využity mikroskopické metody včetně konfokální mikroskopie. Předpokládá se spolupráce se zahraničním pracovištěm.

    Školitel: Brázda Václav, doc. Mgr., Ph.D.

  2. Aplikace vybraných komplexních mikrobiálních a rostlinných extraktů v potravinářství a kosmetice

    Zaměřením práce je příprava a charakterizace přírodních mikrobiálních, řasových a rostlinných extraktů se zaměřením na biologicky aktivní látky (vitaminy, provitaminy, antioxidanty, glukany). Cílem je posoudit komplexní účinek těchto extraktů a jejich směsí a možnosti aplikace do vhodných kosmetických, potravinářských a dalších přírodních produktů. Extrakty budou stabilizovány enkapsulací do různých typů organických mikro- a nanočástic a vláken. Charakterizace aplikačních forem bude provedena pomocí mikroskopických, chromatografických a rozptylových technik. Součástí práce je kromě vývoje metod analýzy složení extraktů také testování biologických účinků a bezpečnosti v souladu s aktuální legislativou doporučenou EFSA. Dlouhodobá stabilita extraktů bude sledována v modelových i v reálných potravinách a rovněž v modelových fyziologických podmínkách, v buněčných kulturách i v kontaktu s lidským organismem.

    Školitel: Márová Ivana, prof. RNDr., CSc.

  3. Biofyzikální charakterizace polyhydroxyalkanonátů in-vivo a ex-vivo

    Disertační práce se bude věnovat fyzikálně chemická analýze vlastností bakteriálních polyesterů polyhydroxyalkanotů (PHA) a to jednak v jejich nativní formě jako PHA granulí v bakteriálních buňkách (in-vivo), ale zároveň se práce bude věnovat fyzikálně chemické a biologické charakterizaci materiálů po isolaci z bakteriální biomasy (ex-vivo). Cílem práce je porozumět unikátním vlastnostem těchto materiálů v kontextu jejich biologických funkcí a zároveň navrhnout a prostudovat možné využití PHA v pokročilých materiálových aplikacích (transportní systémy, medicínské aplikace atd.).

    Školitel: Obruča Stanislav, doc. Ing., Ph.D.

  4. Bioinformatická a biofyzikální charakterizace lokálních struktur z genomových sekvencích nukleových kyselin

    Současné bioinformatické přístupy umožňují efektivní analýzu nukleových kyselin pro studium přítomnosti lokálních struktur v kompletních genomech. Zejména přítomnost inverzních repetic a sekvencí tvořících G-kvadruplexy se ukazuje jako důležitý regulační aspekt v základních biologických procesech včetně regulace transkripce. V rámci tohot tématu budou využity bioinformatické přístupy k nalezení sekvencí nutných k tvorbě těchto lokálních struktur a tyto sekvence budou dále charakterizovány pomocí biofyzikálních metod, zda a za jakých podmínek se v nich vytváří lokální struktury. Pomocí CD spektroskopie, fluorescenčních a mikroskopických metod bude studováno formátování, stabilita a lokalizace těchto struktur. Předpokládá se spolupráce se zahraničním pracovištěm.

    Školitel: Brázda Václav, doc. Mgr., Ph.D.

  5. Fluorescenční spektroskopie ve studiu vlastností asociativních koloidních systémů

    Tato práce je zaměřená na využití stacionárních, časově rozlišených a mikroskopických fluorescenčních technik ve výzkumu fyzikálních vlastností asociativních koloidů. Takto získané informace budou korelovány s technologickými parametry asociativních koloidů, jako jsou solubilizace a solubilizační kapacita, stabilita, distribuce velikostí apod. V rámci studia budou získány nejen dovednosti v různých technikách fluorescenční spektroskopie, ale i v komparativních technikách jako jsou například techniky rozptylu světla.

    Školitel: Mravec Filip, doc. Ing., Ph.D.

  6. Fyzikálně-chemický příspěvek k otázkám půdní organické hmoty

    Půdní organická hmota, úžeji huminové látky, je již několik staletí předmětem výzkumu. Přesto nejsou stále rozřešeny otázky jejího vzniku či charakteru. Původní polymerní teorie se v posledních ca dvou dekádách zdá být nahrazována supramolekulárními pohledy, v poslední době bují názory o neexistenci huminových látek, tvrdící, že půdní organická hmota je tvořena jen produkty různého stupně rozkladu odumírající původní rostlinné či živočišné hmoty. Dále může obsahovat produkty metabolismu půdních mikroorganismů. Po doplňující, ale hloubkové rešerši se disertace zaměří na jedno nebo obě následující dílčí témata. 1) Termodynamika a kinetika půdních metabolických reakcí se zvláštním zřetelem na syntézu polyketidů a jejich možné začlenění do základní strukturní jednotky půdní organické hmoty. 2) Koloidní struktury v půdním roztoku nebo ve vodných výluzích půdy, jejich velikost, stabilita, difúzní chování, agregátní charakter, chemické složení. Právě hydrokoloidy a ve vodě rozpustné látky budou klíčové pro příjem rostlinami a jejich vývoj a růst. Výsledky budou hodnoceny právě také ve světle současné diskuse o původu, charakteru a stabilitě půdní organické hmoty.

    Školitel: Pekař Miloslav, prof. Ing., CSc.

  7. Hydrogely pro medicínské aplikace – reologie, difúze a racionalizace návrhu

    Hydrogely představují velmi užitečný materiál pro biomedicínské aplikace – např. jako nosič léčiv nebo model extracelulární matrice či prostředek pro tkáňové inženýrství. Jejich navrhování pro tyto účely je však z velké části stále otázkou pokusu a omylu, nejsou nějaká racionální pravidla jejich návrhu pro určitou aplikaci. Disertace bude představovat jeden krok v tomto směru. Zaměří se na reologické a transportní vlastnosti hydrogelů a tvorbu pravidel pro cílené řízení jejich návrhu a přípravy hydrogelu pro danou aplikaci. Východiskem bude dostatečně podrobná rešerše zaměřená na publikované způsoby přípravy hydrogelů pro medicínské účely spolu s daty o jejich reologických a transportních vlastnostech. Po meta-analýze publikovaných dat bude formulován alespoň nástřel hledaných pravidel a navrženy a poté realizovány experimenty směřující k jejich dotvoření a ověření. V experimentech budou srovnávány různé hydrogelové matrice s tímtéž léčivem nebo modelovou molekulou, zejména z hlediska reologických a transportních vlastností, včetně uvolňovacích profilů a jejich matematického modelování. Podle možností externí spolupráce budou prováděny uvolňovací studie in vivo. Získané poznatky budou shrnuty do zmíněných pravidel.

    Školitel: Pekař Miloslav, prof. Ing., CSc.

  8. Mobilita a reaktivita farmak v půdních ekosystémech

    Studium interakcí hormonů a léčiv s půdní organickou hmotou, stability vzniklých komplexů. Sudium transportu hormonů a léčiv v modelových a reálných půdních systémech. Studium vztahů mezi reaktivitou, mobilitou a bio-dostupností farmak.

    Školitel: Klučáková Martina, prof. Ing., Ph.D.

  9. Modelování transportu v biologickém prostředí

    Vývoj nejrůznějších nosičů léčiv zažívá velký rozmach. Zatímco je hlavní pozornost věnována chemické, biochemické či fyziologické stránce, pohyb nosičového systému v lidském těle na místo určení bývá studován mnohem méně. Doprava léčiva až na místo určení, kde se mají projevit jeho chemické účinky, je však pro jeho účinnost zásadní. Téma disertace je věnováno matematickému modelování takového transportu, opřenému o data publikovaná v literatuře nebo získaná na školicím pracovišti. Obsahem disertace bude modelování difúze nano a mikročástic v modelovém biologickém prostředí, zejména hydrogelu nebo podobném modelu extracelulární matrice, případně i přes buněčnou membránu. K modelování bude využíván programový balík COMSOL. Součástí řešení bude vytváření realistických struktur prostředí a modelová podpora mikroreologických experimentů nebo měření s pomocí fluorescenční korelační spektroskopie, prováděných na školicím pracovišti. Cílem je získat zpětnou vazbu pro návrh nosičových systémů.

    Školitel: Pekař Miloslav, prof. Ing., CSc.

  10. Příprava a charakterizace vodivých hydrogelů na bázi polyhydroxyalkanoátů

    Práce je zaměřena na přípravu vodivých hydrogelů na bázi polyhydroxyalkanoátů (PHA). Vodivé hydrogely mají velký potenciál hlavně v elektronice, biomedicíně a tkáňovém inženýrství. PHA jsou biodegradabilní a biokompatibilní biopolymery. Cílem bude vývoj metody syntézy PHA s nízkou molekulovou hmotností, které by byly přístupné modifikaci funkčních skupin. Pro přípravu nízkomolekulárních PHA budou sledovány dvě metodiky: 1) biosyntéza nízkomolekulárních mcl- PHA a 2) snížení molekulové hmotnosti chemickou syntézou. Z modifikovaných PHA budou dále syntetizovány hydrogely. Hydrogely budou charakterizovány z hlediska jejich schopnosti absorpční a desorpce vody jako i postupného uvolňování léčiv. Kromě termálních, reologických, mechanických a elektrických vlastností se bude zkoumat jejich toxicita a rozsah možné biodegradace.

    Školitel: Kovalčík Adriána, doc. Ing., Ph.D.

  11. Studium vlivu plazmatem aktivované vody na organické složky půd

    V posledních letech se do popředí zájmu zemědělské praxe dostávají environmentálně přijatelné metody a prostředky hospodaření. Jednou z cest je i využití plazmatem aktivované vody. Ve vodě vystavené plazmatu jsou totiž přítomny v závislosti na podmínkách přípravy nejen oxidativní částice (zejména peroxid vodíku), ale i částice vykazující antibakteriální a fungicidní účinky (kromě peroxidu vodíku zejména peroxynitril). Navíc lze ve vodě generovat i dusičnany a dusitany, které mohou být jako hnojivo aplikované formou postřiku na listy. Část aplikovaného postřiku však vždy končí v půdě, a dosud není jasné, do jaké míry dochází vlivem této aplikace ke změnám půdních vlastností, zejména pak ke změnám ve složení a chování organické půdní hmoty. Práce bude zaměřena na detailní studium vlivu plazmatem aktivované vody na různé půdy se zaměřením na půdní organické látky a mikroorganismy. Ke studiu bude využito dostupných technik jak na pracovišti, tak v rámci spolupráce v Akci COST CA19110 na dalších evropských pracovištích. Práce bude průběžně konzultována s pedology z Mendelovy univerzity v Brně.

    Školitel: Krčma František, prof. RNDr., Ph.D.

Struktura předmětů s uvedením ECTS kreditů (studijní plán)

1. ročník, celoroční semestr
ZkratkaNázevJ.Kr.Pov.Uk.Hod. rozsahSk.Ot.
DC_BFCHBiofyzikální chemiecs0Povinnýkolano
DC_BCHBMBiofyzikální chemie a biochemie mikroorganismůcs0Povinně volitelnýkolano
DC_BIOBioinženýrstvícs0Povinně volitelnýkolano
DC_F3DFotochemie a 3D tiskcs0Povinně volitelnýkolano
DC_ICHPImunochemie pro pokročilé cs0Povinně volitelnýkolano
DC_MTMateriálové technologie pro biofyzikální a medicínské aplikacecs0Povinně volitelnýkolano
DC_BCHPokročilá biochemiecs0Povinně volitelnýkolano
DC_KPDPokročilá koloidní chemiecs0Povinně volitelnýkolano
DC_PFTPokročilé fluorescenční technikycs0Povinně volitelnýkolano
DC_PTTPokročilé techniky termické analýzycs0Povinně volitelnýkolano
DC_SMBSpeciální molekulární biotechnologiecs0Povinně volitelnýkolano
DC_STISpeciální techniky instrumentální analýzycs0Povinně volitelnýkolano
Všechny skupiny volitelných předmětů
Sk. Min. předmětů Předměty
1 2