Tematy badawcze finansowane w ramach KNOW

» prof. dr hab. Małgorzata Barańska
Chemia biomedyczna: Spektroskopowe i stereochemiczne badania peptydów i układów modelowych

W ramach projektu zostanie stworzony warsztat pracy mający na celu prowadzenie badań spektroskopowych peptydów i ich układów modelowych.
W pierwszej fazie będą badane wybrane związki w postaci wyizolowanej, a następnie w próbkach biologicznych. Zbudowana zostanie baza widm oscylacyjnych z pełną ich interpretacją, uwzględniającą aktywność optyczną tych związków oraz informacje na temat struktury II-rzędowej. W drugiej części, badany będzie wpływ otoczenia/matrycy na strukturę i konformację białek. W oparciu o tę wiedzę będą prowadzone dalsze badania nad oddziaływaniem białek z wybranymi lekami. Uzyskane wyniki mogą mieć znaczenie w kontekście diagnostyki medycznej.

» prof. dr Tadeusz Holak
Projektowanie i testowanie niskocząsteczkowych inhibitorów oddziaływań białko-białko o potencjale przeciwnowotworowym

Celem pracy badawczej będzie testowanie niskocząsteczkowych inhibitorów oddziaływań białko-białko z potencjałem do wykorzystania w nowoczenych terapiach przeciwnowotworowych. W trakcie trwania projektu inhibitory testowane będą z wykorzystaniem metod biochemicznych oraz hodowli komórkowych, a uzyskane wyniki posłużą do dalszej optymalizacji związków. Spośród testowanych w Zespole układów biologicznych projekt skupiał się będzie w głównej mierze na analizie białek CD44 oraz Mdm2/p53.

» prof. dr hab. Jacek Korchowiec
Modelowanie molekularne wybranych układów o znaczeniu biomedycznym

Projekt ma na celu badanie podstawowych procesów fizykochemicznych, zachodzących w cienkim filmie organicznym, utworzonym na granicy faz roztwór wodny-powietrze. Przedmiotem badań projektu będą układy o znaczeniu biomedycznym. Do opisu struktury i dynamiki warstw lipidowych, złożonych z fosfolipidów, zastosowane zostaną najnowocześniejsze metody chemii obliczeniowej. Etap wstępny prowadzonych badań obejmie testowanie istniejących pól siłowych (CHARMM, OPLS, Slipids, etc.) pod kątem ich przydatności do reprodukcji danych eksperymentalnych (izotermy ciśnienia powierzchniowego).  W zależności od potrzeb, metody obliczeniowe chemii kwantowej zostaną wykorzystana do reparametryzacji pól siłowych. W kolejnym etapie projektu, wybrane układy modelowe zostaną poddane systematycznym badaniom. Badania te będą prowadzone w ścisłym współdziałaniu z grupą eksperymentalną. Celem prowadzonych badań jest uzyskanie wiedzy na poziomie molekularnym o procesach zachodzących w monowarstwie lipidowej na granicy faz woda-powietrze. W ramach projektu planujemy opracowanie spójnej metodologii, prowadzącej do sprzężenia zwrotnego pomiędzy obliczeniami teoretycznymi a technikami eksperymentalnymi.
Od kandydata pragnącego prowadzić badania w ramach tego projektu oczekiwana jest znajomość metod chemii obliczeniowej, szczególnie tych,  wywodzących się z chemii kwantowej i termodynamiki statystycznej.

» prof. dr hab. Artur Michalak
Modelowanie teoretyczne struktury elektronowej i własności układów polimerowych do zastosowań w charakterze membran w ogniwach paliwowych

Przedmiotem badań w ramach proponowanego projektu będzie kwantowo-chemiczne modelowanie materiałów polimerowych do potencjalnych zastosowań w charakterze mambran w ogniwach paliwowych lub innych urządzeniach elektrochemicznych. Planowane badania teoretyczne będą dotyczyć opisu geometrii oraz struktury elektronowej łańcuchów makromolekuł oraz ich oddziaływań z przeciwjonami, a także mechanizmu przewodnictwa jonów w badanych układach. W proponowanych badaniach zastosowane będą nowoczesne metody obliczeniowej chemii kwantowej, w standardowym podejściu statycznym oraz metody dynamiki molekularnej. Analiza wiązań przeprowadzona zostanie w oparciu o różne metody teoretyczne; w szczególności zastosowana będzie analiza orbitali naturalnych dla wartościowości chemicznej (metoda ETS-NOCV), rozwijana w grupie krakowskiej; podejście to nawiązuje bezpośrednio do modelu donacji/donacji zwrotnej Dewara-Chatta-Duncansona. Od kandydata pragnącego prowadzić badania w ramach tego projektu oczekiwana jest dobra znajomość metod chemii obliczeniowych chemii kwantowej, w szczególności DFT i dynamiki molekularnej.

» prof. dr hab. Maria Nowakowska
Biokompatybilne hydrożele polimerowe – otrzymywanie, właściwości fizykochemiczne i strukturalne

Celem projektu jest otrzymanie biokompatybilnych  hydrożeli, potencjalnie przydatnych do sporządzenia  warstw ochronnych powierzchni metalicznych, ceramicznych oraz polimerowych.  Hydrożele otrzymane zostaną na bazie polimerów pochodzenia naturalnego,  głównie chitozanu, alginianu, karragenianu, hydroksypropylocelulozy i kolagenu.  Określona zostanie możliwość uzyskania  stabilnych hydrożeli zawierających dodatek wybranych polimerów syntetycznych, a także celowo dobranych związków niskocząsteczkowych.   Otrzymane zostaną układy sieciowane fizycznie i chemicznie.  Określone zostaną ich właściwości fizykochemiczne i strukturalne.  Zbadany zostanie  wpływ parametrów takich jak pH, siła jonowa  i temperatura  na strukturę, adhezję, właściwości wiskoelastyczne oraz mechaniczne  filmów otrzymanych z zsyntetyzowanych hydrożeli.    Przeprowadzone zostaną badania biologiczne celem potwierdzenia biozgodności otrzymanych materiałów.  Badania prowadzone będą na Wydziale Chemii i na Wydziale Biochemii, Biofizyki i Biotechnologii w ramach istniejącej współpracy naukowej.

» dr hab. Robert Podgajny
Projektowanie i synteza nanomagnetyków molekularnych na bazie dyskretnych kompleksów wielometalicznych

Planowane badania lokują się w dziedzinie magnetycznych wielofunkcyjnych materiałów molekularnych. Prace badawcze będą polegały planowaniu i syntezie układów wielordzeniowych trzeciej generacji, w oparciu o znane, jak również i potencjalnie możliwe do uzyskania wielordzeniowe klastry koordynacyjne drugiej generacji z mostkami molekularnymi. Wyjściowe cząsteczki drugiej generacji charakteryzują się wstępną organizacją przestrzenną reaktywnych centrów jonów d, jak również różnorodnym rozkładem gęstości spinowej, od cząsteczek diamagnetycznych do cząsteczek wysokospinowych ze szczególnym uwzględnieniem układów z powolną relaksacją magnetyczną i zachowania typu pojedynczych cząsteczek magnetycznych (SMMs). Umożliwiają również ukierunkowane lokowanie dodatkowych funkcjonalności (np. labilność strukturalna, chiralność, luminescencja) i ich sprzęganie z właściwościami magnetycznymi.

» prof. dr hab. Zbigniew Sojka
Nanostrukturalne katalizatory tlenkowe o regulowanych właściwościach redoksowych

Nanostrukturalne materiały tlenkowe o kontrolowanym składzie i morfologii oraz przestrajalnych właściwościach redoksowych są obecnie przedmiotem szerokiego zainteresowania zarówno w kontekście badań podstawowych, jak i aplikacyjnych. Dzięki swoim unikalnym właściwościom, odgrywają one ogromną rolę jako interesujące układy modelowe oraz znajdują liczne zastosowania praktyczne w wielu obszarach zaawansowanych technologii i katalizy heterogenicznej. W ramach niniejszego projektu planowana jest synteza wybranych tlenkowych nanomateriałów katalitycznych o dobrze zdefiniowanej morfologii i przestrajalnych właściwościach redoksowych, ich charakterystyka fizykochemiczna oraz zbadanie aktywności katalitycznej w reakcjach deN2O i deCH4
Zespół dysponuje aparaturą do syntezy hydrotermalnej, charakterystyki strukturalnej i spektroskopowej (XRD, RS, IR, UV-vis), mikroskopem elektronowym HRTEM z filtrem energii (Osiris FEI), oraz aparaturą katalityczną do pracy w trybie przepływowym i impulsowym.

» prof. dr hab. Grażyna Stochel
Mechanizmy aktywności biologicznej nanocząstek metali i ich związków

Unikatowe właściwości optyczne, katalityczne czy biologiczne nanocząstek metali oraz ich związków sprawiają, iż w ostatnich latach cieszą się ogromnym zainteresowaniem wielu grup badawczych. Z uwagi na dynamiczny rozwój technologii projektowania nanocząstek oraz coraz szersze ich zastosowanie komercyjne przy braku kontroli uwalniania ich do środowiska jako produktów ubocznych rozmaitych procesów przemysłowych, istnieje rosnące ryzyko ich negatywnego oddziaływania na organizmy żywe. Występujące najczęściej inhalacyjne narażenie na nanocząstki prowadzi do ich deponowania w drogach oddechowych a kolejno do oddziaływania z tkankami. Wnikanie nanocząstek do komórek może prowadzić do indukcji stresu oksydacyjnego, zaburzeń procesów metabolicznych jak i cyklu komórkowego, prowadząc w konsekwencji do śmierci komórkowej. Istnieje wiele badań dotyczących toksyczności nanocząstek metali i ich związków, jednak szczegółowe mechanizmy aktywności biologicznej nadal pozostają niewyjaśnione. W ramach projektu prowadzone będą badania aktywności biologicznej nanocząstek in vitro na wybranych modelowych liniach komórkowych skorelowane z ich wnikliwą charakterystyką fizykochemiczną, co pozwoli na bliższe poznanie mechanizmu aktywności nanocząstek metali i ich tlenków czy siarczków. Wyniki tych badań przyniosą nowe informacje niezbędne do świadomej ochrony organizmu przed negatywnymi skutkami działania nanocząstek oraz racjonalnego projektowania bardziej zaawansowanych nanomateriałów o pożądanych właściwościach chemicznych czy biologicznych.

» dr hab. Grzegorz Sulka
Elektrochemiczne osadzanie funkcjonalnych nanodrutów półprzewodnikowych

Głównym celem projektu jest wytworzenie i charakterystyka domieszkowanych nanodrutów półprzewodnikowych (np. domieszkowy InSb) w formie dwuwymiarowej szczotki nanodrutów otrzymanej na drodze elektrochemicznego osadzania w porowate matryce z anodowego tlenku glinu. Metoda syntezy pozwala precyzyjnie kontrolować nie tylko średnicę nanodrutów, ale także skład chemiczny nanodrutów i ich strukturę. Co więcej, pozwala w krótkim czasie i przy niskich kosztach wytwarzać duże ilości nanodrutów o stosunkowo wysokiej jakości z roztworów wodnych. Kinetyka elektrochemicznego osadzania badana będzie po to aby wyznaczyć optymalny skład elektrolitu i warunki prowadzenia syntezy (np. temperatura, potencjały osadzania poszczególnych składników, stężenie domieszkowanych jonów). W szczególności potencjał elektroosadzania dobrany zostanie na podstawie woltamperometrii liniowej, a parametry kinetyczne zostaną wyznaczone w układzie wirującej elektrody dyskowej. Optymalne warunki elektroosadzania skorelowane zostaną z charakterystyką strukturalną otrzymanych nanodrutów.

» prof. dr hab. Marek Wójcik
Spektroskopia wiązania wodorowego

Temat ten obejmuje badania teoretyczne widm oscylacyjnych układów z wiązaniami wodorowymi oraz teoretyczne badania wielowymiarowego tunelowania protonu. Badania wymagać będą zaawansowanych obliczeń kwantowo-mechanicznych geometrii, harmonicznych i anharmonicznych częstości drgań oraz wielowymiarowych powierzchni energii potencjalnej w podstawowych i wzbudzonych stanach elektronowych. Rozwijane będą modele kwantowe opisujące oddziaływania w wiązaniach wodorowych - sprzężenie drgań o wysokiej i niskiej częstości, oddziaływania Davydova i rezonanse Fermiego oraz uwzględnione będą anharmonizmy - mechaniczny i elektryczny. Modele te stosowane będą do symulacji teoretycznych widm oscylacyjnych wiązań wodorowych oraz wyjaśnienie efektów deuteracji i temperatury na widma. Badania teoretyczne wielowymiarowego tunelowania protonu mają na celu zbadanie rozszczepień poziomów oscylacyjnych związanych z tunelowaniem i wpływu wzbudzeń modow niskoczęstościowych na rozszczepienia.

The research financed within KNOW framework

» prof. dr hab. Małgorzata Barańska
Biomedical chemistry: Spectroscopic and stereochemical study of peptides and model systems

Within the project, the workshop will be designed for studying and conducting a spectroscopic research on peptides and their model systems.
In the first phase, the selected compounds will be test in the isolated form and in biological samples. A vibrational spectra database will be built with a full interpretation, taking into account also the optical activity of these compounds as well as information about the secondary structure. In the second part, the influence of the matrix on the structure and conformation of proteins will be investigated. On the basis of this knowledge it will be carried out further research on protein interactions with selected drugs. The obtained results could have implications in the context of medical diagnosis.

» prof. dr Tadeusz Holak
The design and testing of small molecule inhibitors of protein-protein interactions for anti-cancer therapies

The project will aim at the testing of small molecule inhibitors of protein-protein interactions with the potential use in modern anticancer therapy approaches. The inhibitors will be tested with the use of biochemical and cell culture-based methods and the results will help to further optimize the compounds. The project will mostly focus on the analysis of CD44 and Mdm2/p53 proteins.

» prof. dr hab. Jacek Korchowiec
Molecular Modeling of selected systems of biomedical importance

The project aims at investigation of fundamental physico-chemical processes occuring at aqueous-air interfaces in the presence of organic surfactant layers, in particular those relevant to human health. State-of-the-art methods of computational chemistry will be used to study structural and dynamical properties of lipid films comprised of different components (phospholipids, etc.). The initial stages of the project will involve testing of the currently available force fields (CHARMM, OPLS, Slipids, etc.) with regard to their ability to reproduce the experimental data, including the surface pressure-area isotherms of the Langmuir monolayers. If needed, quantum chemical calculations will be employed to reparametrize the force fields.  In the next stage of the project, the selected model systems will be systematically tested.  These investigations will be carried out in close collaboration with experimental group. The goal of this research project is to obtain molecular-level knowledge of processes occurring at the water-lipid-air interfaces. In the project we plan to develop a consistent methodology, leading to a feedback between theoretical calculations and experimental techniques.

» prof. dr hab. Artur Michalak
Theoretical Modeling of the Electronic Structure and Properties of Polymeric Membranes for Fuel-Cell Applications

Research within the project will be focused on the quantum-chemical modeling of the polymeric materials for possible applications as membanes in fuel-cells or other electrochemical devices. The theoretical studies will be focused on the geometry and electronic structure of macromolecular chains and their interactions with ions, as well as  on the mechanism of the ion conductivity.  In the proposed research, state-of-the art methods of computational chemistry will be used in a standard, static approach as well as in the molecular dynamics.  Analysis of bonding will be performed with different theoretical methods; in particular, the analysis based on natural orbitals for chemical valence within the ETS-NOCV method, developed in the Kraków group, will be applied; this approach directly provides a Dewar-Chatt-Duncanson-picture of donation / back-bonding. A candidate for this position should have a good knowledge in theoretical chemistry as well as research experience with computational chemistry methods, in particular DFT and molecular dynamics.

» prof. dr hab. Maria Nowakowska
Biocompatible polymeric hydrogels – synthesis, physicochemical and structural properties

The project aims on the synthesis of  biocompatible hydrogels, potentially useful for preparation of  protective layers on surfaces of metals, ceramics or  plastics.   Physical and chemical hydrogels will be formed using polymers of natural origin such as chitosan, alginate,  carrageenans, hydroxypropylcellulose and collagen.   Hydrogels modified with synthetic polymers and properly chosen low-molecular-weight compounds will be also prepared and tested.       Physicochemical and structural properties of these systems will be determined.   The effect of temperature, pH and ionic strength on the structure, adhesion, viscoelastic and mechanical properties of the films obtained from these hydrogels will be determined.    Biological studies will be carried out to determine the biocompatibility of the obtained materials. The studies will be carried out at the Faculty of Chemistry and Faculty of Biochemistry, Biophysics and Biotechnology within the existing collaboration.

» dr hab.Robert Podgajny
Design and synthesis of nanosized molecular magnets on the base of discrete multimetallic complexes

The planned research are located in the field of multifunctional magnetic molecular materials. The laboratory works will consist in the design and synthesis of the third generation polynuclear molecular systems, basing on known as well as potentially accessible second generation coordination clusters with molecular bridges. The primary second generation clusters provide the specific spatial preorganization of the reactive d metallic centres and diverse distribution of spin density, starting from the whole diamagnetic nanosized clusters and finishing with the high-spin molecules with single molecule magnet(SMM) behaviour. They also enable embedding of additional functionality (structural lability, chirality, luminescence) and their coupling with magnetic properties.

» prof. dr hab. Zbigniew Sojka
Nanostructured oxide catalysts with tunable redox properties

Nanostructured oxide materials with controlled composition, morphology and tunable redox properties are currently the subject of widespread interest in the context of both fundamental studies and applications. Owing to their unique properties, they play a vital role as interesting model systems with numerous practical applications in many areas of advanced technologies and heterogeneous catalysis. This project includes synthesis of oxide catalytic nanomaterials with well-defined morphology and tunable redox properties, their physico-chemical characterization, and catalytic studies of deN2O and deCH4 reactions.
Our group is well equipped with instrumentation for hydrothermal synthesis, structural and spectroscopic characterization (XRD, RS, IR, UV-vis), transmission electron microscope with energy filter (FEI Osiris), and catalytic test unit for continuous flow and pulse investigations.

» prof. dr hab. Grażyna Stochel
The biological activity mechanisms of metal nanoparticles and their compounds

The unique optical, catalytic or biological properties of nanoparticles of metals or their compounds have attracted in recent years a great interest of many research groups. Due to the dynamic development of nanotechnology, wide commercial application of nanomaterials and the lack of control over their release into the environment as by-products of various industrial processes, there is an increasing risk of adverse impact on living organisms. The most common inhalation exposure to nanoparticles results in their deposition in the airways and further interaction with tissues. The uptake of nanoparticles into cells may induce the oxidative stress, cellular metabolic disorders or the cell cycle arrest, leading in consequence to cell death. There are many studies concerning the toxicity of nanoparticles of metals and their compounds, but the specific mechanisms of biological activity remain unexplained. This project will focus on biological activities of nanoparticles in vitro on selected model cell lines correlated with the insightful physicochemical characterization, which will allow for the better understanding of metals and their oxides/sulphides nanoparticles biological activity mechanisms. The results of this study will bring new information necessary for conscious protection against the harmful effects of nanoparticles and the rational design of advanced and sophisticated nanomaterials with desired properties, chemical or biological.

» dr hab. Grzegorz Sulka
Electrochemical deposition of functional semiconductor nanowires

The main objective of this project is to manufacture and characterize doped semiconductor nanowires (e.g., doped InSb) arranged into two-dimensional nanowire arrays obtained by electrochemical deposition in porous anodic aluminum oxide (AAO) templates. The method of synthesis allows to precisely control not only the diameter of nanowires, but also the nanowire composition and their structure. Moreover, the method opens up the possibility of generating large amount of relatively high quality nanowires from aqueous solutions in a short time and at low-cost. Kinetics of the electrochemical deposition will be investigated in order to determine the optimal composition of the electrolyte and the synthesis parameters (e.g., temperature, deposition potentials of the individual components, and dopant concentration in the electrolyte). In particular, the potentials of electrodeposition will be selected on the basis of linear sweep voltammograms, whereas kinetic parameters will be determined by using a rotating disc electrode system. The optimized operation conditions of electrodeposition will be correlated with the structural characterization of obtained nanowires.

» prof. dr hab. Marek Wójcik
Spectroscopy of hydrogen bond

This project comprises theoretical studies of vibrational spectra of hydrogen-bonded systems and theoretical studies of multidimensional proton tunneling. The studies require advanced quantum-mechanical calculations of geometry, harmonic and anharmonic vibrational frequencies in the ground and excited electronic states. Development is projected of quantum models describing interactions in hydrogen bonds - coupling of vibrations of high and low frequencies, Davydov interactions and Fermi resonances. Anharmonicities will be considered - mechanical and electrical. These models will be used for theoretical simulations of vibrational spectra of hydrogen bonds and for explanation of effects of deuteration and temperature on the spectra. Theoretical studies of multidimensional proton tunneling are aimed at investigation of vibrational splittings accompanying tunneling and influence of excitations of low-frequency modes on the splittings.