Projekti / Programi
Razvoj novih računskih orodij na PDB ravni za odkrivanje zdravil
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.07.00 |
Naravoslovje |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P000 |
Naravoslovno-matematične vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.01 |
Naravoslovne vede |
Matematika |
molekularno modeliranje, algoritmi, simulacije, teorija grafov, proteinska vezavna mesta, farmacevtsko zanimive molekule, odkrivanje zdravil
Raziskovalci (11)
Organizacije (1)
Povzetek
Računsko intenzivne metode in aplikacije je izjemno propulzivno znanstveno področje, na katerem z uporabo superračunalnikov in računalniških gruč rešujemo najzahtevnejše računske probleme pri teoretskih in aplikativnih raziskavah v naravoslovnih in tehničnih znanostih. Ukvarjamo se z reševanjem vrste problemov, kot so npr. struktura in dinamika molekul, snov v gmoti, kemijske in biokemijske reakcije ter razvoj novih zdravil. Razvoj novih računskih metod je tesno povezan tako z razvojem novih algoritmov kot z razvojem najmodernejših računalnikov.
Predlagani projekt sodi v prvo ligo današnjih raziskovalnih trendov na področju molekularnega modeliranja. Osredotočen je na najbolj obetavne raziskovalne smeri razvoja in uporabe računalniških algoritmov za simulacije kompleksnih makromolekularnih sistemov. Trenutno stanje na področju in zgodovinsko pomembni prispevki so zgoščeno orisani, navedeni so naši glavni raziskovalni cilji, ki so osnovani na preteklih rezultatih in prispevkih sodelavcev projekta. Ti cilji vsebujejo študij pomembnih problemov s področja molekularnega modeliranja, kot so, razvoj novih metod in povečanje natančnosti in učinkovitosti obstoječih algoritmov za računalniško modeliranje makromolekularnih sistemov, predvsem farmacevtsko zanimivih molekul, ki so podlaga za razvoj novih zdravil.
Uporabljali in razvijali bomo metode molekularnega modeliranja, še posebej simulacije molekulske dinamike in kemijske teorije grafov, veje matematične kemije, ki se ukvarja z diskretnimi strukturami v kemiji. Predvsem nameravamo: učinkovito reševati klasične in kvantne enačbe gibanja s pomočjo novo razvitih simplektičnih algoritmov, ki temeljijo na analitični obravnavi visokofrekvenčnih gibanj. Poseben poudarek pa bomo namenili razvoju novih algoritmov za napovedovanje proteinskih vezavnih mest in razvoju spletnih orodij za modeliranje farmacevtsko zanimivih molekul.
Predlagane metodološke izboljšave bodo omogočile povečanje zmogljivosti obstoječih algoritmov tako glede velikostne kot časovne skale in s tem prispevale k boljšemu razumevanju povezave med makroskopskimi lastnostmi snovi in lastnostmi molekul, ki jih sestavljajo. Uporabnost novo razvitih metod in pristopov bomo pokazali na nekaterih biološko zanimivih primerih, predvsem pri napovedovanju proteinskih vezavnih mest ter odkrivanju in načrtovanju novih zdravil.
Navkljub potencialu za konkretno uporabo naših rezultatov v različnih vejah tehnologije in industrije, pa osrednji del naših raziskav predstavlja razvoj novih matematičnih metod in algoritmov na področju molekularnega modeliranja, in kot tak predstavlja trajen prispevek v svetovno zakladnico znanja.
Projekt vključuje sodelovanje vrste raziskovalcev z odličnimi znanstvenimi referencami, ki smo trenutno aktivni na tem področju v Sloveniji, kar zagotavlja potek raziskovalnega dela na najvišji možni ravni. Ob tem pa načrtujemo tudi sodelovanje s tujimi raziskovalnimi ustanovami, iz Avstrije, Nemčije, Belgije, Japonske in iz ZDA, kjer deluje nekaj svetovno najuglednejših strokovnjakov na področju računalniških simulacij bioloških makromolekul. To sodelovanje bo dodalo našim raziskavam še dodatno prodornost.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj na področju algoritmov za napovedovanje vezavnih mest na proteinih omogoča vpogled v način delovanja teh molekularnih strojev in je osnova za razumevanje načina vezave tako malih ligandov, na primer zdravilnih učinkovin, kot tudi bioloških makromolekul, to je proteinov in nukleinskih kislin. Novo izpeljane metode, ki omogočajo napovedovanje proteinskih vezavnih mest, so posebej obetavne, ker so raziskave interakcij med proteini zaradi napredka strukturne genomike v velikem razmahu. To delo je pomembno tudi za razvoj sodobnih metod sistemske biologije, s pomočjo katerih bo mogoče pojasniti sodelovanje med doslej na videz nepovezanimi proteini.
Rezultat predlaganega projekta bodo nova orodja za modeliranje farmacvetsko zanimivih molekul, ki bodo prosto dostopna raziskovalcem prek našega spletnega strežnika Probis (Protein Binding Sites) na naslovu http://insilab.org. Razviti pristopi bodo omogočali napovedovanje proteinskih ligandov in njihovo vrednotenje glede na energijo vezave. Pričakujemo nove vpoglede v vezavo molekul s proteini. Orodja bomo uporabili za reševanje odprtih problemov v farmaciji, kot je na primer razvoj protimikrobnih učinkovin.
To delo je pomembno tudi za razvoj sodobnih metod za računalniške simulacije, s pomočjo katerih bo mogoče simulirati večje molekulske sisteme bolj ekonomično in v krajšem računskem času. Rezultat tega projekta bodo nove metode. Nekatere smo že, druge pa še bomo, vgradili v CHARMM (Chemistry at HARvard for Macromolecular Mechanics) pogosto uporabljan računalniški program za simulacije makromolekularnih sistemov.
Pomen za razvoj Slovenije
The development of algorithms for binding sites detection on protein structures could provide new insights into mode of action of these molecular machines and is fundamental to our understanding of the processes that govern binding of small ligands and biomolecules such as proteins or nucleic acids. Newly developed methods that allow the prediction of protein binding sites, are particularly promising because they explore the interactions between proteins due to the rapidly expanding progress of structural genomics. This work is also important for the development of modern methods of systems biology, through which it will be possible to explain cooperation between the hitherto seemingly unrelated proteins.
The result of the proposed project will be a new tool for pharmaceutical modeling, free to researchers worldwide, available from our web server ProBiS (Protein Binding Sites) at http://insilab.org, distinguished for its comprehensible graphical interface. The developed tool will enable researchers to predict binding of molecules to proteins, and to evaluate their binding affinity using molecular dynamics.
The research carried out following this proposal is of great importance to the development of modern simulation techniques, which hold the promise to greatly increase our ability to simulate large macromolecular systems with a reasonable amount of computational effort. It is expected that the product of this research effort will be added to the CHARMM (Chemistry at HARvard for Macromolecular Mechanics) program and distributed for use by others throughout the world.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
