Projekti / Programi
Večskalno modeliranje in simulacija mehke in biološke snovi v in izven ravnovesja
01. januar 2020
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.07.00 |
Naravoslovje |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
|
| 1.02.00 |
Naravoslovje |
Fizika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B120 |
Biomedicinske vede |
Molekularna biofizika |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.01 |
Naravoslovne vede |
Matematika |
| 1.03 |
Naravoslovne vede |
Fizika |
večskalno modeliranje in simulacija, molekularne simulacije, odprti molekularni sistemi, nanofluidika, velekanonična porazdelitev, neravnovesne molekularne simulacije, računska dinamika tekočin, teorija grafov, strojno učenje, mehka in biološka snov
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
24. april 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
207 |
5.109 |
3.971 |
19,18 |
| Scopus |
202 |
5.485 |
4.267 |
21,12 |
Raziskovalci (12)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
54539 |
dr. Amaury Coste |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2020 - 2024 |
4 |
| 2. |
54675 |
Aljaž Draškovič-Bračun |
Fizika |
Mladi raziskovalec |
2020 - 2024 |
6 |
| 3. |
54982 |
Luka Golob |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Tehnični sodelavec |
2020 - 2021 |
4 |
| 4. |
25435 |
dr. Janez Konc |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2020 - 2024 |
233 |
| 5. |
54623 |
Nikolaos Ntarakas |
|
Tehnični sodelavec |
2020 - 2024 |
0 |
| 6. |
52000 |
Petra Papež |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Tehnični sodelavec |
2020 - 2024 |
10 |
| 7. |
54019 |
dr. Tilen Potisk |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2020 - 2024 |
42 |
| 8. |
19037 |
dr. Matej Praprotnik |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Vodja |
2020 - 2024 |
323 |
| 9. |
35381 |
dr. Jurij Sablić |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2020 - 2024 |
29 |
| 10. |
53609 |
Ema Slejko |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Mladi raziskovalec |
2020 - 2024 |
7 |
| 11. |
55057 |
dr. Jaka Sočan |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2020 - 2024 |
8 |
| 12. |
19136 |
dr. Daniel Svenšek |
Fizika |
Raziskovalec |
2020 - 2024 |
203 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.996 |
Povzetek
Značilnosti mehke in biološke snovi se raztezajo čez široko območje časovnih in prostorskih skal. Poleg tega je komunikacija med različnimi skalami pogosto poglavitna za razumevanje fizikalnih in kemijskih mehanizmov pri načrtovanju novih materialov z želenimi lastnostmi. Zaradi omejene računske moči je študiranje teh kompleksnih molekularnih sistemov še vedno zahtevno. Tipično so v takšnih molekularnih simulacijah specifične kemijske podrobnosti zanimive samo tam, kjer se odvijajo relevantni procesi. Preostale domene lahko obravnavamo kot makroskopski toplotni rezervoar. Učinkovite računske metode tako uporabljajo večskalne pristope, ki sklapljajo modele z različnimi resolucijami v različnih domenah.
Sistemi mehkih in bioloških snovi so običajno odprti. To pomeni, da s svojo okolico izmenjujejo maso, energijo in gibalno količino. Kljub temu večina modernih molekularnih simulacij uporablja periodične robne pogoje s konstantnim številom delcev. Naš cilj je razvoj in uporaba naprednih računskih metod, ki bodo omogočale simulacije odprtih molekularnih sistemov. Pri tem bomo odprto računsko domeno simulirali z atomistično ločljivostjo. Odprta simulacijska škatla bo obdana z večskalnimi domenami, ki bodo dovoljevale vstavljanje velikih grobozrnatih molekul v gosto tekočino. S tem bo omogočena tako učinkovita simulacija gostih molekularnih sistemov v velekanoničnem ansamblu kakor tudi neravnovesna simulacija tekočinskih tokov. V nadaljevanju bomo pristop razširili še na kontinuumski opis dinamike tekočin z Navier-Stokesovo enačbo. Takšni hibridni pristopi so posebej uporabni za simulacije transporta nanodelcev v tekočinah, kot npr. pri ciljani dostavi zdravil.
Linearni polimeri, kot predstavniki mehke snovi, so sestavljeni iz nerazvejanih verig. Nedavne teoretične študije so pokazale, da je v tekočekristalnih polimernih talinah in raztopinah prisotna splošna oz. generična sklopitev variacij orientacijskega reda in gostote. S kombinacijo kontinuumskih in molekularnih pristopov bomo to geometrijsko razlago aplicirali na polimerne raztopine v izotropni fazi in študirali vpliv gradienta gostote na inducirano urejenost. Študirali bomo vpliv osmotskih koncentracijskih gradientov na orientacijsko ureditev v polimernih talinah in raztopinah. Posebej se bomo osredotočili na biopolimere, kot je DNA.
Prav tako bomo kombinirali statističnomehanske pristope z modernimi računalniškimi pristopi pri sklopitvi atomističnih in supramolekularnih modelov, kjer groborzrnati delec ustreza več molekulam. Pri tem bomo med drugim uporabili metode, ki temeljijo na teoriji grafov, in strojnega učenja za sistematično večmolekularno grobozrnenje in brezhibno sklopitev z atomistično resolucijo.
Z uporabo razvitih metod bomo študirali različne relevantne probleme s področja biofizike, biologije, (bio)kemije, farmacije in znanosti materialov.
Pomen za razvoj znanosti
Molekularne simulacije so postale uveljavljeno in nepogrešljivo orodje pri raziskavah kompleksnih pojavov v mehki in biološki snovi. Z njimi lahko opišemo strukturne in funkcionalne lastnosti bioloških makromolekul, ki jih sicer težko opazujemo eksperimentalno in/ali pa so prezapletene, da bi jih opisali teoretično. Simulacije biomolekularnih sistemov predstavljajo velik izziv, saj so fizikalne lastnosti takih razširjene na več prostorskih in časovnih skalah. Posledično moramo pri simulacijah teh sistemov sklepati kompromise med učinkovitostjo simulacijskih metod in točnostjo opisa simuliranega sistema. Atomistične simulacije molekulske dinamike (MD), na primer, omogočajo zelo podroben opis želenega sistema, vendar pa so posledično računsko zelo zahtevne. Kljub rastoči računski zmogljivosti računalnikov in nenehnim prizadevanjem znanstvenikov, da bi povečali zmogljivost simulacij MD, z njimi pogosto ne moremo opisati sistemov na več prostorskih in časovnih skalah, kar je potrebno za opis nekaterih pomembnih bioloških sistemov. Zato se zatečemo k uporabi večskalih metod, ki najučinkoviteje opišejo prepletene časovne in prostorske skale v mehkih in bioloških snoveh. Te metode so računsko učinkovite, prav tako pa omogočajo podroben opis simuliranih sistemov. Z njimi torej premostimo omejitve enoskalnega atomističnega in enoskalnega grobozrnatega opisa sistemov. V programski skupini bomo nadaljevali z izboljšavo, razvojem in uporabo večskalnih modelov vode in raztopin soli, ki sta najpomembnejši topili v biomolekularnih sistemih. Specifično se bomo osredotočili na sklopitev atomističnih vodnih modelov s supramolekularnimi, kot sta npr. MARTINI in Disipacijska delčna dinamika (DPD). Naš večskalni pristop bo omogočil študij vpliva hidrodinamike na atomistični in makroskopski skali. Z njim bomo zato lahko opisali biofizikalne procese, ki ne potekajo zgolj na atomistični ali mezoskopski ali makroskopski skali, ampak so v naravi kompleksnejši in večskalni.
Sistemi mehke in biološke snovi so ponavadi tudi odprti, tj. lahko izmenjujejo maso gibalno količino in energijo z okolico. Standardne molekulske simulacije ponavadi izvedemo v zaprtih sistemih s periodičnimi robnimi pogoji, v katerih je število delcev konstantno. Posledično to onemogoča postavitve zunanjih robnih pogojev na sistem, preko katerih bi lahko sistem izmenjeval maso, gibalno količino in energijo z okolico. Razvijali in uporabljali bomo nove simulacijske metode, ki bodo premostile to omejitev in omogočile molekulske simulacije v odprtih sistemih, bodisi v termodinamskem ravnovesju v velekanoničnem ansamblu ali pa pod poljubnimi neravnovesnimi pogoji. Simulirali bomo tekočinske tokove skozi in mimo nanoobjektov s slopitvijo z računsko dinamiko tekočin, s čimer bomo reproducirali bistvene značilnosti tejočinskih tokov obravnavanih z molekularno dinamiko. Na ta način bomo izvajali računalniške simulacije, ki so izven dosega simulacije molekulske dinamike.
Nedavni napredek v nanotehnologiji in nanoznanosti je povzročil razmah v teoretičnih raziskavah in razvoju simulacijskih metod za študij neravnovesnih pojavov na nanoskali. Hibridne metode, ki omogočajo opis snovi na delčnih in kontinuumskih resolucijskih skalah, so primerne za opisovanje pojavov v nanofluidiki, npr. transporta nanodelcev skozi tekočine. Tovrstne simulacije omogočajo opis dogajanja tako na mikroskopski skali, s čimer opišemo dogajanje v bližini nanodelcev, kot tudi na makroskopski skali, s čimer opišemo dogajanje v tekočini. S simulacijami molekulske dinamike lahko opišemo dogajanje na stiku med nanodelcem in tekočino, vendar pa so računsko zelo zahtevne, zato z njimi ne moremo opisati makroskopskih lastnost tekočine. Slednje lahko opišemo s kontinuumskimi simulacijami, vendar pa le-te ne opišejo dobro obnašanja tekočine na površini nanodelca. Hibridne metode, s katerimi bi lahko oba opisa sklopili, bi omogočile istočasni opis na makroskopski in na mikroskopski skali. Na ta način bi lahko istočasno štud
Pomen za razvoj Slovenije
Razvoj bazične znanosti je eden od najpomembnejših nosilcev napredka in razvoja družbe v celoti, saj le? ta omogoča razvoj in napredek aplikativne znanosti in posledično tehnološki napredek. Predlagani program bo pomembno prispeval k visokokakovostnemu izobraževanju mladih raziskovalcev in drugih mladih znanstvenih kadrov (diplomantov, podoktorskih študentov ipd.). Program zajema intenzivno sodelovanje s tujimi inštitucijami in raziskovalci, zato ima za Slovenijo dodaten pomen v smislu prepoznavnosti in uveljavitvi države v mednarodnem znanstvenem prostoru. Rezultate raziskav objavljamo v najboljših mednarodnih znanstvenih revijah in jih predstavljamo na mednarodnih in domačih znanstvenih konferencah.
Naša programska skupina prenaša svoje znanje in izkušnje na druge uporabnike, iz raziskovalne sfere in iz industrije. Dejavni smo tudi v pedagoškem procesu, z mentorstvom diplomskim, doktorskim in podoktorskim študentom in predavanji s področij: fizika, biofizika, računalništvo, farmacija in kemija na različnih Univerzah v Sloveniji in tujini. Novo znanje, ki ga bomo dobili pri izvajanju tega programa, bo prispevalo k nadaljnjemu razvoju računskih, biofizikalnih, farmacevtskih, biotehnoloških in biomedicinskih znanosti v Sloveniji. Posredno pa bo program vplival na nacionalno identiteto kot posledica objav znanstvenih dosežkov v mednarodnih revijah in patentih ter organizaciji mednarodnih znanstvenih srečanj v Sloveniji. Člani programske skupine prav tako sodelujemo z uporabniki pri reševanju njihovih specifičnih problemov. Pri tem so funkcionalna znanja, ki jih dobijo in razvijajo člani programske skupine osnova, na kateri je možno tudi organizirati visokotehnološka odcepljena podjetja. Nastale produkte je možno komercializirati in so lahko pomemben prispevek k ekonomičnemu izkoriščanju obstoječe infrastrukture na akademskih raziskovalnih inštitucijah.
Večskalne simulacijske metode, ki sklapljajo atomistične, mezoskopske in kontinuumske krajevne skale in jih bomo razvili ter uporabljali v okviru tega programa, bodo osnova za simulacijske študije farmacevtsko in medicinsko zanimivih biomolekularnih sistemov, uporabnih npr. pri ciljni dostavi zdravil. Ker člani programske skupine sodelujemo s slovensko farmacevtsko industrijo, t.j., z Lekom (Sandoz) in Krko, predvidevamo, da bodo rezultati naših raziskav potencialno zanimivi za farmacevtsko industrijo.
Organiziramo tudi različna znanstvena srečanja, npr. pod okriljem CECAM (Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire) ali PRACE (Partnership for Advanced Computing in Europe). Z aktivnim članstvom v CECAM in PRACE (programski vodja je podpredsednik znanstvenega sveta PRACE in slovenski predstavnik v svetu CECAM) prispevamo k razpoznavnosti Slovenije in povečanju ugleda slovenske znanosti.
