Projekti / Programi
Računalniško modeliranje strukture in dinamike molekul
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.07.00 |
Naravoslovje |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P170 |
Naravoslovno-matematične vede |
Računalništvo, numerična analiza, sistemi, kontrola |
molekularno modeliranje, računalniške simulacije, algoritmi, molekulska dinamika, simplektične metode, analiza po normalnih načinih nihanja, teorija integralskih enačb, QM/MM metode, DFT metode, hamiltonski sistemi, potencialna polja, elektronska struktura, gostotni funkcionali, večkomponentne reakcije, reakcijski mehanizmi, vzporedni računalniki
Raziskovalci (12)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
23422 |
dr. Urban Borštnik |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2004 - 2008 |
36 |
| 2. |
28560 |
dr. Nejc Carl |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Mladi raziskovalec |
2007 - 2008 |
23 |
| 3. |
02287 |
dr. Milan Hodošček |
Kemija |
Raziskovalec |
2004 - 2008 |
281 |
| 4. |
06734 |
dr. Dušanka Janežič |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Vodja |
2004 - 2008 |
500 |
| 5. |
17255 |
Tatjana Karba |
|
Tehnični sodelavec |
2004 - 2007 |
0 |
| 6. |
25435 |
dr. Janez Konc |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Mladi raziskovalec |
2005 - 2008 |
233 |
| 7. |
13627 |
dr. Franci Merzel |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2004 - 2008 |
209 |
| 8. |
03455 |
dr. Matej Penca |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2004 - 2008 |
66 |
| 9. |
06431 |
dr. Ksenija Poljanec |
Kemija |
Raziskovalec |
2004 - 2008 |
26 |
| 10. |
19037 |
dr. Matej Praprotnik |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2004 - 2008 |
323 |
| 11. |
30286 |
dr. Blaž Vehar |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Tehnični sodelavec |
2008 |
17 |
| 12. |
26516 |
dr. Jernej Zidar |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Mladi raziskovalec |
2006 - 2008 |
26 |
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.996 |
Povzetek
Metode računalniške simulacije so se razvijale predvsem v smeri podaljševanja časovnega obdobja simulacij in povečevanja modelnih sistemov, kar prispeva k razumevanju odnosa med strukturo in funkcijo v bioloških makromolekulah. Zaradi heterogene narave teh makromolekul moramo izvesti povprečja čez večje število simulacij istega sistema.Vključevanje topila v simulacije pa za večkrat poveča obseg simuliranega sistema. Časovni obseg simulacij bi moral biti precej večji kot je nanosekundna skala, da bi lahko opisali kemijsko in biološko zanimive procese, ki nastopajo na mikrosekundni skali. Pričakujemo, da bo razvoj novih metod za molekularno modeliranje in njihova izvedba na vzporednih računalnikih pospešila računalniške simulacije molekul za več velikostnih redov. To bo omogočilo natančnejšo obravnavo znanih problemov, kot tudi obravnavo novih.
Cilji predlaganega raziskovalnega programa so:
a) Nadaljnji razvoj in uporaba simplektičnih metod za simulacijo molekulske dinamike makromolekul, SISM (Split Integration Symplectic Method) in HANA (Hydrogens ANAlyticaly), ki bosta omogočali integracijo gibalnih enačb z velikim časovnim korakom, pri tem pa bosta stabilni in ekonomični za računanje in ju bo mogoče uspešno implementirati na vzporednih računalnikih. Metodi sta osnovani na faktorizaciji Liouvilleovega operatorja in se razlikujeta od drugih pristopov, ki uporabljajo razcepitvene sheme, po analitični obravnavi visokofrekvenčnih nihanj. Uporabnost teh metod bomo pokazali na nekaterih biološko zanimivih primerih, predvsem proteinih.
b) Nadaljnji razvoj in uporaba kombinacije metod simulacije molekulske dinamike, analize po normalnih načinih nihanja in kvaziharmonske analize proteinov v raztopinah za študij hidratacije proteinov.
c) Nadaljnji razvoj in uporaba QM/MM metod, ki omogočajo računalniške simulacije s pomočjo kombiniranega klasičnega in kvantnega potenciala, kar omogoča natančnejše simulacije velikih bioloških molekul na ab initio nivoju.
d) Nadaljni razvoj računsko učinkovitih metod za določanje časovno odvisne elektronske strukture molekul na osnovi Kohn-Sham-ove formulacije teorije gostotnih funkcionalov, kjer elektronsko gostoto računamo preko enoelektronskih Greenovih funkcij. Ker izvajamo računsko najzahtevnejše operacije samo lokalno, s tem bistveno povečamo hitrost računanja elektronske strukture molekule.
e) Nadaljni razvoj in aplikacija kvantno kemijskih in klasičnih pristopov za izračun reakcijskih mehanizmov, predvsem za izračun ionskih reakcij izocianidov. Ugotovili bomo, ali splošno velja, da ionske reakcije izocianidov potekajo kot večkomponentne kemijske reakcije. Na področju računskih pristopov takih študij še ni bilo opravljenih, eksperimentalno pa tega problema ni mogoče obravnavati.
f) Nadaljnji razvoj in uporaba formalizma RISM, ki temelji na teoriji integralskih enačb, kar bo v kombinaciji s simulacijami Monte Carlo omogočilo globlje razumevanje povezave med makroskopskimi lastnostmi snovi in lastnostmi molekul, ki jih sestavljajo. Te povezave podajajo porazdelitvene funkcije, ki jih dobimo s pomočjo teorije integralskih enačb.
g) Nadaljnji razvoj novih in učinkovitih računalniških topologij za povezovanje osebnih računalnikov v gruče, ki bodo omogočale hitro vzporedno izvajanje programov za molekularano modeliranje in kar bo omogočilo implementacijo novo razvitih metod na vzporednih računalnikih.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj na področju algoritmov za simulacije makromolekularnih sistemov, na osnovi katerih deluje tudi metoda molekulske dinamike, omogoča večjo natančnost računanja in s tem bolje izrabljen računalniški čas pri obravnavanju biološko zanimivih molekul, kakor tudi daljše simulacije kompleksnih sistemov. Novo izpeljane metode so posebej obetavne, ker dopuščajo tudi vključitev hidratacijskih efektov, kar predstavlja bistveno izboljšavo za simulacijo molekulske dinamike. S praktičnega stališča pa je zaradi večje napovedne sposobnosti bolj ekonomičnih metod za simulacijo molekulske dinamike pridobilo tudi področje proteinskega inženiringa. Novo razvite algoritme za simulacije makromolekulskih sistemov, molekulske dinamike in drugih, je možno kot dodatni modul vgraditi v računalniške programe, ki se široko uporabljajo za molekularno modeliranje biološko pomembnih molekul. Povečanje napovednih sposobnosti metod za simulacijo molekulske dinamike proteinov je zelo pomembno za metode genetskega inženiringa, kajti s tem smo bliže razumevanju povezave med tridimenzionalno strukturo in biološko funkcijo proteinov. Glede na obete, ki jih daje Human Genome Project se bo zelo povečala potreba po napovedovanju struktur višjega reda iz primarnih struktur. 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 - nove metode - smo nekatere že, druge pa še bomo, vgradili v CHARMM (Chemistry at HARvard for Macromolecular Mechanics) pogosto uporabljen računalniški program za simulacije makromolekularnih sistemov.
Pomen za razvoj Slovenije
Cilj programa je bil razvoj, izboljšava in analiza numeričnih metod za računalniške simulacije makromolekulskih sistemov, še posebej metodo simulacije molekulske dinamike in uporaba le teh algoritmov za obravnavo biološko zanimivih makromolekul. Pomemben del programa je pa predstavljala implementacija novo razvitih metod na vzporednih računalnikih. Pomemben del programa je tudi to, da nam je s tem omogočeno sodelovanje z vodilnimi laboratoriji v svetu na tem področju. Pri raziskavah, ki jih izvajamo v okviru našega raziskovalnega dela, razvijamo in uporabljamo metode molekularnega modeliranja, s katerimi imamo že veliko dobrih izkušenj in dobrih rezultatov. Izgradili smo tudi več računalniških sistemov imenovanih VRANA. VRANA je kratica za Vzporedni Računalnik za Akceleracijo Numeričnih Algoritmov. To so multiračunalniški sistemi sestavljeni iz osebnih računalnikov povezanih s hitro vzporedno mrežo. Te računalniške sisteme uporabljajo poleg članov naše programske skupine tudi kolegi iz drugih programskih skupin in laboratorijev na Kemijskem inštitutu in tudi kolegi iz drugih inštitucij, kot npr. iz Inštituta Jožef Stefan, Medicinske fakultete, Fakultete za matematiko in fiziko, Biotehnične fakultete, Fakultete za farmacijo, Fakultete za računalništvo in informatiko in drugih. Na teh računalniških sistemih opravimo tudi obveznosti, ki so vezane na računalniško modeliranje in drugo računanje vezano na pogodbe z industrijo, npr. Lek, Krka in druge. Nadalje, poleg zgoraj naštetega, vsakemu od izvajalcev in uporabnikov nudimo dodatno asistenco, ki je vezana od pomoči pri inštalaciji in uporabi programov za molekularno modeliranje do inštalacije računalnikov in skrbi za lokalno računalniško mrežo in drugo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
