Nalaganje ...
Projekti / Programi vir: ARIS

Računalniško modeliranje strukture in dinamike molekul

Obdobja
Raziskovalna dejavnost

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 

Koda Veda Področje
1.07  Naravoslovne vede  Druge naravoslovne vede 
Ključne besede
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
Vrednotenje (pravilnik)
vir: COBISS
Raziskovalci (25)
št. Evidenčna št. Ime in priimek Razisk. področje Vloga Obdobje Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  31147  dr. Staš Bevc  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2014  21 
2.  23422  dr. Urban Borštnik  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2011  36 
3.  25434  dr. Urban Bren  Kemija  Raziskovalec  2009 - 2014  369 
4.  28560  dr. Nejc Carl  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2012  23 
5.  37458  dr. Martin Gladović  Kemija  Mladi raziskovalec  2014  21 
6.  02287  dr. Milan Hodošček  Kemija  Raziskovalec  2009 - 2014  281 
7.  06734  dr. Dušanka Janežič  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2013  505 
8.  32869  Matej Janežič  Naravoslovje  Mladi raziskovalec  2010 - 2013  32 
9.  25435  dr. Janez Konc  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2014  236 
10.  37452  dr. Samo Lešnik  Farmacija  Mladi raziskovalec  2014  57 
11.  13627  dr. Franci Merzel  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2011  219 
12.  19576  dr. Gregor Mlinšek  Srce in ožilje  Raziskovalec  2010 - 2014  174 
13.  34598  Mitja Ogrizek  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Tehnični sodelavec  2012 - 2014  18 
14.  03455  dr. Matej Penca  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2013  66 
15.  06431  dr. Ksenija Poljanec  Kemija  Raziskovalec  2009 - 2013  26 
16.  36416  dr. Aleksandar Popadić  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Mladi raziskovalec  2013 - 2014  20 
17.  19037  dr. Matej Praprotnik  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2009 - 2014  327 
18.  33209  mag. Kati Rozman  Naravoslovje  Mladi raziskovalec  2010 - 2014  17 
19.  35381  dr. Jurij Sablić  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Mladi raziskovalec  2012 - 2014  29 
20.  01661  dr. Tomaž Šolmajer  Kemija  Vodja  2013 - 2014  380 
21.  34881  dr. Joanna Trykowska Konc  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Raziskovalec  2012  13 
22.  33303  Ivana Uršič    Tehnični sodelavec  2010 - 2013  11 
23.  30286  dr. Blaž Vehar  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Mladi raziskovalec  2009 - 2012  17 
24.  34530  dr. Julija Zavadlav  Fizika  Mladi raziskovalec  2011 - 2014  39 
25.  26516  dr. Jernej Zidar  Računalniško intenzivne metode in aplikacije  Mladi raziskovalec  2009  26 
Organizacije (1)
št. Evidenčna št. Razisk. organizacija Kraj Matična številka Štev. publikacijŠtev. publikacij
1.  0104  Kemijski inštitut  Ljubljana  5051592000  21.271 
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
Učinkovita simulacija biomolekularnih sistemov je v veliki meri onemogočena zaradi velikega razpona krajevnih in časovnih velikostnih skal v teh sistemih. Dandanes simulacije takšnih sistemov izvajamo večinoma v posameznih velikostnih skalah z uporabo simulacijskih pristopov, kot je npr. simulacija molekulske dinamike.Znatni napredek računalniške tehnologije nam je omogočil izjemen fizikalni vpogled v dinamiko biomolekularnih sistemov. Kljub temu pa le napredek računalniške strojne opreme ni dovolj za dosego eksperimentalnih krajevnih in časovnih skal v teh sistemih. Zato je razvoj večskalnih simulacijskih metod, ki omogočajo učinkovito obravnavo različnih velikostnih skal povezanih z dinamiko biomolekularnih sistemov, ključnega pomena. Pri tem je posebno pomembna sklopitev različnih simulacijskih modelov in algoritmov. Ta sklopitev je predmet raziskovalnih naporov številnih raziskovalnih skupin po svetu in velja za eno od najpomembnejših področij za napredek računske fizike in kemije. V sklopu predlaganega programa smo razvili vrsto večskalnih modelov vode in solnih raztopin, kot dveh najpomembnejših topil v biomolekularnih sistemih, kar omogoča pohitritev biomolekularnih simulacij do enega velikostnega reda. Naši večskalni pristopi so premostili hidrodinamske pristope od atomistične do makroskopske skale in tako omogočili študij biofizikalnih pojavov, ki jih je sicer nemogoče obravnavati tako z vseatomističnimi kot tudi makroskopskimi in mezoskopskimi simulacijami. Teoretični opis fluktuacij v neravnovesni dinamiki je velik raziskovalni izziv v svetovnem merilu. Izjemni pomen razumevanja omenjenih fluktuacij je sicer poznan, vendar pa je področje še novo in relativno neraziskano. Posebej pomembno je razumevanje povezave med detajli mikro oz mezoskopske dinamike, meddelčnimi interakcijami ter statistiko funkcionalov trajektorij, ki lahko vodi do številnih prebojev v razumevanju neravnovesnih pojavov na številnih področjih. To področje je izrazito interdisciplinarno in vpeto med teoretično in matematično fiziko ter teoretično fizikalno kemijo. Relevantnost ter aktualnost predlaganih raziskav potrjuje tudi tesno sodelovanje članov raziskovalne skupine z vodilnimi evropskimi ter svetovnimi znanstveniki na področju. Medsebojno oplajanje idej ter prepletanje med temi disciplinami pa bo tudi v bodoče vir novih prebojev in napredka bazične 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 raziskovalnega programa so nova orodja za modeliranje farmacvetsko zanimivih molekul, ki so prosto dostopna raziskovalcem prek našega spletnega strežnika ProBiS na naslovu http://probis.cmm.ki.si. Razviti pristopi omogočajo napovedovanje proteinskih ligandov in njihovo vrednotenje glede na energijo vezave z uporabo metod molekularnega modeliranja. Rastoče število pacientov, obolelih od raka, kaže na nujno uvajanje novih zdravilnih učinkovin v terapijo. Prispevek k razvoju znanosti je študij DNA topoizomeraze IIa in proteina Mcl1 kot validirane tarče za razvoj novih protirakavih učinkovin. Še posebej, novo znanje splošnega pomena bo eksperimentalna določitev strukture kompleksov ligand-encim, ki je v teku, kar bo omogočilo spoznanja o molekularnem mehanizmu teh encimov.
Pomen za razvoj Slovenije
Uspešno delo naše programske skupine nam daje priložnost, da prenašamo naše znanje in izkušnje na druge uporabnike, iz raziskovalne sfere in iz industrije. Prav tako sodelujemo v pedagoškem procesu, z mentorstvom diplomskim in doktorskim študentom, in sodelujemo z uporabniki pri reševanju njihovih specifičnih problemov. Novo znanje, ki smo ga dobili pri izvajanju tega programa, bo prispevalo k nadaljnjemu razvoju farmacije, biotehnologije in biomedicine v Sloveniji. Posredno pa je program vplival na nacionalno identiteto kot posledica objav znanstvenih dosežkov v mednarodnih revijah in patentih. Večskalne simulacijske metode, ki smo jih razvili in uporabljali v okviru tega programa, so 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. V okviru programa smo razvijali metode in izvajali računalniške večskalne simulacije biomolekularnih sistemov s sklapljanjem različnih numeričnih pristopov, npr. fino in grobozrnate simulacije molekulske dinamike kot tudi metod računske dinamike tekočin. Razvite metode uporabljamo tudi v pedagoške namene in popularizacijo raziskovalnega in študijskega področj a . Člani projektne skupine smo tudi mentorji/somentorji pri različnih doktorskih disertacijah s področij: fizika, računalništvo, farmacija in kemija in predavatelji na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani. Rezultate raziskav smo objavili v najboljših mednarodnih znanstvenih revijah in jih predstavili na mednarodnih in domačih znanstvenih konferencah. S tem smo prispevali k razpoznavnosti Slovenije in povečanju ugleda slovenske znanosti. Program dela je usmerjen tudi v razvoj novih zdravilnih učinkovin do zaključka predklinične faze, kar je bilo v tem laboratoriju že uspešno izvedeno na različnih bioloških sistemih, pri katerih smo raziskovali encimske tarče in racionalno načrtovanje zaviralcev teh encimov iz različnih kemijskih strukturnih razredov. Sodelavci laboratorija sodelujejo pri pouku na Fakulteti za farmacijo in prenašajo aktualna znanja na študente. Prav tako v zadnjem času raste interes svetovnih farmacevtskih firm za intenzivno sodelovanje z inovativnimi raziskovalnimi skupinami iz akademskih laboratorijev. Tako sodelovanje je lahko osnova za ustanavljanje visokotehnoloških podjetij, kar je prioriteta v ekonomskem razvoju Republike Slovenije v 21. stoletju. Funkcionalna znanja, ki jih pridobijo in razvijajo mladi raziskovalci projektne skupine so osnova, na kateri se lahko taka biotehnološka podjetja razvijajo in organizirajo. Posredni pomen programa za utrjevanje nacionalne identitete se izraža predvsem kot posledica publiciranja znanstvenih rezultatov v mednarodnih revijah in patentiranja v svetu. Hkrati prizadevanja raziskovalne skupine, da bi uspeli z razvojem originalne zdravilne učinkovine v Sloveniji, prispevajo k mednarodnemu ugledu naših raziskovalcev.
Najpomembnejši znanstveni rezultati Letno poročilo 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati Letno poročilo 2009, 2010, 2011, 2012, 2013, zaključno poročilo, celotno poročilo na dLib.si
Zgodovina ogledov
Priljubljeno