Projekti / Programi
Razvoj računalniških algoritmov za simulacije kompleksnih makromolekularnih sistemov
| 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, računalniške simulacije, algoritmi, molekulska dinamika, simplektične metode, analiza po normalnih načinih nihanja, vzporedne računalniške metode, računalniške vizualizacije makromolekul, proteinska vezavna mesta, biološko aktivne učinkovine
Raziskovalci (13)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
31147 |
dr. Staš Bevc |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
21 |
| 2. |
25434 |
dr. Urban Bren |
Kemija |
Raziskovalec |
2013 - 2014 |
365 |
| 3. |
02287 |
dr. Milan Hodošček |
Kemija |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
281 |
| 4. |
06734 |
dr. Dušanka Janežič |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2013 |
500 |
| 5. |
32869 |
Matej Janežič |
Naravoslovje |
Mladi raziskovalec |
2013 |
32 |
| 6. |
25435 |
dr. Janez Konc |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
233 |
| 7. |
19576 |
dr. Gregor Mlinšek |
Srce in ožilje |
Raziskovalec |
2013 - 2014 |
172 |
| 8. |
34598 |
Mitja Ogrizek |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Tehnični sodelavec |
2013 - 2015 |
18 |
| 9. |
19037 |
dr. Matej Praprotnik |
Računalniško intenzivne metode in aplikacije |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
323 |
| 10. |
33209 |
mag. Kati Rozman |
Naravoslovje |
Mladi raziskovalec |
2013 |
16 |
| 11. |
01661 |
dr. Tomaž Šolmajer |
Kemija |
Vodja |
2013 - 2016 |
380 |
| 12. |
33303 |
Ivana Uršič |
|
Tehnični sodelavec |
2013 |
11 |
| 13. |
34530 |
dr. Julija Zavadlav |
Fizika |
Raziskovalec |
2013 - 2016 |
38 |
Organizacije (2)
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; izboljšati obravnavo topila pri simulaciji molekulske dinamike z razvojem metod, kjer le hidratacijsko plast topila predstavimo eksplicitno, preostali del topila pa implicitno. 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 študiju hidratacije proteinov in 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 tremi raziskovalnimi ustanovami, dvema iz ZDA in eno iz Malezije, kjer deluje nekaj svetovno najuglednejših strokovnjakov na področju računalniških simulacij bioloških makromolekul. To sodelovanje bo dodalo našim raziskavam še dodatno prodornost. Intenzivnost tega sodelovanja skupaj z njegovo formalno vključitvijo v projekt pa je odvisna od finančnih pogojev ("veliki projekt").
Pomen za razvoj znanosti
Učinkovite simulacije biomolekularnih sistemov je v veliki meri otežena 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 projekta smo razvili vrsto večskalnih modelov vode in solnih raztopin, kot dveh najpomembnejših topil v biomolekularnih sistemih, kar omogoča pohitritev biomolekularnih simulacij. 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. 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. Rezultati naših raziskav so nova orodja za modeliranje farmacevtsko 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. Pričakujemo nove vpoglede v vezavo ligandov na proteine. Nove molekularne tarče in razvoj novih učinkovin z delovanjem na te tarče predstavljajo izziv za raziskovalce na področju biomedicine. Rastoče število pacientov, obolelih od raka, kaže na nujno uvajanje novih zdravilnih učinkovin v terapijo. Prispevek k razvoju znanosti so novi zaviralci DNA topoizomeraze IIa in DNA giraze B, ki sta validirani tarči za razvoj novih protirakovih in protimikrobnih učinkovin in spoznanja o mehanizmu delovanja novih zdravilnih učinkovin.
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. Funkcionalna znanja, ki jih dobijo in razvijajo člani programske skupine so osnova, na kateri je možno tudi organizirati visokotehnološka podjetja. Rezultirajoče produkte je možno komercializirati in so lahko pomemben prispevek k ekonomičnemu izkoriščanju obstoječe infrastrukture na akademskih raziskovalnih inštitucijah. Novo znanje, ki smo dobili pri izvajanju tega programa, bo prispevalo k nadaljnjemu razvoju farmacije, biotehnologije in biomedicine v Sloveniji. Posredno pa rezultati vplivajo na nacionalno identiteto kot posledica objav znanstvenih dosežkov v mednarodnih revijah in konferencah. Večskalne simulacijske metode, ki smo jih razvili in uporabljali v okviru tega projekta, 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 projekta smo razvili 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 področja . Člani projektne skupine smo tudi mentorji/somentorji pri različnih doktorskih disertacijah s področij: fizika, računalništvo, farmacija in kemija in predavatelji na Fakultetah za matematiko in fiziko UL, Fakulteti za farmacijo UL in Fakulteti za kemijo v Mariboru. Rezultate raziskav smo objavili v mednarodnih znanstvenih revijah in jih predstavili na mednarodnih in domačih znanstvenih konferencah. S tem smo prispevali k razpoznavnosti Slovenije in povečanju ugleda slovenske znanosti. 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. Ustrezna implementacija inter ter multidisciplinarnega razvoja bazične znanosti je eden izmed trendov sodobne znanosti, zato je pomembno, da Slovenija drži tempo evropskih ter svetovnih znanstvenih tokov. Rezultati projekta pomembno prispevajo k visokokakovostnemu izobraževanju mladih raziskovalcev in drugih mladih znanstvenih kadrov (diplomantov, podoktorskih študentov ipd.). Projekt zajema intenzivno sodelovanje s tujimi inštitucijami, zato ima za Slovenijo dodaten pomen v smislu prepoznavnosti in uveljavitvi države v mednarodnem znanstvenem prostoru. 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.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
2015,
zaključno poročilo
