Projekti / Programi
Razvoj računalniških orodij za modeliranje farmacevtsko zanimivih molekul
| 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, farmacevtsko zanimive molekule
Raziskovalci (13)
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. 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 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.
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 projekta so nova orodja za modeliranje farmacvetsko zanimivih molekul, ki so prosto dostopna raziskovalcem prek našega spletnega strežnika ProBiS. Razviti pristopi omogočajo napovedovanje proteinskih ligandov in njihovo vrednotenje glede na energijo vezave, da s tem dobimo nove vpoglede v vezavo molekul s proteini. Orodja uporabljamo 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 so 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
Cilj projekta je razvoj novih metod za napovedovanje in analizo vezavnih mest na proteinih, s pomočjo novo razvitega algoritma za lokalno strukturno prileganje proteinskih struktur, in uporaba teh metod za obravnavo biološko zanimivih makromolekul. Pomemben del projekta predstavlja vgradnja novo razvitih metod v spletni program ProBiS in s tem široka dostopnost naših metod. Naš cilj je razviti metode, ki bodo zanimive tako za čisto znanost kot tudi za farmacevtsko industrijo in te metode tem uporabnikom ponuditi v privlačni in za uporabo preprosti obliki. Pri raziskavah, ki jih izvajamo v okviru našega raziskovalnega dela v sodelovanju s firmo Lek, d.d., delamo na projektih raziskav modeliranja novih bioloških zdravil. Pomemben del projekta je tudi to, da nam je s tem omogočeno sodelovanje z vodilnimi laboratoriji v svetu na tem področju. Rezultate raziskav smo že in še bomo objavili v najboljših mednarodnih znanstvenih revijah in jih predstavili na mednarodnih in domačih znanstvenih konferencah. V končni fazi želimo ustanoviti oddeljeno (spin-off) podjetje in nastopiti s svojimi rešitvami tudi na svetovnem trgu. Pri raziskavah, ki jih izvajamo v okviru našega projekta, razvijamo in uporabljamo metode napovedovanja vezavnih mest na proteinih. Izgradili smo že računalniških sistem, imenovan ProBiS (Proteinska Vezavna Mesta), v katerem smo združili vse naše do sedaj razvite metode, ki so na voljo v obliki spletnega programa. Naše metode se lahko kosajo z najboljšimi in so na voljo mednarodni javnosti. S svojo znanstveno kvaliteto in drugo mednarodno aktivnostjo (urednik mednarodne znanstvene revije, delovanje in predavanja na mednarodnih konferencah, tujih univerzah in inštitutih) pa skrbimo tako za razpoznavnost naše države v svetu kot tudi za ohranjanje in razvoj nacionalne identitete.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
