Modele gruboziarniste oparte o fizykę oddziaływań do symulowania układów biomolekularnych w dużych skalach czasu i wielkości
Identyfikator grantu: PT01021
Kierownik projektu: Adam Liwo
Realizatorzy:
- Iga Biskupek
- Krzysztof Bojarski
- Łukasz Golon
- Paweł Grela
- Emilia Lubecka
- Gia Maisuradze
- Joanna Makowska
- Stanisław Ołdziej
- Karolina Zięba
- Maciej Pyrka
- Mateusz Leśniewski
- Truong Co Nguyen
- Sumeyye Atmaca
Uniwersytet Gdański
Wydział Chemii
Gdańsk
Data otwarcia: 2023-01-26
Streszczenie projektu
Modele gruboziarniste, w których opisu gruboziarnistego, w którym grupy atomów lub całe podstruktury albo molekuły są traktowane jako jednostki, są obecnie szeroko stosowane w symulacjach biomolekularnych, ponieważ umożliwiają one rozszerzenie skali czasu i rozmiaru układu o 3 i więcej rzędów wielkości w stosunku do modeli pełnoatomowych [1]. Modele te są konstruowane w oparciu o fizykę oddziaływań lub w oparciu o rozpoznawanie motywów z baz danych strukturalnych. O ile podejście drugie odnosi większe sukcesy w modelowaniu struktur białek i innych biomolekuł, jego wadą jest niemożność modelowania dynamiki oraz oddziaływań, które to zadania mogą być realizowane z użyciem metod opartych o fizykę. Ponadto metody oparte o fizykę umożliwiają racjonalne powiązanie modeli otrzymanych na różnych poziomach rozdzielczości. W ramach obecnego projektu będziemy dalej rozwijać opracowany w naszej grupie badawczej Jednolity Model Gruboziarnisty makromolekuł biologicznych (ang. UNIfied Coarse gRaiNed Model, UNICORN), którego poprzednikiem był gruboziarnisty model UNRES białek [2]. Model ten sprawdził się zarówno w modelowaniu struktur makromolekuł biologicznych, jak i w modelowaniu ich dynamiki, agregacji i procesów biologicznych zachodzących z ich udziałem [3]. Ostatnio UNICORN został znacząco zoptymalizowany pod względem efektywności zrównoleglenia i, co za tym idzie, szybkości obliczeń w ramach projektu Euro HPC realizowanego przez CI TASK [4]. W ramach wnioskowanego projektu będziemy rozwijać funkcję energii, wprowadzając dalekozasięgowe wkłady korelacyjne oraz zaawansowane modele solwatacyjne, wzbogacą możliwe do modelowania topologie cząsteczek (cyklizacja), bardziej efektywne algorytmy dynamiki molekularnej (podziału kroku czasowego), parametryzować i testować wzbogacone pola siłowe modelu UNICORN, rozwijać metody wprowadzania więzów z eksperymentów magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), sieciowania chemicznego połączonego ze spektroskopią mas (XL-MS) oraz małokątowego rozpraszania promieni rentgenowskich i neutronów (SAXS/SANS). We współpracy z grupami eksperymentalnymi będziemy stosować opracowaną metodologię do rozwiązywania problemów biologii molekularnej.
[1] Kmiecik, S, Gront, D, Koliński, M, Wieteska, L, Dawid, A and Koliński, A, Chem. Rev., 116, 7898–7936 (2016).
[2] Liwo, A., Baranowski, M., Czaplewski, C., Gołaś, E., He, Y., Jagieła, D., Krupa, P., Maciejczyk, M., Makowski, M., Mozolewska, M. A., Niadzvedtski, A., Ołdziej, S., Scheraga,
H. A., Sieradzan, A. K., S´ lusarz, R., Wirecki, T., Yin, Y. and Zaborowski, B., J. Mol. Model., 20, 2306 (2014).
[3] A.K. Sieradzan, C. Czaplewski, P. Krupa, M.A. Mozolewska, A.S. Karczyńska, A.G. Lipska, E.A. Lubecka, E. Gołaś, T. Wirecki, M. Makowski, S. Ołdziej, A. Liwo, Methods in Molecular Biology, 2375, pp. 399-416 (Clifton, N.J., 2022), ISSN 1064-3745, DOI:10.1007/978-1-0716-1716-8_23.
[4] A.K. Sieradzan, J. Sans‐Duñó, E.A. Lubecka, C. Czaplewski, A.G. Lipska, H. Leszczyński, K.M. Ocetkiewicz, J. Proficz, P. Czarnul, H. Krawczyk, A. Liwo, J. Comp. Chem., 44, 602-625 (2023).
[1] Kmiecik, S, Gront, D, Koliński, M, Wieteska, L, Dawid, A and Koliński, A, Chem. Rev., 116, 7898–7936 (2016).
[2] Liwo, A., Baranowski, M., Czaplewski, C., Gołaś, E., He, Y., Jagieła, D., Krupa, P., Maciejczyk, M., Makowski, M., Mozolewska, M. A., Niadzvedtski, A., Ołdziej, S., Scheraga,
H. A., Sieradzan, A. K., S´ lusarz, R., Wirecki, T., Yin, Y. and Zaborowski, B., J. Mol. Model., 20, 2306 (2014).
[3] A.K. Sieradzan, C. Czaplewski, P. Krupa, M.A. Mozolewska, A.S. Karczyńska, A.G. Lipska, E.A. Lubecka, E. Gołaś, T. Wirecki, M. Makowski, S. Ołdziej, A. Liwo, Methods in Molecular Biology, 2375, pp. 399-416 (Clifton, N.J., 2022), ISSN 1064-3745, DOI:10.1007/978-1-0716-1716-8_23.
[4] A.K. Sieradzan, J. Sans‐Duñó, E.A. Lubecka, C. Czaplewski, A.G. Lipska, H. Leszczyński, K.M. Ocetkiewicz, J. Proficz, P. Czarnul, H. Krawczyk, A. Liwo, J. Comp. Chem., 44, 602-625 (2023).
Publikacje
- Adam K. Sieradzan, Jordi Sans-Duño, Emilia A. Lubecka, Cezary Czaplewski, Agnieszka G. Lipska, Henryk Leszczyński, Krzysztof M. Ocetkiewicz, Jerzy Proficz, Paweł Czarnul, Henryk Krawczyk, Adam Liwo, Optimization of parallel implementation of UNRES package for coarse-grained simulations to treat large proteins, Journal of Computational Chemistry 44, (2023) 602-625
- Agnieszka G. Lipska, Adam K. Sieradzan, Cezary Czaplewski, Andrea D. Lipińska, Krzysztof M. Ocetkiewicz, Jerzy Proficz, Paweł Czarnul, Henryk Krawczyk, Adam Liwo, Long-time scale simulations of virus-like particles from three human-norovirus strains, Journal of Computational Chemistry 44, (2023) 1470-1483
- Adam Liwo, Maciej Pyrka, Cezary Czaplewski, Xubiao Peng, Antti J. Niemi, Long-Time Dynamics of Selected Molecular-Motor Components Using a Physics-Based Coarse-Grained Approach, Biomolecules 13, (2023) 941
- Luís Borges-Araújo, Ilias Patmanidis, Akhil P. Singh, Lucianna H. S. Santos, Adam K. Sieradzan, Stefano Vanni, Cezary Czaplewski, Sergio Pantano, Wataru Shinoda, Luca Monticelli, Adam Liwo, Siewert J. Marrink, and Paulo C. T. Souza, Pragmatic Coarse-Graining of Proteins: Models and Applications, Journal of Chemical Theory and Computation 17, (2023) 7112-7135
- Agnieszka G. Lipska, Adam K. Sieradzan, Sümeyye Atmaca, Cezary Czaplewski, Adam Liwo, Toward Consistent Physics-Based Modeling of Local Backbone Structures and Chirality Change of Proteins in Coarse-Grained Approaches, Journal of Physical Chemistry Letters 14, (2023) 9824-9833
- Krzysztof M. Ocetkiewicz, Cezary Czaplewski, Henryk Krawczyk, Agnieszka G. Lipska, Adam Liwo, Jerzy Proficz, Adam K. Sieradzan, Paweł Czarnul, UNRES-GPU for physics-based coarse-grained simulations of protein systems at biological time- and size-scales, Bioinformatics 39, (2023) btad391
- Leśniewski Mateusz, Iłowska Emilia, Sawicka Justyna, Tang Chun, Liwo Józef Adam, Unveiling the Phase Separation Behavior of Ultrashort peptides using UNRES coarse-grain force field , 8th Polish-Korean Conference on 1, (2023) 1
- Pyrka Maciej, Leśniewski Mateusz, Tang Chun, Liwo Józef Adam, Application of heterobifunctional cross-links pseudopotentials in UNRES , 8th Polish-Korean Conference on "Protein Folding: Theoretical and Experimental Approaches" 1, (2023) 1
- Adam Liwo, Maciej Pyrka, Cezary Czaplewski, Xubiao Peng, Antti J. Niemi, Long-time dynamics of selected molecular-motor components using a physics-based coarsegrained approach., 7th Telluride Workshop on Coarse-Grained Modeling of Structure and Dynamics of Biomacromolecules 1, (2023) 1
- Adam Liwo, Maciej Pyrka, Cezary Czaplewski, Xubiao Peng, Antti J. Niemi, Long-time dynamics of selected molecular-motor components using a physics-based coarsegrained approach., 21th KIAS Conference on Protein Structure and Function, Seoul, South Korea 1, (2023) 1