Grant/Projek zakończony
Modele gruboziarniste oparte o fizykę oddziaływań do symulowania układów biomolekularnych w dużych skalach czasu i wielkości
Identyfikator grantu: PT01021
Kierownik projektu: Adam Liwo
Uniwersytet Gdański
Wydział Chemii
Gdańsk
Data otwarcia: 2023-01-26
Data zakończenia: 2025-02-10
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
- Mateusz Leśniewski, Maciej Pyrka, Cezary Czaplewski, Nguyen Truong Co, Yida Jiang, Zhou Gong, Chun Tang, and Adam Liwo*, Assessment of Two Restraint Potentials for Coarse-Grained Chemical-Cross-Link-Assisted Modeling of Protein Structures, Journal of Chemical Information and Modeling 64, (2024) 1377-1393
- Krzysztof M. Ocetkiewicz, Cezary Czaplewski, Henryk Krawczyk, Agnieszka G. Lipska, Adam Liwo, Jerzy Proficz, Adam K. Sieradzan, Paweł Czarnul, Multi-GPU UNRES for scalable coarse-grained simulations of very large protein systems, Computer Physics Communications 298, (2024) 109112
- C. Czaplewski, P. Czarnul, H. Krawczyk, A.G. Lipska, E.A. Lubecka, K.M. Ocetkiewicz, J. Proficz, A.K. Sieradzan, R. Ślusarz, A. Liwo, MULTI-GPU-POWERED UNRES PACKAGE FOR PHYSICS-BASED COARSE-GRAINED SIMULATIONS OF STRUCTURE, DYNAMICS, AND THERMODYNAMICS OF PROTEIN SYSTEMS AT BIOLOGICAL SIZE- AND TIMESCALES, BPS2024; 24th Annual Meeting of the Biophysical Society, Philadelphia, PA, 1, (2024) 24-A-1879-BPS
- Mateusz Leśniewski, Emilia Iłowska, Justyna Sawicka, Zihan Li, Chun Tang, and Adam Liwo, Coarse-Grained Simulation Study of the Association of Selected Dipeptides, Journal of Physical Chemistry B 128, (2024) 12403-12415
- A. Liwo, C. Sikorska, A.G. Lipska, A.K. Sieradzan, S. Atmaca, C. Czaplewski, Mean- Field Coupling Between Local Interactions in Proteins in Relation to Chirality, Secondary, and Supersecondary Structure Formation, and Allostery, Methods in Molecular Biology 2870,, (2025) 267-288
- E.A. Lubecka, C. Czaplewski, A.K. Sieradzan, A.G. Lipska, L. Dziadek, A. Liwo, Secondary Structure in Free and Assisted Modeling of Proteins with the Coarse-Grained UNRES Force Field, Methods in Molecular Biology 2867, (2024) 19-41
- A. Liwo, UNRES Package for Physics-Based Coarse-Grained Simulations of Structure, Dynamics, and Thermodynamics of Protein Systems at Biological Size- and Time Scales, 19th Annual Meeting of the Bulgarian Section of SIAM BGSIAM’24, 11-13.12.2024 Sofia, Bulgaria 1, (2024) 1
- Cezary Czaplewski, Adam K. Sieradzan, Marta Pągielska, Jakub Susoł, Magdalena J. Ślusarz, Rafał Ślusarz, Łukasz Dziadek, Annemarie Danielsson, Truong Co Nguyen, Mateusz Leśniewski, Emilia A. Lubecka, Sümeyye Atmaca, Krzysztof K. Bojarski, Alexandra Leinberger, Sergey A. Samsonov, Łukasz Golon, Adam Liwo, Protein and RNA/DNA structure prediction with the UNRES and NARES-2P coarse grained models assisted by AlphaFold, 16th Community Wide Experiment on the Critical Assessment of Techniques for Structure Prediction C A S P 16 Grand Palladium, Punta Cana, Dominican Republic December 1-4, 2024 1, (2024) 232-234