Grant/Projek zakończony
Narzędzia do wielkoskalowych symulacji dużych układów biomolekularnych
Identyfikator grantu: PT00860
Kierownik projektu: Adam Liwo
Uniwersytet Gdański
Wydział Chemii
Gdańsk
Data otwarcia: 2021-01-28
Data zakończenia: 2023-01-26
Streszczenie projektu
Symulacje są obecnie powszechnie stosowanym narzędziem w badaniu procesów z udziałem biocząsteczek. Z uwagi na rozmiary układów symulacje wieloskalowe, w których operuje się w zależności od potrzeb reprezentacją o różnej rozdzielczości są koniecznością [1]. Na najwyższym poziomie rozdzielczości jest opis kwantowy, w wyróżnione są jądra atomowe i elektrony, na niższym opis dokładny na poziomie atomowym, gdzie każdy atom jest traktowany oddzielnie ale nie rozróżnia się elektronów, na jeszcze niższym różne stopnie opisu gruboziarnistego, w którym grupy atomów lub całe podstruktury albo molekuły są traktowane jako jednostki, zaś na najniższym opis mezoskopowy i opis układu jako kontinuum. Aby informacje otrzymane z obliczeń na różnych poziomach były ze sobą zgodne, opisy te muszą być oparte na fizyce układu. W przypadku przejścia od opisu kwantowego do dokładnego na poziomie atomowym narzędziem takim jest parametryzacja powierzchni energii w przybliżeniu Borna-Oppenheimera, zaś w przypadku opisu gruboziarnistego parametryzacja powierzchni potencjału średniej siły. To podejście jest rozwijane od wielu lat przez naszą grupę badawczą, czego wynikiem jest JEDNOROŻEC: 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. Ostatnio opracowaliśmy spójną teorię konstrukcji opartych na fizyce gruboziarnistych pól siłowych, oparty o formalizm kumulantów klastrowych Kubo [3] i analityczne rozwinięcie kumulantów w szereg potęgowy [4]. Dzięki rygorystycznemu oparciu modelu na fizyce statystycznej model UNICORN jest w stanie wiarygodnie symulować biocząsteczki i procesy z ich udziałem, pomimo bardzo silnego uproszczenia (2 centra oddziaływań na resztę aminokwasową białka lub na nukleotyd i 1 centrum na resztę cukrową). Metoda wraz z najnowszą parametryzacją pola siłowego [5] została udostępniona środowisku naukowemu w postaci pakietu oprogramowania dostępnego na stronie www.unres.pl, w postaci serwera umożliwiającego symulacje białek [7] i ich kompleksów [8].
W ramach wnioskowanego projektu model UNICORN będzie rozwijany, zarówno w celu zwiększenia dokładności modelowania na obecnym poziomie gruboziarnistym, usprawnienia algorytmów symulacji oraz rozszerzenia na badanie coraz to większego zakresu problemów, jak i zwiększania poziomu uproszczenia, w celu symulowania wirusów, struktur subkomórkowych, włączając w to organelle. Specyficzne zadania są jak następuje:
1. Opracowanie modułu oddziaływań białek z cukrami i wykalibrowanie opracowanych już potencjałów w celu poprawnego oddawania charakterystyk strukturalnych i termodynamicznych tych układów.
2. Parametryzacja lokalnych i korelacyjnych potencjałów oddziaływań z udziałem łańcuchów bocznych.
3. Wprowadzenie algorytmu Cicottiego dynamiki Langevina do dynamiki molekularnej w modelu UNICORN, z uwzględnieniem pięciopasmowej macierzy bezwładności, co powinno znacząco poprawić termalizację symulacji dla dużych układów i wytestowanie tego algorytmu na dużych układach (kapsydach wirusów).
4. Udoskonalenie hamiltonowskiej metody wymiany replik do symulacji z wykorzystaniem danych eksperymentalnych: magnetycznego rezonansu jądrowego, sieciowania chemicznego i małokątowego rozpraszania promieni rentgenowskich, w celu znajdowania struktur dużych białek i ich kompleksów w roztworze, również z uwzględnieniem równowagi konformacyjnej.
5. Rozszerzenie poziomu gruboziarnistości na elementy strukturalne (domeny i całe cząsteczki białek, kwasy nukleinowe) oraz opracowanie i sparametryzowanie odpowiednich opartych na fizyce potencjałów i algorytmu dynamiki molekularnej.
6. Testowanie opracowanych potencjałów i algorytmów w eksperymentach CASP https://www.predictioncenter.org/ i CAPRI https://www.ebi.ac.uk/pdbe/complex-pred/capri/ przewidywania struktur białek i ich kompleksów.
[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] Kubo, R., J. Phys. Soc. Japan, 17, 1100–1120 (1962).
[4] Sieradzan, Adam K., Makowski, Mariusz, Augustynowicz, Antoni and Liwo, Adam, J. Chem. Phys., 146, No. 12, 124106 (2017).
[5] Liwo, A., Sieradzan, A. K., Lipska, A. G., Czaplewski, C., Joung, I., Żmudzińska, W., Hałabis, A. and Ołdziej, S., J. Chem. Phys., 150, 155104 (2019).
[6] Liwo, A., Khalili, M., Czaplewski, C., Kalinowski, S., Ołdziej, S., Wachucik, K. and Scheraga, H.A., J. Phys. Chem. B, 111, 260–285 (2007).
[7] Czaplewski, C., Karczyńska, A., Sieradzan, A. K. and Liwo, A., Nucl. Acids Res., 46, W304–W309 (2018).
[8] Krupa, P., Karczyńska, A. S., Mozolewska, M. A., Liwo, A. and Czaplewski, C., Bioinformatics, doi:10.1093/bioinformatics/btaa897 (2020).
W ramach wnioskowanego projektu model UNICORN będzie rozwijany, zarówno w celu zwiększenia dokładności modelowania na obecnym poziomie gruboziarnistym, usprawnienia algorytmów symulacji oraz rozszerzenia na badanie coraz to większego zakresu problemów, jak i zwiększania poziomu uproszczenia, w celu symulowania wirusów, struktur subkomórkowych, włączając w to organelle. Specyficzne zadania są jak następuje:
1. Opracowanie modułu oddziaływań białek z cukrami i wykalibrowanie opracowanych już potencjałów w celu poprawnego oddawania charakterystyk strukturalnych i termodynamicznych tych układów.
2. Parametryzacja lokalnych i korelacyjnych potencjałów oddziaływań z udziałem łańcuchów bocznych.
3. Wprowadzenie algorytmu Cicottiego dynamiki Langevina do dynamiki molekularnej w modelu UNICORN, z uwzględnieniem pięciopasmowej macierzy bezwładności, co powinno znacząco poprawić termalizację symulacji dla dużych układów i wytestowanie tego algorytmu na dużych układach (kapsydach wirusów).
4. Udoskonalenie hamiltonowskiej metody wymiany replik do symulacji z wykorzystaniem danych eksperymentalnych: magnetycznego rezonansu jądrowego, sieciowania chemicznego i małokątowego rozpraszania promieni rentgenowskich, w celu znajdowania struktur dużych białek i ich kompleksów w roztworze, również z uwzględnieniem równowagi konformacyjnej.
5. Rozszerzenie poziomu gruboziarnistości na elementy strukturalne (domeny i całe cząsteczki białek, kwasy nukleinowe) oraz opracowanie i sparametryzowanie odpowiednich opartych na fizyce potencjałów i algorytmu dynamiki molekularnej.
6. Testowanie opracowanych potencjałów i algorytmów w eksperymentach CASP https://www.predictioncenter.org/ i CAPRI https://www.ebi.ac.uk/pdbe/complex-pred/capri/ przewidywania struktur białek i ich kompleksów.
[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] Kubo, R., J. Phys. Soc. Japan, 17, 1100–1120 (1962).
[4] Sieradzan, Adam K., Makowski, Mariusz, Augustynowicz, Antoni and Liwo, Adam, J. Chem. Phys., 146, No. 12, 124106 (2017).
[5] Liwo, A., Sieradzan, A. K., Lipska, A. G., Czaplewski, C., Joung, I., Żmudzińska, W., Hałabis, A. and Ołdziej, S., J. Chem. Phys., 150, 155104 (2019).
[6] Liwo, A., Khalili, M., Czaplewski, C., Kalinowski, S., Ołdziej, S., Wachucik, K. and Scheraga, H.A., J. Phys. Chem. B, 111, 260–285 (2007).
[7] Czaplewski, C., Karczyńska, A., Sieradzan, A. K. and Liwo, A., Nucl. Acids Res., 46, W304–W309 (2018).
[8] Krupa, P., Karczyńska, A. S., Mozolewska, M. A., Liwo, A. and Czaplewski, C., Bioinformatics, doi:10.1093/bioinformatics/btaa897 (2020).
Publikacje
- A. Antoniak, I. Biskupek, K.K. Bojarski, C. Czaplewski, A. Giełdoń, M. Kogut, M.M. Kogut, P. Krupa, A.G. Lipska, A. Liwo, E.A. Lubecka, M. Marcisz, M. Maszota-Zieleniak, S.A. Samsonov, A.K. Sieradzan, M.J. Ślusarz, R. Ślusarz, P.A. Wesołowski, K. Zięba, Modeling protein structures with the coarse-grained UNRES force field in the CASP14 experiment, Journal of Molecular Graphics and Modeling 108, (2021) 108008
- M.F. Lensink et al. , Prediction of protein assemblies, the next frontier: The CASP14-CAPRI experiment, Proteins 89, (2021) 1800-1823
- M. Krystafovych et al., Modeling SARS-CoV-2 proteins in the CASP-commons experiment, Proteins 89, (2021) 1987–1996
- E.A. Lubecka, A. Liwo, ESCASA: Analytical estimation of atomic coordinates from coarse-grained geometry for nuclear-magnetic-resonance assisted protein structure modeling. I. Backbone and Hβ protons, Journal of Computational Chemistry 42, (2021) 1579-1589
- M. Kogut, Z. Gong, C. Tang, A. Liwo, Pseudopotentials for coarse-grained cross-link-assisted modeling of protein structures, Journal of Computational Chemistry 42, (2021) 2054-2066
- Adam Liwo, Cezary Czaplewski, Adam K. Sieradzan, Agnieszka G. Lipska, Sergey A. Samsonov, Rajesh K. Murarka, Theory and Practice of Coarse-Grained Molecular Dynamics of Biologically Important Systems, Biomolecules 11, (2021) 1347
- Cezary Czaplewski, Zhou Gong, Emilia A. Lubecka, Kai Xue, Chun Tang, Adam Liwo, Recent Developments in Data-Assisted Modeling of Flexible Proteins, Frontiers in Molecular Biology 8, (2021) 755562
- Adam Liwo, Adam K. Sieradzan, Agnieszka S. Karczyńska, Emilia A. Lubecka, Sergey A. Samsonov, Cezary Czaplewski, Paweł Krupa, Magdalena Mozolewska, Physics-Based Coarse-Grained Modeling in Bio- and Nanochemistry, Practical Aspects of Computational Chemistry V, J. Leszczynski, M. K. Shukla (eds.) V, (2021) 31-69
- Adam K Sieradzan, Cezary R Czaplewski, Emilia A Lubecka, Agnieszka G Lipska, Agnieszka S Karczynska, Artur P Gieldon, Rafal Slusarz, Mariusz Makowski, Pawel Krupa, Mateusz Kogut, Anna Antoniak, Patryk A Wesolowski, Antoni Augustynowicz, Henryk Leszczynski, Jozef A Liwo, Extension of the Unres Package for Physics-Based Coarse-Grained Simulations of Proteins and Protein Complexes to Very Large Systems, Biophys. J. 120, (2021) 83a-84a
- Adam Liwo, Theory and practice of coarse graining, Mathematics of Life, MoL’2021 (13-16 September 2021, Hisarya, Bulgaria & online) 1, (2021) 1
- Emilia Lubecka, Adam Liwo, A coarse-grained approach to NMR-data-assisted modeling of protein structures, J. Comput. Chem. 43, (2023) 2047-2059
- Rafał Ślusarz, Emilia Lubecka, Cezary Czaplewski, Adam Liwo , Improvements and new functionalities of UNRES server for coarse-grained modeling of protein structure, dynamics, and interactions, Front. Mol. Biosci. 9, (2022) 1071428
- Iga Biskupek, Cezary Czaplewski, Justyna Sawicka, Emilia Iłowska, Maria Dzierżyńska, Sylwia Rodziewicz-Motowidło, Adam Liwo , Prediction of aggregation of biologically-active peptides with the UNRES coarse-grained model, Biomolecules 12, (2022) 1140
- Celina Sikorska, Adam Liwo, Origin of correlations between local conformational states of consecutive amino acid residues and their role in shaping protein structures and in allostery, J. Phys. Chem. B 126, (2022) 9493-9505
- Celina Sikorska, Adam Liwo, Correction to “Origin of correlations between local conformational states of consecutive amino-acid residues and their role in shaping protein structures and in allostery”, J. Phys. Chem. B 127, (2023) 425-426
- Adam Sieradzan, Jordi Sans‐Duñó, Emilia Lubecka, Cezary Czaplewski, Agnieszka Lipska, Henryk Leszczyński, Krzysztof M. Ocetkiewicz, Jerzy Proficz, Paweł Czarnul, Henryk Krawczyk, Józef Adam Liwo , Optimization of parallel implementation of UNRES package for coarse‐grained simulations to treat large proteins, J. Comput. Chem. 44, (2023) 602-625
- Adam Sieradzan, Cezary Czaplewski, Paweł Krupa, Magdalena Mozolewska, Agnieszka Karczyńska, Agnieszka Lipska, Emilia Lubecka, Ewa Gołaś , Tomasz Wirecki, Mariusz Makowski, Stanisław Ołdziej, Józef Adam Liwo , Modeling the structure, dynamics, and transformations of proteins with the UNRES force field, Methods in molecular biology (Clifton, N.J.), ISSN 1064-3745 2376, (2022) 399-416
- Adam Liwo, Adam Sieradzan, Agnieszka Karczyńska, Emilia A. Lubecka, Sergey Samsonov, Cezary Czaplewski, Paweł Krupa, Magdalena Mozolewska , Physics-based coarse-grained modeling in bio- and nanochemistry, Leszczynski Jerzy, Shukla Manoj K. (red.): Practical aspects of computational chemistry, 5, 2022, Springer, 298 s., ISBN 978-3-030-83243-8. DOI:10.1007/978-3-030-83244-5 1, (2022) 31-69
- Adam Liwo, Origin of through-sequence correlations between local conformational states of amino-acid residues and their role in shaping protein structures and in allostery, 6th Telluride Workshop on Coarse-Grained Modeling of Structure and Dynamics of Biomacromolecules, 2022, 25-07-2022 - 29-07-2022, Telluride, USA 1, (2022) 1
- Adam Liwo, Recent developments and applications of the unicorn coarsegrained model of biological macromolecules, Topology, Physics, and Chemistry of Soft Matter: Eutopia-IV, 2022, 05-09-2022 - 09-09-2022, Trento, Włochy 1, (2022) 1
- Celina Sikorska, Adam Liwo, Origin of through-sequence correlations between local conformational states of amino-acid residues and their role in shaping protein structures and in allostery, 20th KIAS Conference on Protein Structure and Function, 2022, 13-09-2022 - 17-09-2022, Seoul, Korea Południowa 1, (2022) 1