Narzędzia do wielkoskalowych symulacji dużych układów biomolekularnych

Kierownik projektu: Adam Liwo

Realizatorzy:

  • Victoria Bielecki
  • Iga Biskupek
  • Joanna Biss
  • Krzysztof Bojarski
  • Łukasz Golon
  • Yi He
  • Agnieszka Karczyńska
  • Emilia Lubecka
  • Joanna Makowska
  • Karolina Zięba
  • Stanisław Ołdziej
  • Gia Maisuradze

Uniwersytet Gdański

Wydział Chemii

Gdańsk

Data otwarcia: 2021-01-28

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).


← Powrót do spisu projektów

KONTAKT

Nasi konsultanci służą pomocą przyszłym i początkującym użytkownikom specjalistycznego oprogramowania zainstalowanego na Komputerach Dużej Mocy w Centrum Informatycznym TASK.

Kontakt w sprawach Komputerów Dużej Mocy, oprogramowania/licencji, grantów obliczeniowych, sprawozdań:

kdm@task.gda.pl

Administratorzy odpowiadają na maile w dni robocze w godzinach 8:00 – 15:00.