Univerza na Primorskem Fakulteta za matematiko, naravoslovje in informacijske tehnologije
Več informacij o projektu / More info about the project
Vsebina projekta / Project content
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.
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: izboljšati algoritme, ki za združujejo napovedovanje proteinskih vezavnih mest na osnovi teoretičnih pristopov teorije grafov, s kartiranjem genskih variacij na vezavna mesta z vključitvijo prožnosti proteinov z uporabo simulacije molekulske dinamike. Poseben poudarek bomo namenili razvoju novih algoritmov za napovedovanje proteinskih vezavnih mest in razvoju spletnih orodij za modeliranje farmacevtsko zanimivih molekul. Naš cilj je razviti prosto dostopen atlas proteinskih interakcij za napovedovanje genskih variacij povezanih z interakcijami z zdravili in razvojem bolezni – ProBiS-ATLAS – atlas vseh proteinskih interakcij za napovedovanje genskih variacij povezanih z interakcijami z zdravili in razvojem bolezni vseh razpoložljivih proteinskih vezavnih mest v PDB s preslikanimi ligandi in genskimi variacijami. Atlas bo vseboval tudi informacije o učinkih genskih variacj na vezavo za vsak specifični ligand v PDB. Ta novo razviti pristop bo še posebej uporaben v kontekstu natančne medicine. Naša orodja bodo omogočila povezovanje večih in drugače nepovezanih področij raziskav, tj. teoretične pristope teorije grafov, študije zaporedja genov, strukture proteinov in simulacije molekulske dinamike.
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 tujimi raziskovalnimi ustanovami, iz Avstrije, Nemčije, Belgije, Japonske in iz ZDA, kjer deluje nekaj svetovno najuglednejših strokovnjakov na področju računalniških simulacij bioloških makromolekul. To sodelovanje bo dodalo našim raziskavam še dodatno prodornost.
ANG
Computer intensive methods and applications is extremely propulsive area of scientific research in which the use of supercomputers and computer clusters is used to solve the most demanding computational problems in theoretical and applied research in natural and technical sciences. We deal with solving of various types of problems, such as, structure and dynamics of molecules, bulk matter research, chemical and biochemical reactions, and the development of new drugs. Development of new computational methods is closely related to the development of new algorithms and the development of modern computers.
This project stands at the cutting edge of today’s research trends in the field of molecular modeling. It concentrates on some of the most relevant research areas within development and application of computer simulation techniques and approaches. The current state of the art and important historical contributions are briefly sketched, and our main research goals, based on the past results and contributions of the project participants, are stated. These goals include development of new methods and new improvements for molecular modeling and the simulation of complex macromolecular systems that increase the accuracy and efficiency of present-day computation approaches. We will use and develop molecular modeling methods, especially the simulation of molecular dynamics and chemical graph theory, a branch of mathematical chemistry concerned with discrete structures in chemistry.
We primarily aim to improve algorithms for combining protein binding site detection based on graph theoretical approaches, with sequence variants mapping to binding sites, and assessment of sequence variants’ impact on ligand binding by incorporating protein flexibility through molecular dynamics simulations. Special emphasis will be given to development of new algorithms for protein binding sites prediction as well as to development of web tools for modeling of pharmaceutically interesting molecules. We aim to develop a free web-based protein interaction atlas for prediction of genetic variations involved in drug interactions and disease development – ProBiS-ATLAS of all available protein binding sites in the PDB with mapped ligands and sequence variants. The atlas will also contain information about sequence variants’ effects on binding for each specific ligand in the PDB. This newly developed approach will be particularly useful in the context of precision medicine. Our tools will enable joining several otherwise disconnected areas of research, i.e., graph theoretical approaches, genome sequence studies, protein structures, and molecular dynamics simulation.
The proposed methodological improvements should significantly extend the scope of presently used algorithms in terms of length- and time-scales, and thus contribute to the general applicability of computer simulation algorithms. The simulation results of selected examples will facilitate the understanding of some fundamental problems in molecular biology, especially in the discovery of new biologically active compounds for the development of new drugs.
In spite of large potentials for concrete use of our results in certain branches of technology and industry, the main focus of our research remains development of general, new mathematical methods and algorithms in the field of molecular modeling, and as such, represents a contribution to overall scientific knowledge.
The project involves a number of researchers with excellent publishing records, currently active in Slovenia, guaranteeing research at the highest possible level. Nevertheless, collaboration with research institutions from Austria, Germany, Belgium, Japan and USA, where some of the most renowned world experts in the field of computer simulations of biological macromolecules are based, is planed too. This will further enhance our research.