Download - Zora Střelcová, NCBR
![Page 1: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/1.jpg)
Počítačová chemie výpočetně náročné simulace chemických
a biomolekulárních systémů
Zora StřelcováNárodní centrum pro výzkum biomolekul, Masarykova univerzita,
Kotlářská 2, 611 37 Brno, Česká [email protected]
![Page 2: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/2.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 2
Obsah
� Úvod� Výpočetně chemické metody� Pohled do praxe� Shrnutí
![Page 3: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/3.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 3
Simulace …………… Úvod
![Page 4: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/4.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 4
Úvod: Národní centrum pro výzkum biomolekul
![Page 5: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/5.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 5
Úvod: Národní centrum pro výzkum biomolekul� Nezávislá součást PřF MU, Brno� Výzkum v oblasti proteinů a nukleových
kyselin (RNA, DNA) -> biomakromolekul
![Page 6: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/6.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 6
Úvod: Národní centrum pro výzkum biomolekul
Laboratoř výpočetní chemie (LCC)NMR
Nanotechnologie
RNA/protein interakce
DNA opravné procesy
Výpočetní studie nukleových kyselin
Zpracování a degradace RNA
Glykobiochemie
![Page 7: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/7.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 7
Úvod: Laboratoř výpočetní chemie� Studium proteinů, nukleových kyselin a jejich
interakcí s využitím počítačové chemie� Molekulová dynamika, kvantová chemie, QM/MM,
výpočty volných energií� Vývoj software (Nemesis, Triton, MOLE …)� Vývoj metod (PMFlib, EEM, QM/MM, …)
![Page 8: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/8.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 8
Simulace ……………Výpočetně chemickémetody
![Page 9: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/9.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 9
Výpočetně chemické metody: Výpočetní chemie:� Souhrn algoritmů a jejich implementace, řešící
reálné chemické problémy� Umožňuje předpověď i potvrzení experimentálních
dat� Spolupráce s experimentátory� Validace experimentem
![Page 10: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/10.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 10
Výpočetně chemické metody: Cíle:� Využití výpočetních metod k předpovědi
� dynamických vlastností biomolekulárníchsystémů� reakčních mechanismů� struktury
� Vývoj nových výpočetních metod k� rychlejšímu získání výsledků� přesnějším výsledkům� výsledkům nedostupných bežnými metodami
![Page 11: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/11.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 11
Výpočetně chemické metody: Prostředky: Stroje
lidé
analýza
experiment
simulace
hypotéza
![Page 12: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/12.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 12
Výpočetně chemické metody: Používané výpočetní zdroje:�MetaCentrum:
�Národní gridový projekt� cca 1 500 CPU (2.5 – 3.0 GHz)�� vlastní zdroje NCBR cca 340 CPU
� Gridové prostředí VOCE (projekt EGEE)�Region střední Evropy� cca 8 500 CPU� cca 200 TB diskové kapacity
![Page 13: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/13.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 13
Výpočetně chemické metody: Výpočetní chemie:� Kvantová mechanika � Molekulová mechanika � QM/MM metody� Molekulová dynamika
![Page 14: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/14.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 14
Výpočetně chemické metody: Kvantová mechanika:� Vychází ze základních fyzikálních zákonů
(Schrödingerova rovnice)� Velmi přesné X velmi výpočetně náročné� Použitelná pro malé systémy ( cca 150 atomů)� V současné době nepoužitelná pro biomolekuly
a systémy v explicitním rozpouštědle (voda)
![Page 15: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/15.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 15
Výpočetně chemické metody: Kvantová mechanika:� Použití
� Optimalizace systémů� Posouzení stability systémů� Návrh reakčních mechanismů� Vlastnosti molekul (vibrační a absorbčníspektra, a jiné )
� Programové balíky� Gaussian� Turbomole� Gamess US/UK, …
![Page 16: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/16.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 16
Výpočetně chemické metody: Molekulová mechanika:� Vychází z Newtonovy fyziky� Vlastnosti molekul jsou aproximovány modelemhmotných bodů spojených pružinami� Model silového pole -> jednotlivé konstanty jsouodvozeny z experimentu nebo z kvantověchemických výpočtů� Výsledky srovnatelné s kvantovou mechanikou, v některých případech i lepší (validaceexperimentem)
![Page 17: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/17.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 17
Výpočetně chemické metody: Molekulová mechanika:� Použitelná na biomakromolekuly� Simulace systémů v explicitním rozpouštědle� Systémy do velikosti cca 100 000 atomů� Neumí popsat rozpad a vznik chemické vazby� Nelze použít na studium reakčních mechanismů
![Page 18: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/18.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 18
Výpočetně chemické metody: Molekulová dynamika:� Popis systému v závislosti na čase� Integrace Newtonových pohybových rovnic
� V současné době simulace:� v řádech desítek ns – molekulová mechanika� stovky pikosekund – kvantová mechanika
Fi = mi ai
![Page 19: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/19.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 19
Výpočetně chemické metody: Molekulová dynamika:� Programové balíky
� Amber� GROMACS� GROMOS, …
![Page 20: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/20.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 20
Výpočetně chemické metody: QM/MM metody� Quantum Mechanics/ Molecular Mechanics� Použitelné na velké systémy (proteiny, …)� Popis reakčních mechanismů� Oblast, kde probíhá chemická reakce, je popsána kvantovou mechanikou� Zbytek systému (+rozpouštědlo) molekulovoumechanikou
![Page 21: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/21.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 21
Výpočetně chemické metody: QM/MM metody QM
MM
![Page 22: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/22.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 22
Simulace ……………Pohled do praxe …
![Page 23: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/23.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 23
Pohled do praxe …
náboj 0 náboj 2+
∆ pH+
Studium supramolekulárních komplexů� Studium dynamiky systému pseudorotaxanů� Vyhodnocení intramolekulárních posunů v závislosti náboji osičky� Energetické vyhodnocení vazebných módů� Srovnání s dostupnými experimentálními daty
![Page 24: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/24.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 24
Pohled do praxePseudorotaxany:� Supramolekulární komplexy � Kolečko + osička = stabilníkomplex� Kolečko je fixováno na oseZkoumané komplexy
Cucurbit[n]uril – kolečkoDeriváty 4,4’-bipyridinu
![Page 25: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/25.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 25
Pohled do praxe
![Page 26: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/26.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 26
Pohled do praxeVýsledky – určení geometrických vlastností
![Page 27: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/27.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 27
Pohled do praxeVýsledky – Analýza chování rozpouštědla
Radiální distribuční funkceVizuální statistická analýza
![Page 28: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/28.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 28
Pohled do praxeVýpočty volné energie � Umožňují kvalitativní srovnání výpočtů
a experimentálních hodnot� Experimenty v této oblasti jsou náročné nebo
neuskutečnitelné� Výpočty volných energií umožňují nalezení
minim/maxim/tranzitního stavu� Důležitá je volba reakční koordináty
![Page 29: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/29.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 29
Pohled do praxeVýpočty volné energie
Tranzitní stav
Výchozí stav
Koncový stav
Reakční koordináta
Aktivační energie
Volná energie
![Page 30: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/30.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 30
Pohled do praxeVýpočty volné energie
Globální minimum
Lokální minimum
Tranzitní stav
![Page 31: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/31.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 31
Pohled do praxeVýpočty volné energie � Obecným problémem výpočtů volných
energií je špatné vzorkování -> časovánáročnost
� Řešení nabízí Metody potenciálu střednísíly (PMF metody)� Metadynamika� Umbrella sampling� Adaptive Biasing Force, …
![Page 32: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/32.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 32
Pohled do praxeVýpočty volné energie – PMF metody� Systém je „nucen“ vyvíjet se podle
reakční koordináty� Metoda musí umět rekonstruovat původní profil� Během 10 ns rozumné výsledky
![Page 33: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/33.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 33
Pohled do praxeVýpočty volné energie – ABF metoda
![Page 34: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/34.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 34
Pohled do praxeVýpočty volné energie – PMF metody� Multiple Walkers Approach
Acumulator
MD 1MD 1MD
Acumulatedforce
One walker Sampling
Improved sampling
Multiple Walkers
MD
ABF
MD
AB F
MPI
MD
![Page 35: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/35.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 35
Pohled do praxeVýpočty volné energie – ABF metoda
![Page 36: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/36.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 36
Pohled do praxeVýpočty volné energie Systém:� Cucurbit[7]uril� 1,1’-bis(4-carboxybutyl)-4,4'-bipyridinium
+
![Page 37: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/37.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 37
Pohled do praxeVýpočty volné energie Simulační detaily� celkem 25 ns molekulově dynamických simulací� dvě různé startovní konformace komplexu� pro výpočet volných energií 50 nezávislých klientů (tzv. walkers)� výpočet volné energie je tedy cca 50x rychlejšínež běžná ABF simulace� Celkem napočítáno 250 ns za 10 dní� Standardně: 1 ns ~ 2 dny
![Page 38: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/38.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 38
Pohled do praxeVýpočty volné energie Simulační detaily� Programový balík: Amber� Přídavná knihovna PMF library� Silová pole GAFF, ff99SB� Systémy simulovány ve vodě a iontovém roztoku� Iontový roztok poskytuje podmínky srovnatelné
s experimentem
![Page 39: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/39.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 39
Pohled do praxe
náboj 0náboj 2+
∆ pH
Dvě ekvivalentní minima Globalní minimum
![Page 40: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/40.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 40
Pohled do praxeShrnutí� S využitím metod
� molekulová dynamika� ABF metoda výpočtu volných energiíjsme prokázali chování komplexů cucurbit[n]urilůjako nanomolekulárních přepínačů
� Použitý přístup ABF + MWA umožnil paralelizaci výpočtu a jeho výrazné urychlení
![Page 41: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/41.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 41
Shrnutí� Výpočetní chemie umožňuje zkoumání problému na základní atomární úrovni� Dokáže simulovat systémy (biomakromolekuly) � Důležitá spolupráce s experimentem
![Page 42: Zora Střelcová, NCBR](https://reader033.vdocuments.pub/reader033/viewer/2022051103/5889b40e1a28ab5d558b5421/html5/thumbnails/42.jpg)
Zora St řelcová, NCBR 42
Poděkování� Petr Kulhánek� prof. Jaroslav Koča� LCC skupina� Zdenek Šustr � Jiří Sitera�METACentrum� EGEE project
Děkuji vám za pozornost …