Področja dejavnosti

Program P1-0002

Računalniško modeliranje strukture in dinamike molekul

dr. Dušanka Janežič

Metode računalniške simulacije so se razvijale predvsem v smeri podaljševanja časovnega obdobja simulacij in povečevanja modelnih sistemov, kar prispeva k razumevanju odnosa med strukturo in funkcijo v bioloških makromolekulah. Zaradi heterogene narave teh makromolekul moramo izvesti povprečja čez večje število simulacij istega sistema.Vključevanje topila v simulacije pa za večkrat poveča obseg simuliranega sistema. Časovni obseg simulacij bi moral biti precej večji kot je nanosekundna skala, da bi lahko opisali kemijsko in biološko zanimive procese, ki nastopajo na mikrosekundni skali. Pričakujemo, da bo razvoj novih metod za molekularno modeliranje in njihova izvedba na vzporednih računalnikih pospešila računalniške simulacije molekul za več velikostnih redov. To bo omogočilo natančnejšo obravnavo znanih problemov, kot tudi obravnavo novih.

Cilji predlaganega raziskovalnega programa so:

a) Nadaljnji razvoj in uporaba simplektičnih metod za simulacijo molekulske dinamike makromolekul, SISM (Split Integration Symplectic Method) in HANA (Hydrogens ANAlyticaly), ki bosta omogočali integracijo gibalnih enačb z velikim časovnim korakom, pri tem pa bosta stabilni in ekonomični za računanje in ju bo mogoče uspešno implementirati na vzporednih računalnikih. Metodi sta osnovani na faktorizaciji Liouvilleovega operatorja in se razlikujeta od drugih pristopov, ki uporabljajo razcepitvene sheme, po analitični obravnavi visokofrekvenčnih nihanj. Uporabnost teh metod bomo pokazali na nekaterih biološko zanimivih primerih, predvsem proteinih.

b) Nadaljnji razvoj in uporaba kombinacije metod simulacije molekulske dinamike, analize po normalnih načinih nihanja in kvaziharmonske analize proteinov v raztopinah za študij hidratacije proteinov.

c) Nadaljnji razvoj in uporaba QM/MM metod, ki omogočajo računalniške simulacije s pomočjo kombiniranega klasičnega in kvantnega potenciala, kar omogoča natančnejše simulacije velikih bioloških molekul na ab initio nivoju.

d) Nadaljni razvoj računsko učinkovitih metod za določanje časovno odvisne elektronske strukture molekul na osnovi Kohn-Sham-ove formulacije teorije gostotnih funkcionalov, kjer elektronsko gostoto računamo preko enoelektronskih Greenovih funkcij. Ker izvajamo računsko najzahtevnejše operacije samo lokalno, s tem bistveno povečamo hitrost računanja elektronske strukture molekule.

e) Nadaljni razvoj in aplikacija kvantno kemijskih in klasičnih pristopov za izračun reakcijskih mehanizmov, predvsem za izračun ionskih reakcij izocianidov. Ugotovili bomo, ali splošno velja, da ionske reakcije izocianidov potekajo kot večkomponentne kemijske reakcije. Na področju računskih pristopov takih študij še ni bilo opravljenih, eksperimentalno pa tega problema ni mogoče obravnavati.

f) Nadaljnji razvoj in uporaba formalizma RISM, ki temelji na teoriji integralskih enačb, kar bo v kombinaciji s simulacijami Monte Carlo omogočilo globlje razumevanje povezave med makroskopskimi lastnostmi snovi in lastnostmi molekul, ki jih sestavljajo. Te povezave podajajo porazdelitvene funkcije, ki jih dobimo s pomočjo teorije integralskih enačb.

g) Nadaljnji razvoj novih in učinkovitih računalniških topologij za povezovanje osebnih računalnikov v gruče, ki bodo omogočale hitro vzporedno izvajanje programov za molekularano modeliranje in kar bo omogočilo implementacijo novo razvitih metod na vzporednih računalnikih.