Projektbeschreibung
Ein ladungsskaliertes Kraftfeldmodell für ionenbedingte biologische Prozesse
Viele Signalfunktionen in biologischen Systemen basieren auf elektrischer Ladung, die häufig von Ionen und nicht Elektronen übertragen wird. Die Modellierung dieser Prozesse ist notwendig, um sie zu verstehen und bei der Behandlung ionenbedingter Pathologien zu manipulieren. Allerdings fehlt in den derzeitigen Modellen die Beschreibung eines wichtigen Effekts der Ionen auf die Umgebung, nämlich die elektrische Polarisation. Dadurch kommt es zu Ungenauigkeiten. In dem vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekt Q-SCALING wird dieses Problem mit Verfahren des maschinellen Lernens untersucht. Ziel ist es, ein umfassendes De-novo-Kraftfeld für biologische Systeme zu entwickeln, in dem die elektrische Polarisation über einen Molekularfeldzugang mittels Ladungssaklierung berücksichtigt wird. Mit diesem neuen ladungsskalierten Kraftfeldmodell können ionenspezifische Prozesse auf Molekular- bis Organebene präzise erfasst werden.
Ziel
Electrical stimuli are essential for a plethora of biological functions. Unlike in electronics, where electrons form currents, nature rather exploits ions as charge carriers. Lack of a consistent molecular picture of action of ions impairs progress in fundamental understanding of ion-controlled biological processes and in designing smart strategies for fixing ion-related pathological conditions. Molecular simulations represent a powerful tool for modelling such processes, however, they can only be as good as is the underlying interaction model (force field). A major drawback of commonly used force fields is the lack of description of electronic polarization, which results in severe artifacts such as a dramatic over-binding of ions, preventing, e.g. accurate modelling of calcium signalling processes. This now well-recognized deficiency hampers faithful modelling of complex ion-involving biological processes.
We will employ machine learning techniques to build a de novo comprehensive force field for biological systems, that accounts for electronic polarization in a mean field way via charge scaling. This approach will qualitatively improve modelling of ions in biological contexts without additional computational costs. This will allow us to address accurately the following highly relevant ion-specific processes of increasing complexity from molecular over cellular to organ levels:
1. Dissolution of radical anions of aromatic molecules as key intermediates in technologically and biologically important non-enzymatic and enzymatic Birch reduction processes.
2. Direct membrane translocation of cationic cell penetrating peptides with a potential of drug delivery.
3. Circulation of calcium ions as signalling charge carriers through ion channels of hair cells in the cochlea.
At the same time, the newly developed charge scaled force field will be made freely available to the community for further development and ready to be used within major simulation program packages.
Wissenschaftliches Gebiet
- natural sciencesbiological sciencescell biologycell signaling
- natural sciencesbiological sciencesbiochemistrybiomolecules
- natural sciencescomputer and information sciencescomputational sciencemultiphysics
- natural sciencescomputer and information sciencesartificial intelligencemachine learning
- natural sciencescomputer and information sciencessoftwaresoftware applicationssimulation software
Schlüsselbegriffe
Programm/Programme
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Thema/Themen
Finanzierungsplan
HORIZON-ERC - HORIZON ERC GrantsGastgebende Einrichtung
16610 Praha 6
Tschechien