Description du projet
Un modèle de champ de force à l’échelle de la charge pour les processus biologiques liés aux ions
Les systèmes biologiques s’appuient sur le flux de charges électriques pour une myriade de fonctions de signalisation, souvent assurées par des ions plutôt que par des électrons. La modélisation de ces processus est une condition préalable à leur compréhension et à l’exploitation des connaissances acquises dans le cadre des thérapies des pathologies liées aux ions. Les modèles actuels ne décrivent toutefois pas un effet important des ions sur l’environnement, à savoir la polarisation électronique, ce qui engendre des imprécisions. Financé par le Conseil européen de la recherche, le projet Q-SCALING entend combler cette lacune à l’aide de techniques d’apprentissage automatique. L’objectif est de construire un champ de force complet de novo pour les systèmes biologiques qui tient compte de la polarisation électronique dans un champ moyen par le biais de la mise à l’échelle des charges. Le nouveau modèle de champ de force à l’échelle de la charge permettra de traiter avec précision les processus spécifiques aux ions, du niveau moléculaire au niveau de l’organe.
Objectif
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.
Champ scientifique
- 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
Mots‑clés
Programme(s)
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Thème(s)
Régime de financement
HORIZON-ERC - HORIZON ERC GrantsInstitution d’accueil
16610 Praha 6
Tchéquie