Descrizione del progetto
Un modello di campo di forza con scala relativa alla carica dei processi biologici legati agli ioni
I sistemi biologici si affidano al flusso di carica elettrica per una miriade di funzioni di segnalazione, spesso svolte da ioni anziché da elettroni. La modellazione di questi processi è un prerequisito per comprenderli e sfruttarne le informazioni nelle terapie per le patologie legate agli ioni. Tuttavia, i modelli attuali non descrivono un importante effetto degli ioni sull’ambiente, ovvero la polarizzazione elettronica, il che comporta delle imprecisioni. Finanziato dal Consiglio europeo della ricerca, il progetto Q-SCALING affronterà questa carenza utilizzando tecniche di apprendimento automatico. L’obiettivo è quello di costruire un campo di forze completo de novo per i sistemi biologici che tenga conto della polarizzazione elettronica in una modalità di campo medio attraverso la messa in scala della carica. Il nuovo modello di campo di forza con scala relativa alla carica consentirà di affrontare con precisione i processi specifici degli ioni, dal livello molecolare a quello degli organi.
Obiettivo
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.
Campo scientifico
- 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
Parole chiave
Programma(i)
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Argomento(i)
Meccanismo di finanziamento
HORIZON-ERC - HORIZON ERC GrantsIstituzione ospitante
16610 Praha 6
Cechia