Opis projektu
Skalowany ładunkowo model pola siłowego procesów biologicznych związanych z jonami
Systemy biologiczne wykorzystują przepływ ładunku elektrycznego na potrzeby niezliczonych funkcji sygnalizacyjnych, często realizowanych przez jony, a nie elektrony. Modelowanie tych procesów jest warunkiem wstępnym do ich zrozumienia i wykorzystania w terapii szeregu zaburzeń związanych z procesami, w których biorą udział jony. Jednak niekompletność obecnych modeli, w których brakuje opisu jednego z istotnych elementów oddziaływania jonów na środowisko, a mianowicie polaryzacji elektronowej, prowadzi do otrzymywania niedokładnych rezultatów. Tym poważnym brakiem zajmie się zespół finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych projektu Q-SCALING, który w swojej pracy wykorzysta techniki uczenia maszynowego. Celem jest zbudowanie na nowo kompleksowego pola siłowego na potrzeby badania systemów biologicznych, które uwzględni polaryzację elektronową w sposób średniopolowy poprzez skalowanie ładunków. Nowo opracowany model pola siłowego ze skalowaniem ładunków umożliwi dokładne uwzględnienie procesów specyficznych dla jonów, zachodzących na różnych poziomach – od molekularnego aż do poziomu całego narządu.
Cel
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.
Dziedzina nauki
- 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
Słowa kluczowe
Program(-y)
- HORIZON.1.1 - European Research Council (ERC) Main Programme
Temat(-y)
System finansowania
HORIZON-ERC - HORIZON ERC GrantsInstytucja przyjmująca
16610 Praha 6
Czechy