C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -1Petr
Kulhánek
kulhanek@chemi.muni.cz
Národní centrum pro výzkum biomolekul
&
CEITEC – Středoevropský technologický institut
Univerzitní kampus Bohunice, Pavilon A4
Masarykova Univerzita
Kamenice 5, Brno
Výpočetní chemie
LCC Laboratory of Computational
Chemistry
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -2Prezentace
je dostupná ve studijních
materiálech předmětu:
C4185 Seminář k bakalářské práci I
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -3Experiment
vs výpočetní chemie
hypotéza
výsledek
problém
poznání
experiment
simulace
realitu kolem nás
 rozlišení
 drahý, nebezpečný,
nerealizovatelný
 rozlišení (nejčastěji atomové)
 libovolné myšlenkové konstrukce
 model
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -4Co
studujeme ...
"malé" komplexy
biomolekulární
systémy
vybrané systémy studované skupinou výpočetní chemie
atomové rozlišení
zhrubené modely
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -5Výpočetní
zdroje ....
MetaCentrum/CERIT-SC
• Národní gridová infrastruktura
• ca 10000 CPU jader + 120 GPU
• CEITEC/NCBR vlastní zdroje cca 1300
CPU jader
• úložná kapacita 1,5 + 18 PB
http://www.metacentrum.cz/
http://www.cerit-sc.cz/
Účet může získat student libovolné vysoké školy.
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -6Multidisciplinární
obor
algoritmy, CPU/GPU,
cluster/grid,
symbolické výpočty
analytické řešení,
numerická řešení,
aproximace
teorie, aproximace
(bio)chemické problémy,
experimenty,
ověřování
Výpočetní
chemie
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -7Vybrané
projekty
Studium (bio)molekulárních systémů
 Reakční mechanismy enzymatických reakcí
 DNA mutační motivy
 Analýza trajektorií molekulárně dynamických
simulací
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -8-
Glykosyltransferázy
Glycosyltransferázy jsou enzymy, které katalyzují přenos aktivovaného cukerného zbytku
na (oligo)sacharidy, proteiny či jiné biomolekuly. Jsou důležité v post-translační modifikaci
proteinů, regulaci, či vytváření strukturní podpory.
Mycobacterium tuberculosis
(patogenní baktérie)
Clostridium difficile
(patogenní baktérie)
smrt buňky
Motivace:inhibitorglycosyltransferázové
aktivitytoxinu->protijed
Motivace:inhibitorsyntézydůležité
složkymembrány->antibiotikum
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -9Reakčních
mechanismy - projekty
Spoluřešitelé (školitelé či konzultanti):
 prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
(Výpočetní chemie - Centrum strukturní biologie - Středoevropský technologický institut)
 Mgr. Stanislav Kozmon, Ph.D.
(Výpočetní chemie - Centrum strukturní biologie - Středoevropský technologický institut)
 Ing. Igor Tvaroška, DrSc.
(Ústav chemie, Slovenská akademie věd)
A) Glycosyltransferáza GlfT2
B) Katalytická doména TcdB
dvě různé reakce v jednom aktivním místě
Nalezení mechanismu enzymatické
reakce a určení struktury tranzitního
stavu je důležitým krokem při návrhu
selektivních inhibitorů.
Simulační techniky:
- molekulová dynamika
- kvantově chemické výpočty
- výpočty volných (Gibbsových) energií
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -10DNA
mutační motivy
MutL
MutH
MutS (rozpoznání chyby)
vyřezání poškozeného
úseku DNA
Při replikaci DNA dochází k celé řadě chyb, které jsou opravovány s různou účinností. Cílem
projektu je určit vliv mutací na mechanické vlastnosti DNA a případnou souvislost s
opravnými mechanismy.
Chyby v párování bází mění flexibilitu DNA,
která je detekována proteinem MutS.
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -11DNA
mutační motivy - projekty
Spoluřešitelé (školitelé či konzultanti):
 Mgr. Kamila Réblová, Ph.D.
(Lékařská genomika - Centrum molekulární medicíny - Středoevropský technologický institut)
 Mgr. Naděžda Špačková, Ph.D.
(Ústav fyziky kondenzovaných látek - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta)
Metody:
- molekulová dynamika
- výpočty volných (Gibbsových) energií
- kvantově chemické výpočty
- bioinformatika
Cílem projektu je studovat vliv sekvenčního kontextu na mechanické
vlastnosti DNA.
Studované mutace v genech:
• PAH (související s hyperfenylalaninémie)
• LDLR (související s hypercholesterolémie)
• CFTR (související s cystickou fibrozou)
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -12Analýza
trajektorií MD simulací
S nástupem GPU akcelerace v posledních 5 až 10 letech narůstá množství dat získaných z
molekulárně dynamických (MD) simulací. Otázkou tedy již není jak simulace provést, ale
jak je efektivně analyzovat.
Příklad:
FactorIX (90.906 atomů), int. krok 2 fs, NVT, pmemd 14.0, ambermd.org
2x E5-2650 (2 GHz, 20 CPU jader): 4,69 ns/den
2x GTX-Titan-X: 86,57 ns/den (18x rychlejší)
CATs interpreter:
hybridní přístup kombinující JavaScriptový engine z QT
knihovny (flexibilita) a rozšíření v C++ (rychlost), které
zpřístupňuje výsledky simulací uživateli
Uživatel:
vytváří skripty v JavaScriptu
za účelem analýzy dat z MD
simulací
Cíle projektu:
rozšiřovat funkcionalitu prostředí implementací nových
modulů (typů analýz) v C++ a testovat implementované
moduly na reálných MD simulacích
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -13-
Shrnutí
 Práce na zajímavých projektech
 Využívání nejmodernějších výpočetních technologií
 Práce ve zkušeném kolektivu
 Možnost práce z domu
Je pro Vás výpočetní chemie vhodná?
Zapište si:
C2110 Operační systém UNIX a základy programování (PS)
C2115 Praktický úvod do superpočítání (konec PS – blokově)
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I (PS)
C7800 Počítačová chemie a molekulové modelování I – cvičení (PS)
C4185 Seminář k bakalářské práci I, 2. května, 2016 -14-
Kontakt
http://www.ninger.com/images/comp.jpg
RNDr. Petr Kulhánek, PhD.
kulhanek@chemi.muni.cz
Národní centrum pro výzkum
biomolekul
Pavilon A4, UKB, Místnost 2.31