C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -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 skupina výpočetní chemie LCC Laboratory of Computational Chemistry C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -2Prezentace je dostupná ve studijních materiálech předmětu: C4185 Seminář k bakalářské práci I C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -3Experiment vs výpočetní chemie hypotéza výsledek problém poznání experiment simulace C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -4Výpočetní chemie vs experiment reálný problém (chování chemického systému na makroskopické úrovni) molekulární podstata (chování chemického systému na mikroskopické úrovni) experiment simulace Výpočetní chemie může doplnit experimentální výsledky pomocí počítačových simulací studovaných systémů s atomovým rozlišením a získat tak ucelený a konzistentní pohled na studovaný problém. “přesnost” “rozlišení” C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -5Multidisciplinární 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, 23. května, 2017 -6Co studujeme ... "malé" komplexy biomolekulární systémy vybrané systémy studované skupinou výpočetní chemie atomové rozlišení zhrubené modely C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -7Vybrané projekty Studium (bio)molekulárních systémů ➢ Reakční mechanismy enzymatických reakcí ➢ Mechanika DNA a mutační motivy C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -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, 23. května, 2017 -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, 23. května, 2017 -10Příklad ppGalNAcT2 Janoš, P., Trnka, T., Kozmon, S., Tvaroska, I., & Koča, J. (2016). Different QM/MM Approaches To Elucidate Enzymatic Reactions: Case Study on ppGalNAcT2. Journal of Chemical Theory and Computation, 12(12), 6062-6076. Trnka, T., Kozmon, S., Tvaroška, I., & Koča, J. (2015). Stepwise Catalytic Mechanism via Short-Lived Intermediate Inferred from Combined QM/MM MERP and PES Calculations on Retaining Glycosyltransferase ppGalNAcT2. PLoS Comput. Biol., 11(4), e1004061. Aktivní centrum C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -11Příklad ppGalNAcT2 N-acetylgalaktosamin C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -12počáteční stav C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -13- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -14- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -15- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -16- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -17- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -18- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -19- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -20- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -21- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -22- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -23- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -24- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -25- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -26- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -27- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -28- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -29- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -30- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -31- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -32- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -33- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -34- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -35- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -36- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -37- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -38- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -39- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -40- C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -41koncový stav C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -42- Výsledek C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -43Mechanika DNA a 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, 23. května, 2017 -44DNA 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, 23. května, 2017 -45Výpočetní zdroje .... MetaCentrum/CERIT-SC • Národní gridová infrastruktura • ca 10000 CPU jader + 120 GPU • CEITEC/NCBR vlastní zdroje cca 1000 CPU jader • úložná kapacita 1,5 + 18 PB http://www.metacentrum.cz/ http://www.cerit-sc.cz/ Účet může získat student libovolné vysoké školy. IT4Innovation • superpočítačové centrum v TOP500 http://www.it4i.cz/ Projektové žádosti. C4185 Seminář k bakalářské práci I, 23. května, 2017 -46- 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, 23. května, 2017 -47- 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