C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -1-
2. Skupina výpočetní chemie
C7790
Počítačová chemie a
molekulové modelování I
Petr Kulhánek
kulhanek@chemi.muni.cz
Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta
Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -2Skupina
výpočetní chemie
CEITEC-MU
(přehled řešených projektů)
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -3CEITEC
– Skupina výpočetní chemie
prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
(vedoucí)
1 profesor
4 výzkumní asistenti
3 postdoktorální studenti
11 doktorští studenti
Mgr. Martin Prokop, Ph.D.
E-mail: martin.prokop@ceitec.muni.cz
Expertise: Software dev, Dockig
RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.
E-mail: petr.kulhanek@ceitec.muni.cz
Expertise: QM, QM/MM, MD, Free Energy
RNDr. Radka Svobodová, Ph.D.
E-mail: radka.svobodova@ceitec.muni.cz
Expertise: Chemo and Bioinformatics
RNDr. Robert Vácha, Ph.D.
E-mail: robert.vacha@ceitec.muni.cz
Expertise: MD, MC, Coarse Grain, Free Energy
Mgr. Stanislav Kozmon, Ph.D.
E-mail: stano@chemi.muni.cz
Expertise: QM, QM/MM
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -4Cíle
skupiny
 Využití výpočetních metod k předpovědi
 dynamických vlastností biomolekulárních systémů
 reakčních mechanismů
 struktury
 Vývoj nových výpočetních metod k
 rychlejšímu získání výsledků
 přesnějším výsledkům
 výsledkům nedostupných běžnými metodami
lektiny enzymy velké biomolekulární komplexymalé komplexy
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -5Kvantově
mechanické výpočty
Methody: semiempirical, DFT, ab inito,
CCSD(T)
Software: gaussian, turbomole, adf, jaguar,
dft-b, cpmd, mopac
bambus[6]uril/anion interakce testování CH-p disperzní interakce
 Velmi přesné interakční energie
 Reakční mechanismy
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -6Molekulová
dynamika
 Konformační přeměny, vazebné energie, výpočty volných energií
otevírání volné BsoBI endonukleasy
Methody: molekulová mechanika (GAFF,
PARM99SBBSC0)
Software: Amber + PMFLib, Q package
struktura rozpouštědla okolo cucurbiturilu
interakce kalcit/chitin
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -7Studium
enzymatických reakcí
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -8Studium
enzymatických reakcí
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -9Hrubozrné
modely
 zpřístupňuje větší systémy a časové škály
 redukuje nedůležité stupně volnosti
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -10Průchod
nanočástice membránou
RNDr. Robert Vácha, PhD.
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -11-
Software
SiteBinderMoleTriton EEM
The program TRITON is a graphical tool for
computational aided protein engineering.
PMFLib is a set of various programs and libraries
suited for free energy calculations. It implements:
adaptive biasing method, constrained dynamics,
metadynamics, and others.
More at: https://lcc.ncbr.muni.cz
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -12-
Hardware
Přístup a expertiza s heterogenními výpočetními zdroji:
MetaCentrum
• Národní gridový projekt
• cca 11000 CPU jader, 1100 TiB diskové pole, 17 PiB
hierarchická úložiště
http://metavo.metacentrum.cz/
IT4Innovations (http://it4i.cz)
• Národní superpočítačové centrum
• salomon (cca 24192 CPU jader, 129TB RAM)
http://it4i.cz/
Stereoprojekce
• Počítačová místnost 1.18/A4 (22+1 brýlí)
• Seminární místnost 2.11/A4 (22 brýlí)
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -13Vybrané
projekty
Studium (bio)molekulárních systémů
RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.
 Karbonická anhydráza IX
 Reakční mechanismy enzymatických reakcí
 DNA mutační motivy
 Mechanika nanostruktur nukleových kyselin
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -14Karbonická
anhydráza IX
Zvýšená produkce karbonické anhydrázy IX v solidních nádorech v
důsledku hypoxie snižuje pH v mezibuněčném prostoru což vede k
zvýšené mobilitě nádorových buněk.
Karbonické anhydrázy tvoří rodinu enzymů, které katalyzují rychlou přeměnu oxidu
uhličitého na hydrogenuhličitan a protony (nebo naopak). Jedná se o metaloproteiny
obsahující zinečnatý iont v aktivním místě.
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -15Karbonická
anhydráza IX - projekty
Zahraniční spolupráce Slovenská akademie věd:
 Ing. Igor Lacík, DrSc.
(Ústav polymerů)
 prof. RNDr. Silvia Pastoreková, DrSc.;
(Virologický ústav)
Studované oblasti:
- struktura a dynamika PG domény, která
není známa (důležité pro vývoj
selektivních inhibitorů)
- oligomerace enzymu
- chování enzymu na membráně
Simulační techniky:
- molekulová dynamika s atomovým
rozlišením
- Monte Carlo simulace na zhrubených
modelech
Spoluřešitelé (školitelé či konzultanti):
 Mgr. Kamila Réblová, Ph.D.
(Lékařská genomika - Centrum molekulární medicíny - Středoevropský technologický institut)
 RNDr. Robert Vácha, PhD.
(Výpočetní chemie - Centrum strukturní biologie - Středoevropský technologický institut)
 Mgr. Naděžda Špačková, Ph.D.
(Ústav fyziky kondenzovaných látek - Fyzikální sekce - Přírodovědecká fakulta)
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -16-
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
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -17Reakčních
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
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -18DNA
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.
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -19DNA
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)
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -20Mechanika
nanostruktur NA
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)
Simulační techniky:
- molekulová dynamika
- výpočty volných (Gibbsových) energií
Metodicky související z předchozím projektem. Cílem je studovat mechanické vlastnosti
nanostruktur vznikajících z nukleových kyselin.
DX motiv
diplomant: Michal Růžička
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -21Nemesis
– Stavba molekul
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -22-
Kontakt
prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.
url: http://lcc.ncbr.muni.cz
Budova A4, Univerzitní kampus Bohunice
Masarykova univerzita
Kamenice 753/5, 625 00 Brno
C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -23Jiné
výzkumné skupiny
Department of Structure and Dynamics of Nucleic Acids (DSDNA)
prof. RNDr. Jiří Šponer, DrSc.
http://www.ibp.cz/en/departments/structure-and-dynamics-of-nucleic-acids/info-about-the-department/
National Centre for Biomolecular Research
prof. RNDr. Radek Marek, prof. RNDr. Michaela Wimmerová, Ph.D. ,
doc. Mgr. Lukáš Žídek, Ph.D., doc. Mgr. Richard Štefl, Ph.D.,
Mgr. Karel Kubíček, PhD.
http://ncbr.muni.cz
Institute of Chemistry
prof. RNDr. Mojmír Šob, DrSc., prof. RNDr. Radek Marek, Ph.D.,
Mgr. Markéta Munzarová, Dr. rer. nat.
http://ustavchemie.sci.muni.cz
Loschmidt Laboratories
prof. Mgr. Jiří Damborský, Dr.
http://loschmidt.chemi.muni.cz
Neúplný přehled!