Advanced Computer Simulation Methods for Predictive Molecular Modeling


Project leader


Funding source

Swedish Research Council - Vetenskapsrådet (VR)


Project Details

Start date: 01/01/2014
End date: 31/12/2018
Funding: 3400000 SEK


Description

Inom senare decennier har datorsimuleringar blivit ett kraftfullt verktyg för att studera materia på molekylär nivå. Idag används datorsimuleringar såväl inom grundforskning som inom tillämpad forskning, till exempel inom läkemedelsindustrin eller framställning av nanomaterial. Syftet med en simulering är ofta att ta reda på hur molekylerna rör sig i förhållande till varandra och hur de reagerar om deras omgivningen förändras. Experimentella undersökningar har ofta svårigheter att ge en övergripande bild eftersom varje enskilt experiment undersöker en egenskap i taget. Moderna datorsimuleringsmetoder ger möjlighet att följa rörelser av varje molekyl, varje atom, samt se hur de växelverkar och hur de påverkar varandra, och på så sätt framkalla en sammansatt bild på hur hela systemet fungerar. Om simuleringarna följer de grundläggande fysikaliska lagarna, och om de stämmer med experimentell data som går att erhålla, kan man med stor sannolikhet anta att simuleringarna ger en verklig, mycket detaljerad, tidupplöst tredimensionell bild av molekylära rörelser, där alla händelser och rollerna av alla komponenter kan följas. För att genomföra en datorsimulering, till exempel molekyldynamik, behöver man kunna beräkna krafterna mellan atomer. I princip kan krafterna erhållas från kvantkemiska beräkningar, men de är mycket tidskrävande. Därför används ett förenklat uttryck för att beräkna krafterna, som kallas kraftfält. Resultaten av molekyldynamisk modellering bestämts i högsta grad av vilket kraftfält används, därav är noggrannheten av kraftfälts parameteriseringen avgörande för huruvida modelleringsresultaten stämmer överens med verkligheten, d v s är prediktiv. En av syftena med projektet är att vidareutveckla kraftfältet som beskriver komponenter av cellmembran och dess växelverkan med olika molekyler och nanopartiklar som kan transporteras genom membranen. Vidare, ett stort problem inom molekylära modelleringar är att det kan vara mycket tidskrävande att genomföra dem, även på moderna superdatorer, om man betraktar alla atomens rörelser. Ett sätt att simulera system bestående av ett mycket stort antal atomer eller som måste följas inom längre tid, är att förenkla modellen genom att ignorera molekylernas detaljerade partikelstruktur. I förenklade modeller behöver man veta "medelkraft" från de detaljer av molekylära struktur som vi ignorerar. Med hjälp av avancerad statistisk termodynamisk teori kan man beräkna olika typer av "medelkrafter" eller "effektiva" potentialen och på så sätt komma till modellering av processer som händer på betydlig längre tids- och längdskalor än det som är tillgängligt för en "standard" molekyldynamik simulering. Utvecklingen av sådana avancerade och multiskala modeleringsmetoder är en viktig del av projektet. Ett exempel på användning av de metoderna som utvecklas inom projektet är modellering av hur olika molekyler och nanopartiklar växelverkar med cellmembran. Ett cellmembran separerar cellens interiör från omgivningen, och såväl läkemedel som potentiellt toxiska ämne måste komma genom membranet eller binda sig till membranets ytan för att kunna påverka processer i cellen. Prediktiv modellering av växelverkan mellan olika ämne och cellmembran kan därför bidra mycket till två stora tillämpningsområde: läkemedelsdesign och förutsägelser av toxicitet hos nyutvecklade kemiska ämnen och nanopartiklar. I sin helhet bidrar projektet till sådan utvecklingen där datorsimuleringar kan ersätta i högre och högre grad laboratorieexperiment för framställning av nya läkemedel, nya nanostrukturerad material o s v, speciellt i de fall där experimentet är dyrt eller kan orsaka miljö- eller etiska problem.

Last updated on 2017-22-03 at 07:08