Mathematical Modeling of Biomolecular Surfaces
生物分子表面的数学建模
基本信息
- 批准号:0616704
- 负责人:
- 金额:--
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:Standard Grant
- 财政年份:2006
- 资助国家:美国
- 起止时间:2006-08-01 至 2010-07-31
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:
项目摘要
Molecular surfaces are paramount to the stability and solubility of macromolecules, such as proteins, DNAs and RNAs, because their features determine how other molecules interact with them to produce the desired function. Important applications of molecular surfaces include protein folding, protein-protein interfaces, protein-membrane interaction, DNA binding and bending, macromolecular docking, enzyme catalysis, solvation energy and molecular dynamics. Despite extensive effort in the past three decades, the generation and analysis of molecular surfaces remain a bottleneck in the structure prediction of biomolecules. To overcome this difficulty, investigators introduce a partial differential equation (PDE) based approach of molecular surface modeling. A set of curvature-controlled PDEs is designed for molecular surface generation. Two new concepts, molecular multiresolution surfaces and minimal molecular surfaces, which naturally arise in the proposed PDE modeling, are introduced to the field of molecular biology. The proposed molecular multiresolution surfaces provide a unified description of the van der Waals surface, solvent accessible surface, and solvent excluded surface. The proposed minimal molecular surface is also consistent with surface free energy minimization. Numerical techniques, including PDE solution algorithms and isosurface extraction schemes will be investigated. Numerical tests will be carried out to validate the proposed ideas.This project will lead to reliable methods in the structure prediction of biomolecules. Structural information is particularly important for rational drug design efforts specifically targeting proteins and/or membranes. It can be expected that the availability of more protein/membrane structures will lead to accelerated drug development efforts. The mathematical analysis proposed in this project will also impact image processing, pattern recognition, and computer vision. The results of the proposed project can be used for detailed control of PDE surfaces according to industrial and scientific needs and objectives. In particular, nonlinear diffusivities in the proposed equations can be used to control the shape of a PDE surface locally according to its curvature. The proposed research has a strong educational component. The project will support the training of a Ph.D. student researcher in mathematical biology. PDE-based molecular surface modeling is a suitable topic for graduate theses and undergraduate projects. Project results will be incorporated in graduate courses in biological modeling and simulation.
分子表面对于蛋白质、DNA和RNA等大分子的稳定性和溶解性至关重要,因为它们的特征决定了其他分子如何与它们相互作用以产生所需的功能。 分子表面的重要应用包括蛋白质折叠、蛋白质-蛋白质界面、蛋白质-膜相互作用、DNA结合和弯曲、大分子对接、酶催化、溶剂化能和分子动力学。 尽管在过去的三十年里进行了大量的努力,但分子表面的生成和分析仍然是生物分子结构预测的瓶颈。 为了克服这个困难,研究人员介绍了偏微分方程(PDE)为基础的分子表面建模方法。 设计了一组曲率控制的偏微分方程用于分子表面生成。 将PDE建模中自然产生的两个新概念:分子多分辨率曲面和极小分子曲面引入分子生物学领域。 提出的分子多分辨表面提供了一个统一的描述的货车范德华表面,溶剂可及表面,溶剂排斥表面。 所提出的最小分子表面也与表面自由能最小化一致。 数值技术,包括偏微分方程求解算法和等值面提取方案将进行研究。 数值实验将验证所提出的想法,这个项目将导致可靠的方法在生物分子的结构预测。 结构信息对于专门针对蛋白质和/或膜的合理药物设计工作尤其重要。 可以预期,更多蛋白质/膜结构的可用性将导致加速药物开发工作。 该项目中提出的数学分析也将影响图像处理,模式识别和计算机视觉。 根据工业和科学的需求和目标,拟议项目的结果可用于详细控制PDE表面。 特别地,在所提出的方程中的非线性扩散系数可以用来根据其曲率局部地控制PDE表面的形状。 拟议的研究具有很强的教育成分。 该项目将支持培养一名博士。数学生物学学生研究员。 基于偏微分方程的分子表面建模是研究生论文和本科生项目的一个合适的主题。项目成果将纳入生物建模和模拟的研究生课程。
项目成果
期刊论文数量(0)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
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