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复杂生物体系介观尺度动态结构与相互作用的理论计算化学研究

批准号:
21933010
项目类别:
重点项目
资助金额:
300.0 万元
负责人:
李国辉
学科分类:
化学理论与方法
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
李国辉

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
分子动力学模拟是连接冷冻电镜等结构解析技术得到的静态结构与近生理环境下生物分子行使功能的动态结构及相互作用的最佳研究手段。现有理论化学研究都是针对单个生物分子及其复合物在纳米和微秒时空尺度下进行动力学模拟与微观机理解析,与实验所观测到的介观尺度(微米和毫秒)有非常大差距,亟需提出和发展新的理论模型及模拟方法。本项目基于我们前期提出和发展的蛋白质量子分块计算方法、全原子可极化和高精度粗粒化细胞膜模型及其模拟方法,建立量子精度膜生物体系及其高效模拟方法,发展自定义粗粒度的通用粗粒化方法,构建复杂生物体系的新型有限元模型及其模拟方法,实现细粒度模型计算与深度学习技术相结合的高精度粗粒度模型计算方案,并通过不同尺度动力学模拟之间有机融合增强复杂生物体系细粒度模型的构象采样效率,最终形成一套高精度介观时空尺度生物体系的高效理论模拟新方法,并针对神经兴奋传递的膜动作电位产生和传导分子机制开展应用研究。
英文摘要
Molecular dynamics simulation is the best research method for static structure obtained by structural analysis techniques such as cryo-electron microscopy and the function of biomolecules dynamic structure in the near physiological environment and interaction. Existing theoretical chemistry studies are aimed at kinetic simulation and microscopic mechanism analysis of single biomolecules and their complexes at nanometer and microsecond spatiotemporal scales, which are very different from the mesoscales (microns and milliseconds) observed in the experiments. There is an urgent need to propose and develop new theoretical models and simulation methods. This project is based on the protein quantum block calculation method, the all-atom polarizable and high-precision coarse-grained cell membrane model and its simulation method , the quantum precision membrane biological system and its efficient simulation method proposed and developed by us in the early stage. A general coarse-grained method of particle size, a new finite element model for complex biological systems and its simulation method, a high-precision coarse-grained model calculation scheme combining fine-grained model calculation and deep learning technology, and simulated by different scale dynamics Inter-organic fusion enhances the conformation sampling efficiency of the fine-grained model of complex biological systems, and finally a set of high-efficiency theoretical simulation methods for high-precision mesoscopic space-time biological systems was developed, and applied research on membrane action potential generation and conduction molecular mechanisms of neural excitation.
现有理论化学研究都是针对单个生物分子及其复合物在纳米和微秒时空尺度下进行动力学模拟与微观机理解析,与实验所观测到的介观尺度有非常大差距,亟需提出和发展新的理论模型及模拟方法。在本项目的支持下,已经全部完成指标,发表90余篇研究论文,包括Cell/Nature/Sciencc子刊及JACS等高影响力国际学术期刊10篇。在方法发展方面,提出并建立了一系列多尺度建模及高效动力学模拟方法:深度结合分块量化方法,发展了深度学习势能面并在此基础上实现了甲烷燃烧的反应动力学模拟;基于原始笛卡尔坐标构建的旋转平移不变势模拟化学反应,探索原始分子的反应活性;提出了增强自组织增量神经网络深度势能方法,并利用其进行势能面的自动构建;提出了任意分辨率的两类粒子粗粒化策略,其可根据研究目的和需求自定义粗粒化分辨率,并可广泛应用于生物和化学体系的研究;基于前述新型粗粒化模型,创新性提出了将粗粒化与全原子模拟有机融合的复杂体系新型多尺度模拟新策略。在应用研究方面,与实验工作者合作,揭示和发现了若干重要生物学实验的分子机制和微观机理:利用粗粒化-全原子模拟方案结合的多尺度模拟,解析了Ru配合物与DNA的相互作用模式及Ru配合物导致DNA聚集的动态过程,阐明了Ru配合物诱导DNA相分离的分子机制;利用分子对接和动力学模拟等计算手段,针对57种重要代谢酶进行了研究,预测代谢酶FBP1可与磷酸化的氨基酸肽段稳定结合,实验证实了FBP1确实可以结合被磷酸化的蛋白质,具有蛋白磷酸酶的新功能,并在直肠癌组织样本中发现了肿瘤发生的新机制;从计算生物学和结构生物学的角度阐明了线虫CNG通道开关的全新分子机制,刷新了领域里长期存在CNG通道离子选择性过滤器门控理论的错误认知;通过多尺度分子动力学模拟揭示了近生理环境中不同状态下RyR1复合物二聚之间,以及RyR1复合物与上层膜的四个DHPR蛋白之间的结合界面和协同耦合机制关联的结构动力学。
细胞膜磷脂全原子可极化分子力场的建立及其与软硬件加速技术结合的高精度膜蛋白理论模拟新方法的实现及应用
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