Mesoscale spatial kinetic modeling of cell systems
细胞系统的中尺度空间动力学建模
基本信息
- 批准号:10189659
- 负责人:
- 金额:$ 34.44万
- 依托单位:
- 依托单位国家:美国
- 项目类别:
- 财政年份:2019
- 资助国家:美国
- 起止时间:2019-09-20 至 2023-06-30
- 项目状态:已结题
- 来源:
- 关键词:3-DimensionalAccountingAddressAmalgamBindingBinding SitesBiochemicalBiological ModelsBiophysical ProcessCell AdhesionCell modelCell physiologyCellsChromatinCodeComplexComputer ModelsComputer softwareDataDiabetes MellitusDiffuseDiffusionDiseaseFilopodiaFoundationsGeometryGrainGrantJavaKidney FailureKineticsMalignant NeoplasmsMembraneMembrane MicrodomainsMethodsModelingMolecularMolecular StructureNucleoproteinsPerformancePhaseProbabilityProcessReactionReceptor SignalingRunningSchemeShapesSignal TransductionSiteSpecific qualifier valueSpeedStatistical Data InterpretationStatistical MethodsStructureSurfaceSynapsesSystemTechnologyThinnessanalytical methodautism spectrum disorderbasecombinatorialdensityexperienceflexibilityimmunological synapseimprovedinsightkinetic modelmechanical forcemodels and simulationmolecular dynamicsmolecular modelingnovel strategiesparticlepolymerizationreaction ratesimulationsoftware systemsstoichiometrytoolvectorvirtual
项目摘要
This project proposes to develop new network-free spatial modeling software at the mesoscale -
occupying the niche between detailed molecular dynamics and cellular reaction-diffusion
systems. Specifically, we plan to address spatial scales in the range of 50nm – 2µm and
temporal scales within the range of 100µs to 10s. Examples of systems that would benefit from
modeling tools at this “mesoscale” are receptor signaling platforms and clusters (e.g. the
immune synapse or the post-synaptic density), cell adhesion complexes, lipid rafts, chromatin
organization, cytoskeletal dynamics, and nucleoprotein phases. Our approach builds on the
foundation of the SpringSaLaD software, which uses a Langevin dynamics formalism to model
multi-molecular interactions with explicit excluded volumes. It permits spatial simulations of
combinatorially complex processes such as clustering and polymerization. The approach is an
amalgam of kinetic and molecular modeling, in that it derives probabilities of reactions from both
coarse structural features of the molecules and macroscopic biochemical parameters such as
on and off rate constants, diffusion coefficients and allosteric state transition rates. Currently
SpringSaLaD represents molecules as spherical “sites” connected by linear linkers, modeled as
stiff springs. Molecules can diffuse and react either in a rectangular volume or be anchored to a
planar patch of membrane. Our Specific Aims propose to dramatically expand the scope of
SpringSaLaD by allowing more realistic representation of structural details and expanding the
range of biophysical mechanisms that can be modelled. To better account for the influence of
membrane curvature on clustering and the possibility of assemblies that span across thin
processes such as filopodia or endocytic invaginations, we will implement methods for Brownian
dynamics along curved membranes. We will develop methods to derive the arrangement of
spherical sites and linkers from more realistic 3D molecular data, including atomic coordinates.
We will develop new optional schemes to better account for the rigidity of molecular structures
at this coarse-grained level and, separately, the flexibility of linker domains; the latter will help us
represent the influence of intrinsically disordered domains. We will develop statistical and
analytical methods to analyze simulation results and build lumped models so as to bridge from
this mesoscale to the full cell scale. Finally, we propose to support mechanochemistry by
accounting for local force experienced by a site and appropriately altering probabilities for
unbinding (i.e. off rates), binding (on-rates) and the tension at membrane surfaces. Ultimately,
the SpringSaLaD functionality will be incorporated within the Virtual Cell software system.
该项目建议开发新的中尺度无网络空间建模软件 -
占据详细分子动力学和细胞反应扩散之间的利基
具体来说,我们计划解决 50nm – 2μm 范围内的空间尺度以及
时间尺度在 100μs 到 10s 范围内的系统示例。
这种“中尺度”的建模工具是受体信号平台和集群(例如
免疫突触或突触后密度)、细胞粘附复合物、脂筏、染色质
我们的方法建立在组织、细胞骨架动力学和核蛋白相的基础上。
SpringSaLaD 软件的基础,该软件使用 Langevin 动力学形式主义进行建模
具有明确排除体积的多分子相互作用。
该方法是一种组合复杂的过程,例如聚类和聚合。
动力学和分子模型的混合体,因为它从两者中得出反应的概率
分子的粗略结构特征和宏观生化参数,例如
当前的开和关速率常数、扩散系数和变构状态转换速率。
SpringSaLaD 将分子表示为由线性连接器连接的球形“位点”,建模为
刚性弹簧可以在矩形体积中扩散和反应,也可以固定在一个矩形体积中。
我们的具体目标是显着扩大膜的范围。
SpringSaLaD 通过允许更真实地表示结构细节并扩展
可以建模的一系列生物物理机制,以更好地解释影响。
膜曲率对聚类的影响以及跨薄层组装的可能性
丝状伪足或内吞内陷等过程,我们将实现布朗运动的方法
我们将开发方法来推导沿弯曲膜的排列。
来自更真实的 3D 分子数据(包括原子坐标)的球形位点和连接体。
我们将开发新的可选方案以更好地考虑分子结构的刚性
在这种粗粒度的水平上,链接器域的灵活性将帮助我们;
我们将开发统计和
分析方法来分析仿真结果并建立集总模型,以便从
最后,我们建议通过以下方式支持机械化学。
考虑到某个地点所经历的局部力并适当改变概率
解离率(即解离率)、结合率(结合率)和膜表面的张力。
SpringSaLaD 功能将被纳入 Virtual Cell 软件系统中。
项目成果
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