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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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21573217
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    65.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0301.化学理论与方法
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2019-12-31

项目摘要

As an indispensable member in the cell, membrane proteins, in addition to make biological functions by transporting species across the cell membrane, are the largest type of targets for drug discovery. The structural determination, accurate understanding of mechanism of transportation of membrane proteins and the effects of metal ions on the functions of membrane proteins are very hard to be studied and limited. The main reason for this is because there is no all-atom polarizable force field (PFF) available for accurate studying the key components of cell membrane: lipids and cholesterols. Meanwhile, running speed of molecular dynamic with all-atom PFF is at least one-order slower than traditional force field. Also, as now there is no efficient enhanced-sampling techniques available in the program using PFF. Thus, the accurate MD studies of complicated biomolecules cannot be done using PFF till now. Based on our research experience and preliminary results, we propose to construct all-atom PFF (AMOEBA) for lipid molecules and cholesterols, combine with GPU-based hardware acceleration and metadynamics-based enhanced sampling technique, and finally deliver a new and effective MD simulation method with PFF for complex systems. With the new developed methodology we will help the structural determination of membrane proteins, study systematically the microscopic mechanism of membrane protein transportation and the effects of metal ions on the functions of membrane proteins. This will provide solid theoretical basis and new research tool for understanding the functional mechanism of complicate biomolecules, and drug discovery.
膜蛋白作为细胞的核心组成部分担负细胞内外物质交换等重要功能,是药物研发的最大一类靶点。目前对于复杂膜蛋白的结构解析、物质输运功能的微观机理以及金属离子对其功能影响的高精度理解和认识都非常困难和有限,主要因为目前国际上还没有针对细胞膜重要组分:磷脂和胆固醇的高精度全原子可极化分子力场。同时,现有全原子可极化分子力场进行分子动力学模拟时,其计算速度要比传统力场慢至少1个数量级;而且没有与高效增强型采样技术相融合。所以,无法用于复杂生物体系的高精度理论研究。本项目立足于已有研究基础,首次提出建立所有种类细胞膜磷脂和胆固醇的全原子可极化AMOEBA分子力场,结合GPU加速和增强采样技术Metadynamics,实现高精度分子模拟新方法,并针对重要膜蛋白的结构解析、行使功能的微观机理以及金属离子对其功能的调控机制进行系统理论研究,为复杂生物体系的高精度模拟以及药物研发提供强有力的理论支撑和研究工具。

结项摘要

膜蛋白作为细胞的核心组成部分担负细胞内外物质交换等重要功能,是药物研发的最大一类靶点。目前对于复杂膜蛋白的结构解析、物质输运功能的微观机理以及金属离子对其功能影响的高精度理解和认识都非常困难和有限,主要因为目前国际上还没有针对细胞膜重要组分:磷脂和胆固醇的高精度全原子可极化分子力场。同时,现有全原子可极化分子力场进行分子动力学模拟时,其计算速度要比传统力场慢至少1个数量级;而且没有与高效增强型采样技术相融合。所以,无法用于复杂生物体系的高精度理论研究。本项目完成建立所有种类细胞膜磷脂和胆固醇的全原子可极化AMOEBA分子力场,实现结合GPU加速和增强采样技术Metadynamics,实现发展IaMD高精度分子模拟新方法,并针对重要膜蛋白的结构解析、行使功能的微观机理以及金属离子对其功能的调控机制进行系统理论研究,为复杂生物体系的高精度模拟以及药物研发提供强有力的理论支撑和研究工具。发表与本项目相关论文17篇。

项目成果

期刊论文数量(17)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Some polarisable force fields for molecular dynamics simulations of lipids, and bilayers
用于脂质和双层分子动力学模拟的一些可极化力场
  • DOI:
    10.1080/08927022.2016.1161190
  • 发表时间:
    2016-04
  • 期刊:
    Molecular Simulation
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    Guo Wei;Cheng Liwei;Chu Huiying;Cao Liaoran;Zhang Depeng;Liu Jiahui;Xu Peijun;Zheng Xuefang;Li Guohui
  • 通讯作者:
    Li Guohui
Advances in Enhanced Sampling Molecular Dynamics Simulations for Biomolecules
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Chinese Journal of Chemical Physics
  • 影响因子:
    1
  • 作者:
    Wang An hui;Zhang Zhi chao;Li Guo hui
  • 通讯作者:
    Li Guo hui
Structural and functional insights into the tetrameric photosystem I from heterocyst-forming cyanobacteria
从形成异形蓝细菌的四聚体光系统 I 的结构和功能洞察
  • DOI:
    10.1038/s41477-019-0525-6
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Nature Plants
  • 影响因子:
    18
  • 作者:
    Zheng Lvqin;Li Yanbing;Li Xiying;Zhong Qinglu;Li Ningning;Zhang Kun;Zhang Yuebin;Chu Huiying;Ma Chengying;Li Guohui;Zhao Jindong;Gao Ning
  • 通讯作者:
    Gao Ning
Mediation mechanism of tyrosine 185 on the retinal isomerization equilibrium and the proton release channel in the seven-transmembrane receptor bacteriorhodopsin
酪氨酸185对七次跨膜受体细菌视紫红质视网膜异构化平衡和质子释放通道的介导机制
  • DOI:
    10.1016/j.bbabio.2016.08.002
  • 发表时间:
    2016-11-01
  • 期刊:
    BIOCHIMICA ET BIOPHYSICA ACTA-BIOENERGETICS
  • 影响因子:
    4.3
  • 作者:
    Ding, Xiaoyan;Wang, Honglei;Zhao, Xin
  • 通讯作者:
    Zhao, Xin
α-Ketoglutarate-Activated NF-κB Signaling Promotes Compensatory Glucose Uptake and Brain Tumor Development
α-酮戊二酸激活的 NF-kappa B 信号传导促进代偿性葡萄糖摄取和脑肿瘤发展
  • DOI:
    10.1016/j.molcel.2019.07.007
  • 发表时间:
    2019-10-03
  • 期刊:
    MOLECULAR CELL
  • 影响因子:
    16
  • 作者:
    Wang, Xiongjun;Liu, Ruilong;Yang, Weiwei
  • 通讯作者:
    Yang, Weiwei

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反离子对石英矿床金碱溶机理的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
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  • 期刊:
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  • 影响因子:
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  • 作者:
    姚钰昀;唐云;杨勇;李国辉;吴波;代文治
  • 通讯作者:
    代文治

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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