Przegląd ostatnich badań naukowych oraz prac na rzecz centrów doskonałości europejskiego „MAMBA” i krajowego „BioExploratorium” Bogdan Lesyng ICM and Wydział Fizyki, Uniwersytet Warszawski (http://www.icm.edu.pl/~lesyng/)

Koordynowane przeze mnie gridowe programy europejskie: - EUROGRID, - GRIP. Prace przygotowawcze w celu możliwie najbardziej efektywnego wykorzystania w ICM nowych platform obliczeniowych. Centra doskonałości. Przegląd głównego nurtu badań realizowanego W ICM („z lotu ptaka”). Edukacja.

Uwaga dotycząca pewnej wizji rozwoju u nas technologii gridowych Obecnie mamy kilka środowisk gridowych, m.in..: świat środowiska gridowego GLOBUS (USA i inne kraje) - na tym środowisku bazuje m.in. projekt europejski EGEE świat środowiska gridowego UNICORE (głównie Europa)- na tym środowisku bazuje m.in. projekt europejski UNIGRIDS Słabość wielu projektów: brak ważnych z naukowego punktu widzenia aplikacji oraz trudność w tworzeniu własnego, zindywidualizowanego środowiska pracy („prawdziwy e-science”) Wolfram Research (Mathematica) proponuje pewne rozwiązanie tworząc środowisko Grid-Mathematica. Cel: „interoperability” Grid-Mathematica z innymi środowiskami gridowymi, w tym bazującymi i/lub wykorzystującymi GLOBUSa oraz UNICOREa. Realna możliwość włączenia się nas do tego potencjalnie strategicznego projektu.

Instalacja i optymalizacja kodu kwantowej dynamiki Cara-Parrinello na klastrze Halo oraz Cray X1e – prace na rzecz KDM oraz własnego zespołu Ł.Walewski, M.Łopuszyński,...P.Bała,B.Lesyng

3D & electronic structure Strategia badań w obszarach wieloskalowanego modelowania i bioinformatyki Sequences at the protein & nucleic acids levels 3D & electronic structure Function Dynamics, classical and/or quantum one in the real molecular environment 1 RPDFCLEPPY 10 11 TGPCKARIIR 20 21 YFYNAKAGLC 30 31 QTFVYGGCRA 40 41 KRNNFKSAED 50 51 CMRTCGGA 58 Cell(s), structure(s) & functions Metabolic pathways & signalling Sub-cellular structures & processes

Konferencje i warsztaty 2004/05 w ramach europejskiego CD MAMBA Osoba organizująca Konferencja (K) Workshop (W) Miejsce i data   P.Zielenkiewicz Bioinformatics, Metabolic Pathways and Structural Biology (W) Warszawa maj 13-16, 2004 M.Niezgódka Computational Approaches to Prediction of Structure Formation Phenomena (W) wrzesień 6-10, 2004 Complex Processes: Modelling, Simulation and Optimisation (W) Będlewo listopad 4-7, 2004 P.Bała Advanced Course in Grid Technologies and Biomolecular/ Bioinformatics Applications (W) Kraków grudzień 12, 2004 A.Jerzmanowski Gene expression and silencing in plants – from model to crop (W) Radzików marzec 9-13, 2005 J.Leluk Proteins: Sequence-Structure-Function Relations; Theoretical and Experiment Approach (K) kwiecień 6-10, 2005 B.Lesyng The 4th International Conference on Inhibitors of Protein Kinases (K) czerwiec 25-29, 2005 Microscopic and Mesoscopic Modelling of Specific Molecular Recognition Processes (W) czerwiec 29, 2005  

BioExploratorium - drugie w ICM oprócz MAMBy centrum doskonałości, pozytywna decyzja KBN z 16/09/2004 W skład CD wchodzą zespoły badawcze kierowane przez: prof. dr hab. Bogdan Lesyng, ICM oraz Wydział Fizyki UW – kierownik dr hab. Jan Antosiewicz, Wydział Fizyki UW dr hab. Piotr Bała, Instytut Informatyki UMK oraz ICM UW prof. dr hab. Katarzyna Blinowska, Wydział Fizyki UW prof. dr hab. Andrzej Jerzmanowski, Wydział Biologii UW oraz IBB PAN doc. dr hab. Andrzej Kawczyński, IChF PAN dr hab. Jacek Leluk, ICM UW prof. dr hab. Piotr Stępnień, Wydział Biologii UW oraz IBB PAN prof. dr hab. Jerzy Tiuryn, Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW prof. dr hab. Piotr Zielenkiewicz, IBB PAN oraz Wydział Biologii UW Podjęte działania: 17.12. 2004 - złożenie w MNiI wniosku inwestycyjnego z wykorzystaniem funduszy strukturalnych, pt. „Budowa Laboratorium Projektowania Molekularnego oraz Zastosowań Genomiki i Proteomiki” zawierającego m.in. serwery obliczeniowo – bazodanowe oraz system wirtualnej rzeczywistości, na łączną kwotę 1 996 000 PLN. Wniosek spełnił wymagania formalne i jest w trakcie oceny. 16.05 2004 r – złożenie oferty na wykonanie projektu badawczego-zamawianego: „Inhibitory kinaz białkowych jako potencjalne leki przeciwnowotworowe i przeciwwirusowe”, na łączną kwotę 2 966 892 PLN.

New initiative BioExploratorium New research groups joined us: 2003 2004 2005 2006 BioExploratorium New research groups joined us: Prof. J.Tiuryn - basic studies in bioinformatics, Prof. K. Blinowska - detection of signals, including weak signals, and processing them. Prof. A. Kawczynski - simulations of chemical kinetics and metabolic pathways. We have already got a grant (2 mln PLN) : virtual laboratory for molecular design, workstations, PCRs, specrofotometers. We have also submitted other applications.

Przykłady ważniejszych kierunków badań 1. Konstrukcja szybkich kwantowych generatorów energii potencjalnej dla układów (bio)molekularnych oraz rozwijanie metod klasycznej, kwantowej i kwantowo-klasycznej dynamiki molekularnej. W szczególności, konstrukcja i zastosowania symplektycznych algorytmów dynamiki molekularnej. - L.Walewski, P. Bala, M. Elstner, Th. Frauenheim, B. Lesyng, Fast QM/MM Method and Its Application to Molecular Systems, Chem. Phys. Lett, 397, 2004, 451-458 P.Grochowski & B.Lesyng, Extended Hellmann-Feynman Forces, Canonical Representations, and Exponential Propagators in the Mixed Quantum-Classical Molecular Dynamics, J. Chem. Phys., 119, 2003, 11541-11555. Stabilność symplektycznych algorytmów MD pozwala na realizację bardzo długich symulacji pozwalających nawet na zwijanie białek w skali mikrosekund ! - M.Khalili, A.Liwo, F.Rakowski, P.Grochowski & H.Scheraga, Molecular Dynamics with the UNRES Model of Polypeptide Chains. Lagrange Equations of Motion and Tests of Numerical Stabilityin the Microcanonical Mode, J. Phys. Chem., in press

Microscopic generators of the potential energy function AVB – (quantum) AVB/GROMOS - (quantum-classical) SCC-DFTB - (quantum) SCC-DFTB/GROMOS - (quantum-classical) SCC-DFTB/CHARMM - (quantum -classical) .... Dynamics MD (classical) QD (quantum) QCMD (quantum-classical) Dynamika Cara-Parrinello Mesoscopic potential energy functions Poisson-Boltzmann (PB) Generalized Born (GB) ....

Symplektyczne algorytmy dynamiki molekularnej

2. Elektrostatyczne pola w mezoskopowych układach biomolekularnych i wynikające z nich właściwości fizykochemiczne M.Wojciechowski & B.Lesyng, Generalized Born model: Analysis, Refinement and Applications to Proteins, J. Phys. Chem. B, 108, 2004, 18368-18376 Potencjalnie możliwość wykorzystania wyników badań również w nanoukładach 3. Udokładnianie eksperymentalnych struktur układów biomolekularnych z wykorzystaniem metod równania Poissona-Boltzmanna oraz analiza mechanizmów ich działania P.Setny & M.Geller, Refinement of X-ray data on dual co-substrate specificity of the CK2 kinase by free energy calculations based on molecular dynamics simulation, Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics 58 (2005) 511–517

J.A.McCammon i współpracownicy

Protonation equilibria in proteins

Ratio of the GB solvation enery to the Kirkwood solvation energy

5. Bioinformatyka. NeoLinneuszowskie modele w zastosto- 4. Mechanika i dynamika molekularna bardzo dużych układow biomolekularncyh m.in. rybosoów (kilkadziesiąt tysięcy atomów). Większość prac Joanny Trylskiej zrealizowana została na stażu u prof. J.A. McCammona na UCSD i kontynuowana jest w Warszawie. 5. Bioinformatyka. NeoLinneuszowskie modele w zastosto- sowaniu do klasyfikacji białek Przykład: A. Meglicz, J.Leluk, B.Lesyng, Protein Inhibitors of Kinases-Homology Analysis, Mechanisms of Differentiation and Correlated Mutations, Eur. J. Biochem, 271, 30, 2004 (XXIX FEBS Congress) oraz wykład dr hab. Jacka Leluka na IPK2005.

Multiple alignment of the cAMP inhibitor family

Multiple alignment of the Cip inhibitor family

Multiple alignment of the Ink4 inhibitor family

Multiple alignment of the KCIP-1 inhibitor family (part 1/3)

Multiple alignment of the HIT family

Phylograms Phylograms Cip inhibitor family KCIP inhibitor family

Ink4 inhibitor family cAMP inhibitor family

HIT inhibitor family

cAMP (PKA) inhibitor family (PKI5-24) Tertiary structures and correlated mutations within the inhibitor families cAMP (PKA) inhibitor family (PKI5-24) KCIP inhibitor family Ink4 inhibitor family HIT family Cip inhibitor family

Recent invited talks B.Lesyng, CM3/SCC-DFTB Charges, Generalized Born and Hydrophobic Models in Description of Hydration Free Energies, Conference on "Protein Structure Prediction and Protein Folding: Past, Present, and Perspectives”, Gdansk, Poland, 1-2 Sept., 2004 B.Lesyng, Coupling of SCC-DFTB, Generalized Born and Hydrophobic Models in Description of Hydration Free Energies, Algoritms for Macromolecular Modeling, University of Leicester, England, Aug.18-21, 2004. B.Lesyng, Selected Microscopic and Mesoscopic Modelling Tools and Models - an Overview, Conference on "Modelling and Design of Molecular Materials", Wroclaw, Poland, Sept.16-20, 2004. B.Lesyng, From Crystallography of Biomolecules to More Detailed Understanding of their Structure and Function, Symposium on "Crystallography of Biomolecules" to celebrate prof. Alexander Wlodawer as Doctor Honoris Causa, Lodz, Poland, Oct.4, 2004 B.Lesyng, Modelling and Understanding Complex Biomolecular Systems and Processes: Applications in Nanosciences, Biotechnology and Biomedicine, Conference on "Converging Sciences", Dec.16-17, Trento, Italy, 2004 6. B.Lesyng, Overview of Selected Microscopic and Mesoscopic Biomolecular Modeling Models and Theories or From Physics and Bioinformaticsto Molecular Biology and Biotechnology, XXXII Winter School of Faculty of Biotechnology, Jagiellonian University, Zakopane, Poland, March, 3-7, 2005 7. B.Lesyng, (in Polish) Jak lepiej zrozumieć strukturę i funkcje złożonych układów biomolekularnych ? Bioinformatics Workshop, SGGW, Warsaw, June 3, 2005