mol_model_course

To GitHub

Molecular Modeling and Simulations for Biologists (Spring 2021)

Contact information

Meetings and Location

Credits

2 credits, 72 academic hours

Course Description

The course provides an overview of molecular modeling and simulations methods in biology with an emphasis on 3D modeling of biomolecular structures. Covered topics include: viewing and anlyzing PDB structures, structural bioinformatics, molecular dynamics simulations, Monte-Carlo simulations, coarse-grained modeling, molecular screening, docking, model building from experimental data, integrative modeling, quantum chemistry calculations, protein structure prediction. The course include both lectures, hands-on exercises and home assignments.

Learning objectives

Textbooks and learning resources

Required resources

  1. Laptop or workstation with access to internet.
  2. Web-cam in case of distant learning.
  3. An account on Newton Server https://newton.bioeng.ru See instructions here.
  4. Pymol installed locally on your workstation/laptop.
  5. UCSF Chimera installed locally on your workstation/laptop.
  6. VMD installed locally on your workstation/laptop.
  7. Avogadro installed locally on your workstation/laptop.

Course calendar

Attendance policy

Assignments policy

Course program (in Russian)

Модуль 1. Introduction and orientation (1 неделя)

Лекция 1 Вводная лекция. История и виды методов моделирования. Понятия молекулярного моделирования, имитационного моделирования, интегративного моделирования. История развития методов молекулярной динамики, методов Монте-Карло. Подходы к созданию моделей структур по экспериментальным данным. Различные методы и границы их применимости. Понятия ab initio и in silico. Современные пакеты для молекулярного моделирования. Современные пакеты для визуализации PDB структур. Суперкомпьютеры в молекулярном моделировании. Слайды лекции. Запись лекции.
Семинар 1 Использование ЭВМ и доступ к ним, установка, настройка программ и сред Использование ОС Линукс, подключение к вычислительному кластеру, SSH, X2GO, установка и компиляция программ. Использование репозиториев, GitHub. Установка и использование программ визуализации структур. - Протокол семинара
Самостоятельная работа 1 см. протокол семинара
Required reading - Методы молекулярного и интегративного моделирования в структурной биологии
Suggested reading - John Kendrew and myoglobin: Protein structure determination in the 1950s
- A brief history of macromolecular crystallography, illustrated by a family tree and its Nobel fruits
- Metropolis, N. The Beginnig of the Monte Carlo Method
- Э.Э. Шноль. "А.Г. Гривцов и молекулярная динамика - начало"
- An Introduction to Biological NMR Spectroscopy

Модуль 2. Структурная биоинформатика (2 недели).

Лекция 2 Форматы хранения информации о структуре молекул (PDB, mmCIF, mol2, Z-матрицы и др.). Формат PDB, поля формата. Происхождение структурной информации, основные экспериментальные методы, представление данных. Элементарная ячейка кристалла, асиметричная единица, понятие BioAssembly, кристаллографическая и некристаллографическая симметрии структур. PDB: B-факторы, occupancy. PDB: специфика ЯМР структур. Правила описания белков, нуклеиновых кислот, липидов, лигандов. Тяжелоатомные и протонированные модели. Протонирование моделей. Базы данных структур. Базы PDB, NDB, MMDB, CCDC, EMDB. Поиск в базах данных, поиск по последовательности и по структуре. Форматы записи электронной плотности. Типичные проблемы в структурах, ротамеры боковых цепей. Определение качества PDB структур. Программы анализа качества структур. Слайды лекции.
Required reading - Introduction to PDB Data
Suggested reading - PDB format description
Семинар 2 Визуализация 3D-структур. Обзор различных программ (Pymol, Chimera, VMD, Maestro, CND3D, Coot). Программа Pymol. Загрузка структур. Выделение цепей, фрагментов последовательности. Различные представления. Построение поверхностей. Наложение структур. Протонирование моделей. Создание видео. Визуализация конформационных перестроек. Раскраска структуры по B-фактору и другим параметрам. Сравнение структуры с электронной плотностью. Автоматизация в виде скриптов.
Описание и протокол семинара.
Самостоятельная работа 2 см. описание семинара


Лекция 3 Анализ и сравнительный анализ 3D-структур. Виды визуализации структур, стерео-представление, ray-tracing. Водородные связи. Карты контактов. Карты рамачандрана. Определение вторичной структуры. Поверхность доступная растворителю. Структурные выравнивания и среднеквадратичное отклонение. Идентификация структруных доменов. Базы данных CDD и PFAM. Структура и эволюция, базы SCOP, CATH. Структурная аннотация геномов. Модели фармакофора. Электростатический и гидрофобный потенциалы. Определение состояний протонирования. Анализ симметрии. Анализ динамики, нормальные моды. Идентификация полостей. Определение мультимеров, оценка свободной энергии сворачивания. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 3 Анализ и сравнительный анализ 3D-структур. Протокол семинара.
Самостоятельная работа 3 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ

Модуль 3. Методы молекулярной механики и динамики (4 недели).

Лекция 4Молекулярная механика, задание моделей молекул. Силовые поля. Молекулярно-механические модели молекул. Топологии молекул. Силовые поля. Единицы длины, времени, энергии. Основные типы взаимодействий: валентные, невалентные взаимодействия, связи, валентные, торсионные, ложноторсионные углы, потенциал Леннард-Джонса, заряды. Силовые поля класса II. Поляризуемые силовые поля. Модели воды. Неявный растворитель. Методы MMPBSA, GBSA, 3DRISM. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 4 Знакомство с программой Gromacs. Протокол семинара.
Самостоятельная работа 4 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ
Лекция 5Оптимизация и динамика систем. Алгоритмы минимазации. II Закон Ньютона. Численные схемы, алгоритм Верле, Лип-Фрог. Шаг интегрирования. Периодические граничные условия. Радиусы обрезания. Суммы Эвальда и методы учета электростатических взаимодействий. Списки соседей. Ограничения на длины связей. Релаксация системы. Термостатирование и баростатирование системы. Броуновская динамика, динамика Ланжевена. Параллельные вычисления. Суперкомпьютерные параллельные технологии в молекулярном моделировании. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 5 Постановка расчета МД. Протокол семинара.
Самостоятельная работа 5 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ
Лекция 6Анализ МД траекторий. Методы работы с траекториями. Анализ средних и флуктуаций. Автокорреляционные функции. Связь кинетических параметров с экспериментальными параметрами. Анализ RMSD. Кластерный анализ. Анализ стабильности. Сетевой анализ. Анализ на основе марковских моделей. Примеры результатов при моделировании различных систем (диффузия лигнадов в белках, биомембраны, ионные каналы). Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 6 Анализ расчетов в MDAnalysis. Протокол семинара.
Самостоятельная работа 6 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ
Лекция 7Вариации методов МД. Методы Монте-Карло. Основы статфизики. Огрубленное моделирование. Координаты реакции. Методы enhanced sampling, REMD, MetaD. Методы расчета свободной энергии. Методы Монте-Карло. Критерий метрополиса. Свободная энергия, энтропия, теплоемкость, гидрофобность. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 7 Анализ термодинамических параметров. Протокол семинара.
Самостоятельная работа 7 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ

Модуль 4. Предсказание и дизайн структуры белков (2 недели).

Лекция 8Методы предсказания структры белков. Моделирование по гомологии. Создание выравнивания. Оценка качества модели. Детекция фолда. Протягивание. Скрытые марковские модели. Нейросети. Физические методы моделирования и предсказания. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 8 Знакомство с программой Modeller. Протокол семинара.
Самостоятельная работа 8 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ
Лекция 9Методы дизайна структуры белков. Предсказание влияния аминокислотных замен. Методы Монте-Карло. Программа Rossetta. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 9 Знакомство с программой Rossetta. Протокол семинара.
Самостоятельная работа 9 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ

Модуль 5. Докинг (1 неделя).

Лекция 10Методы докинга. Белок-лигандный докинг. Предварительный скрининг. Подготовка модели. Подходы к генерации поз. Оценочные функции. Белок-пептидный докинг. Макромолекулярный докинг. Программы (AUTODOCK, GLIDE, GOLD, HADDOCK). Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 10 Знакомство с программами SwissDock и AutoDock Vina Протокол семинара.
Самостоятельная работа 10 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ

Модуль 6. Принципы квантовых расчетов (2 недели).

Лекция 11Основы квантово-химических расчетов. Приближение Борна-Оппенгеймера. Теория молекулярных орбиталей. Метод Хартри-Фока. Эмпирические и полуэмпирические методы. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 11 Знакомство с программой NWCHEM Протокол семинара.
Самостоятельная работа 11 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ
Лекция 12Различные подходы. Методы функционала плотности (DFT). Методы расчета спектральных характеристик. Моделирование химических реакций. Моделирование переноса заряда. Методы КМ/ММ. Слайды лекции. Видеозапись.
Семинар 12 Работа с программой NWCHEM Протокол семинара.
Самостоятельная работа 12 ЗДЕСЬ БУДУТ ДЕТАЛИ ЗАДАНИЯ

Assessments

Criteria

Grades