Dynamika molekularna

Ukończone studia licencjackie na kierunku ścisłym lub przyrodniczym.

Podstawowa znajomość analizy matematycznej i algebry.

przedmiot obowiązkowy

30 godzin uczestnictwa w wykładach (opcjonalne)

30 godzin uczestnictwa w ćwiczeniach praktycznych (obowiązkowe)

30 godzin pracy własnej - przygotowanie do egzaminu, realizacja projektu z symulacji dynamiki

Efekty kierunkowe K_W02, K_W03 będą realizowane poprzez następujące efekty przedmiotowe:

W1: Student wykorzystuje i pogłębia podstawową wiedzę fizyczną

W2 Posiada zaawansowaną wiedzę na temat symulacji dynamiki molekularnej i elementów fizyki statystycznej fazy skondensowanej, jako części fizyki teoretycznej.

W3: Student zna zaawansowane metody badawcze: LES, CP, Metadynamika, TU, FEP, REMD, SMD)

W4: Student zna podstawowe numeryczne w MD pozwalające planować i wykonywać złożone symulacje fizyczne, ze szczególnym uwzględnieniem bionanomateriałów: metodę Powella, algorytm Verleta, algorytm leap-frog, algorytm Shake.

W5: Student wie co to są periodyczne warunki brzegowe i dlaczego je stosujemy.

W6: Student zna pojęcie energii swobodnej i przynajmniej jedną metode jej obliczania (FEP, cykl termodynamiczny).

W7: Student wie co to jest Powierzchnia Energii Potencjalnej.

W8: Student wie jak są zbudowane podstawowe pola siłowe do opisu dynamiki białek (np CHARMM. AMBER).

W9: Student wie co to są zespoły statystyczne i jak najprościej utrzymuje się stała temperaturę w symulacjach MD

W10: student zna podstawowy schemat wykonywania symulacji MD.

W11: Student wie jaka jest rola MD w projektowaniu leków

Efekty kierunkowe K_U01-KU04 będą realizowane poprzez umiejętności kierunkowe U1-U6 podane poniżej.

U1: Student potrafi użyć odpowiednich metod badawczych do rozwiązywania problemów dotyczących symulacji dynamiki molekuł.

U2: Student potrafi samodzielnie przygotować białko lub podobny układ fizyczny do symulacji,

U3: Student potrafi dobrać warunki symulacji i protokół właściwy dla problemu, U4: Student potrafi wykonać symulacje na klastrze linuxowym i

U5: Student potrafi zinterpretować wyniki obliczeń teoretycznych na podstawowym poziomie i ocenić ich dokładność.

U6: Student umie posługiwać się literaturą naukową relacjonującą wyniki symulacji MD.

Efekty Kierunkowe w zakresie kompetencji społecznych K_K01, K_K02

będą realizowane poprzez następujące efekty przedmiotowe (K1-K5):

K1: Studenci wiedzą jak odpowiedzialność wiąże się z pracą zespołową.

K2: Studenci rozumieją wielką rolę metod komputerowych i teoretycznych we współczesnej nauce i technice.

K3: Dostrzegają związek metod fizyki i informatyki ze zdrowiem - poznawanie mechanizmów chorób, poszukiwanie nowych leków.

K4: Rozumieją, że dokonywanie symulacji oszczędza cierpienia zwierzętom laboratoryjnym.

K5: Wiedzą, że rozwój technik symulacji wpływa na poziom życia i zamożność społeczeństwa.

Wykład multimedialny.

Ćwiczenia praktyczne - samodzielna i nadzorowana praca z komputerem.

Dyskusja w grupie. Sesje burzy mózgów.

- symulacyjna (gier symulacyjnych)

- wykład informacyjny (konwencjonalny)
- wykład problemowy

- ćwiczeniowa
- doświadczeń
- giełda pomysłów
- projektu

Przedmiot „Dynamika molekularna” (30h W+30h Lab/ćw) stanowi zaawansowny kurs wykorzystania metod teoretycznego modelowania biocząsteczek i nanoukładów. Wprowadzony będzie opis ruchu za pomocą równania Liouvilla. Przedstawiony będzie koncept pola siłowego, sposób konstrukcji pól siłowego oraz szczegółowe postaci analityczne wybranych pól. Omówione będą metody optymalizacji geometrii układów makromolekularnych oraz algorytmy całkowania klasycznych równań ruchu. Dokonana zostanie analiza stabilności i symplektyczności rozważanych metod numerycznych. Przedstawiony będzie szczegółowo protokół obliczeń MD, periodyczne warunki brzegowe,metody kontroli ciśnienia i temperatury w symulowanym układzie, podstawowe zespoły termodynamiczne. Podane będą liczne przykłady symulacji MD białek i DNA z najnowszej literatury naukowej. Poruszony będzie problem projektowania leków. Ćwiczenia dadzą możliwość opanowania samodzielnego prowadzenia symulacji.

Przedmiot „Dynamika molekularna” (30h W+30h Lab/ćw) stanowi zaawansowany kurs wykorzystania pewnej klasy metod teoretycznego modelowania cząsteczek i nanoukładów. Przypomniane będą podstawy teoretycznego opisu cząsteczek opartego o mechanikę kwantową oraz zasady opisu ruchu w ramach mechaniki klasycznej.

Wprowadzony będzie opis ruchu za pomocą równania Liouvilla.

Uzasadniona będzie potrzeba szerokiego stosowania klasycznego sposobu opisu dużych układów. Przedstawiony będzie koncept pola siłowego, sposób konstrukcji pola siłowego oraz szczegółowe postaci analityczne wybranych pól siłowych, m.in. CHARMM, AMBER, GROMOS, MOIL. Omówione będą metody optymalizacji geometrii układów makromolekularnych, ze szczególnym uwzględnieniem algorytmów stosowanych w praktyce. W podobny dokładny sposób zostaną przedstawione algorytmy całkowania klasycznych równań ruchu. Dokonana zostanie analiza stabilności numerycznej i symplektyczności rozważanych metod numerycznych.

W dalszej części wykładu studenci zapoznają się z ogólnym protokołem realizacji obliczeń MD. Omówione zostaną periodyczne warunki brzegowe i ich popularne warianty, metody kontroli ciśnienia i temperatury w symulowanym układzie, podstawowe zespoły termodynamiczne stosowane w symulacjach. Schematy te będą ilustrowane własnymi wynikami symulacji, m.in. mioglobiny czy białek neuronalnych. W końcowej części studenci zapoznają się z problemem obliczania zmian energii swobodnej, niestandardowymi metodami MD takimi jak Replica Exchange MD, Meta-dynamics, Locally Enhanced Sampling, SPW, Steered MD, dynamika gruboziarnista i innymi najnowszymi metodami. Metody MD zostaną porównane z popularnym nurtem symulacji Monte Carlo. Wykład będzie zawierał liczne przykłady zastosowań metod MD w badaniach naukowych, m.in. dyfuzji gazów w białkach, nanomechaniki białek czy DNA, działania kanałów jonowych. Na wykładzie będzie omawiany postęp w technologii obliczeń wielkoskalowych oraz aplikacje MD na kartach graficznych. Wykład ma charakter praktyczny – powinien pomóc w realizowaniu obliczeń związanych z własnymi projektami naukowymi.

Projekty takie będą realizowane w ramach ćwiczeń na nowoczesnych stacjach graficznych, z wykorzystaniem programów NAMD i VMD oraz kart GPU stereo.

1. Daan Frenkel, Berend Smit, "Understanding Molecular Simulation, Second Edition: From Algorithms to Applications (Computational Science) Academic Press, 2001

2. Haile, J. M., “Molecular Dynamics Simulation: Elementary Methods”, John Wiley & Sons, Inc.: New York, ISBN 0471819662, 1992.

3. Hinchliffe, A., “Molecular Modelling for Beginners”, 2nd edition; John Wiley & Sons, Ltd: Chichester, ISBN 9780470513149, 2008.

4. A.Hinchliffe „Modeling Molecular Structures”, Wiley, Chichester, 1996.

5. J. Foresman, A, Frish, „Exploring Chemistry with Electronic Structure Methods”, 2nd Ed. Gaussian Inc. , Pittsburgh, USA, 1996.

6. L. Piela, „Idee chemii kwantowej”, PWN, Warszawa, 2009.

7. D. C. Rapaport, "The Art of Molecular Dynamics Simulation Hard, Cambridge 2004

8. Doucet, J.-P.; Weber, J., “Computer-Aided Molecular Design”, Academic Press, London, ISBN 0122212851,1996.

9. A. R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, 2001, ISBN 0-582-38210-6.

10. D. W. Heerman, "Podstawy symulacji komputerowych w fizyce", WNT, 1997

11. W. Nowak, “Applications of computational methods to simulations of proteins dynamics”, w “Handbook of Computational Chemistry”, Springer, 2012 – a book chapter, pp.129-1149. (ISBN 978-94-007-0712-2).

12. W. Nowak, „Symulacje dynamiki molekularnej biomolekuł na progu XXI wieku”; Kosmos 58 (282-283) (2009) 48-56

13. Art. przeglądowe i strony WWW podawane na wykładzie

Wykład: zaliczenie w oparciu o wyniki egzaminu:

- wymagany będzie opis teoretyczny omawianych metod

- rozumienie przybliżeń wprowadzanych w czasie realizacji obliczeń

- znajomość podstawowych algorytmów obliczeniowych

- orientacja w najnowszych metodach (SMD, REMD itp.) symulacji dynamiki

- znajomość przykładowych typowych zastosowań i ograniczeń metody MD

Sprawdzane efekty W1-W11

Kryteria w zależności od % zdobytych punktów:

50-60% - ocena: 3

60-70% - ocena: 3+

70-80% - ocena: 4

80-90% - ocena: 4+

90-100% - ocena 5

Ćwiczenia , zaliczenie - sprawdzane będą U2-U6

ćwiczenia: zaliczenie w oparciu o 1 raport cząstkowy i 1 sprawozdanie z realizacji zespołowego mini-projektu badawczego

Wg liczby punktów:

Kryteria w zależności od % zdobytych punktów:

50-60% - ocena: 3

60-70% - ocena: 3+

70-80% - ocena: 4

80-90% - ocena: 4+

90-100% - ocena 5

nie przewidziano dla tego przedmiotu