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Scheda Riassuntiva
Anno Accademico 2017/2018
Scuola Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
Insegnamento 097549 - BIOMOLECULAR MODELLING LABORATORY
Docente Vesentini Simone
Cfu 5.00 Tipo insegnamento Monodisciplinare

Corso di Studi Codice Piano di Studio preventivamente approvato Da (compreso) A (escluso) Insegnamento
Ing Ind - Inf (Mag.)(ord. 270) - MI (471) BIOMEDICAL ENGINEERING - INGEGNERIA BIOMEDICA*AZZZZ097549 - BIOMOLECULAR MODELLING LABORATORY

Programma dettagliato e risultati di apprendimento attesi

L’accesso al corso è a numero limitato. La procedura obbligatoria di richiesta accesso si trova qui http://www.ccsbio.polimi.it/?page_id=27

OBIETTIVI

Il corso si propone di fornire agli allievi nozioni teoriche e applicative relative ai metodi di chimica computazionale più usati sia per lo studio del comportamento di molecole biologiche sia per l'indagine di fenomeni alla nanoscala sia per lo studio della loro relazione con le strutture biologiche.Alla fine del corso lo studente acquisirà competenze nell'ambito del molecular modelling, comprendendo la base teorica e l'implementazione dei principali algoritmi utilizzati, le potenzialità e i limiti di questi metodi. In particolare sarà in grado di:
- utilizzare, gestire e modificare force fields di molecole biologiche,
- utilizzare diversi codice di meccanica e dinamica molecolare  per la simulazione di biomolecole,
- simulare al calcolatore l'evoluzione di fenomeni biologici a livello molecolare,
- simulare al calcolatore esperimenti di caratterizzazione meccanica di proteine.

PROGRAMMA DEL CORSO

Il corso si articola in 20 ore di lezione, 8 ore di esercitazione numerica e 52 ore di laboratorio in aula informatizzata. Gli argomenti trattati nelle ore di lezione comprendono:

LEZIONI

-Dalla meccanica quantistica alla meccanica classica, presupposti teorici nella definizione di uno studio "classico" delle strutture molecolari

-Definizione di un campo di forza (force field) per lo studio delle strutture molecolari (termini di legame e di non legame)

-Tecniche di minimizzazione energetica

-Dinamica Molecolare, studio del comportamento di molecole in diverse condizioni

-Concetti di Meccanica Statistica

-Modelli a grana grossa (coarse grain) per lo studio di strutture macromolecolari

Per ciascun argomento verranno forniti esempi applicativi di grande rilevanza in ambito biologico.

ESERCITAZIONI

- esercitazione sulla distribuzione di Maxwell-Boltzman delle velocità

-calcolo della traiettoria di una semplice struttura molecolare mediante algoritmo Verlet

LABORATORIO

-Utilizzo del programma di visualizzazione molecolare VMD

-Costruzione di un nuovo campo di forza

-Minimizzazione energetica

-Simulazione di dinamica molecolare

-Simulazione di dinamica molecolare di non equilibrio

Nella parte finale del corso ad ogni coppia di studenti verrà assegnato un progetto che dovrà essere svolto durante le ore di laboratorio. Il progetto potrà riguardare strutture molecolari proposte dal docente/esercitatore oppure da strutture molecolari proposte dagli studenti stessi. Il progetto sarà concluso dalla stesura di una breve relazione.

Il materiale del corso è fornito unicamente in lingua inglese.

Gli studenti devono acquisire le seguenti competenze, dettagliate secondo i Descrittori di Dublino:

A: CONOSCENZA e CAPACITA’ DI COMPRENSIONE: conoscenza delle relazioni struttura/funzione di strutture proteiche e dei principali strumenti modellistici 

B: CONOSCENZA e CAPACITA’ DI COMPRENSIONE:dimostrare di sapere pianificare una strategia sperimentale in modelli di peptidi, saper impostare una analisi in silico facendo un modello di proteina 

C: AUTONOMIA DI GIUDIZIO:saper analizzare la letteratura recente e leggere criticamente i risultati di studi ingegneria proteinca e disegno di molecole

D: ABILITA' NELLA COMUNICAZIONE: presentare al seminario in inglese un articolo di letteratura recente sugli argomenti discussi a lezione (la presentazione viene valutata per il 30% del voto finale)
il corso è svolto in inglese e gli studenti vengono invitati a porre domande in lingua inglese

ENGLISH VERSION

It should be noted that this is a limited number access course. The mandatory procedure for access request is here http://www.ccsbio.polimi.it/?page_id=27

INTRODUCTION

Molecular simulations are the theoretician’s tools to understanding the fundamentals behind many physical and chemical phenomena. This course is designed to introduce the student to the theory and methodology behind these tools, and to expose the student to the power of molecular level simulations and modeling through practical applications. Topics will span two core techniques: molecular  mechanics, molecular dynamics.

GOALS

At the end of the course, the student is able to:
1. use different MD software to study biomolecules;
2. explain the origin of intermolecular interactions and calculate Boltzmann- and orientationally averaged interaction energies between molecules represented by charge distributions as a function of distance;
3. explain the molecular driving forces energy  and their implications for molecular assembly and shape (folding);
4. reproduce a number of molecular descriptors and be able to perform regression analysis leading to such relationships;
5. reproduce the general ideas behind molecular modeling techniques and be able to generate and analyze data using modeling software;
6. collect primary scientific literature pertaining to the self-assembly or folding behavior of a class of molecules and summarize this material in an essay written in English;
7. point out the assumptions made in the derivations of the equations and their limitations in relation to the techniques used in rational molecular design.

COURSE SYLLABUS

- From quantum to classical mechanics: Brief review of the basic principles of quantum mechanics of atoms and molecules.

-Definition and terms of FORCE FIELD (FF), bonded and non-bonded terms. Treatment of long range interactions

-Introduction to Statistical Mechanics

- Energy minimization , the Potential Energy Surface and minimization algorithm

-Molecular Dynamics, ergodic Hypothesis and simulations in different ensambles

-Coarse Grain Models

PRACTICALS

Velocity distribution and Maxwell-Boltzman distribution

Verlet algorithm for the integration of the equation of motion

PRACTICALS IN LABORATORY

Utilization of visualization software packages: VMD

Energy Minimization

How to build a new force field

Molecular dynamics simulation and analysis of MD trayectories

Steered Molecular dynamics

In the second part of the course a project will be assigned and in the remaining part of the course it will be accomplished. The project will end with a brief report that will be discussed during the examination

 

Students must acquire competences, detailed following the Dublin Descriptors below:

A: KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING.

Knowledge and ability to discuss and present the main theoretical aspects presented in the course. Knowledge of the structure/function correlation in proteins

B: APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING

Resolving problems and exercises in molecular modelling applying the correct mathematical models. Setting virtual experiments for charaterisation of proteins 

C: INDIPENDENCE IN JUDGEMENT

Critically analysing the recent literature on molecular modeling and discussing results

D: COMUNICATION SKILLS

Abilty to present a paper of the most recent literature, the course is in english and students are encouraged to ask questions and discuss in english

 


Note Sulla Modalità di valutazione

L'esame prevede una prova scritta in cui lo studente risponde a domande sugli argomenti descritti nel corso. La valutazione dello scritto costituisce il 70% del voto finale. Il 30% del voto è rappresentato dalla valutazione del seminario in inglese effettuato su un articolo della letteratura recente, oppure dalla valutazione da una relazione scritta in formato di un articolo scinetifico basato sull'esercitazione pratica di modelling e docking molecolare

ENGLISH

The exam consists of an written exam in which the students have to answer questions based on the material/theory taught during the lectures.

The evaluation of the written part accounts for 70% of the final grade.

30% of the grade is based on the evaluation of the presentation given by each student in English on a recently published article or for a report written in the format of an article based on the in silico molecular modeling and docking .


Bibliografia

Mix Forme Didattiche
Tipo Forma Didattica Ore didattiche
lezione
20.0
esercitazione
8.0
laboratorio informatico
42.0
laboratorio sperimentale
0.0
progetto
0.0
laboratorio di progetto
0.0

Informazioni in lingua inglese a supporto dell'internazionalizzazione
Insegnamento erogato in lingua Inglese
Disponibilità di materiale didattico/slides in lingua inglese
Disponibilità di libri di testo/bibliografia in lingua inglese
Possibilità di sostenere l'esame in lingua inglese
Disponibilità di supporto didattico in lingua inglese
schedaincarico v. 1.6.6 / 1.6.6
Area Servizi ICT
31/07/2021