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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
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Inglese