Počítačové simulace, modelování a chemo/bioinformatika

Garant předmětu:

Přednášející:

Cvičící:

Předmět zajišťuje:

katedra biomedicínské informatiky

Anotace:

Cílem předmětu počítačové simulace, modelování a chemo/bioinformatika je seznámit studenty s alternativním, výpočetně-teoretickým přístupem k získání biochemicky, biologicky a biomedicínsky relevantních informací a to za pomoci moderní výpočetní techniky a dat z dostupných biologických databází. Přednáška bude logicky postupovat od modelování nejmenších systémů na úrovni atomů a molekul za pomoci metod založených na kvantové fyzice, až po simulace rozměrných nadmolekulárních a buněčných struktur. Následující část přednášky se bude věnovat novému perspektivnímu oboru chemoinformatika využívající statistické přístupy pro predikci farmakologických vlastností v oblasti tzv. drug designu. Závěrečná část kurzu budě věnována pokročilým partiím bioinformatiky, zejména analýze genové exprese a strojovému učení pro popis DNA. Kurz bude primárně zaměřen na témata vztahující se k biomedicínsky zajímavým problémům.

Požadavky:

Forma ověření studijních výsledků: Průběžné základní znalosti ověřované úlohami za každou část semestru (max. 25 bodů za simulace, max. 25 za chem/bioinformatiku). Během semestru je nutné získat minimálně 25 bodů za cvičení a domácích úloh. Výsledky ze cvičení jsou započítány do celkového hodnocení 50%.

Požadavky na docházku: Povinná účast na cvičeních (max. 2 absence).

Ústní zkouška sestává ze dvou zadaných otázek. 1 otázka bude zadána z tématu simulací (zisk max. 25 bodů), druhá otázka z bio/cheminformatiky (max. 25 bodů). Výsledky zkoušky jsou započítány do celkového hodnocení 50%.

Okruhy SZZ:

Optimalizační úloha, metody matematické optimalizace. Soustava pohybových rovnic a jejich řešení. Hyperplocha potenciální energie, interakční potenciál. Monte Carlo metoda, její princip a aplikace. Rungeovo-Kuttovo schéma. Nelineární dynamické systémy, stabilita řešení.

Reprezentace 2D molekulárních struktur, SMILES, InChI, InChIKey. Molekulární deskriptory, strojové učení v chemoinformatice, úloha QSAR. Docking a virtuální screening při návrhu léčiv. Detekce tunelů v proteinových strukturách. Analýza genové exprese, dostupné nástroje, příklady aplikace. Genomové projekty, možnosti programů EMBOSS a SMS2. Strojové učení pro detekci intronů v DNA.

Osnova přednášek:

1. (AM) Úvod a motivace - počítačové simulace, molekulové modelování, repetitorium mechaniky, termodynamiky a kvantové fyziky, vysvětlení základních pojmů

2. (AM) Stacionární vlastnosti: kvantová chemie a metody funkcionálu elektronové hustoty (DFT), aplikace

3. (AM) Stacionární vlastnosti: molekulová mechanika, silové pole, aproximace interakcí, periodické okrajové podmínky, geometrické optimalizace

4. (AM) Dynamické vlastnosti: molekulová dynamika (klasická vs. kvantová), vývoj systému v čase a řešení pohybových rovnic, kontrola teploty a tlaku, základní analýza trajektorie

5. (AM) Dynamické vlastnosti: metody výpočtu volné energie, Monte-Carlo simulace, hrubozrnné (coarse-grain) modely

6. (OK) Chemoinformatika: reprezentace 2D molekulárních struktur, aplikace teorie grafů, metody vyhledávání struktur, farmakofor, molekulární deskriptory, topologické indexy.

7. (OK) Chemoinformatika: QSAR. Docking a virtuální screening při návrhu léčiv.

8. (OK) Strukturní bioinformatika: Detekce tunelů v proteinových strukturách.

9. (OK) Bioinformatika: Analýza genové exprese, dostupné nástroje, příklady aplikace.

10. (OK) Bioinformatika: Genomové projekty, možnosti programů EMBOSS a SMS2.

Osnova cvičení:

1. (AM) Repetitorium základů fyziky a chemie

2. (AM) Základní výpočty kvantové chemie a DFT

3. (AM) Molekulová mechanika: silové pole, příprava systému, optimalizace geometrie

4. (AM) Molekulová dynamika: simulace molekulárního systému a základní analýza

5. (AM) Molekulová dynamika: výpočty volných energií

6. (OK) Reprezentace 2D molekulárních struktur, SMILES, InChI, InChIKey.

7. (OK) Molekulární deskriptory, strojové učení v chemoinformatice, úloha QSAR.

8. (OK) Detekce tunelů v proteinových strukturách.

9. (OK) Praktický příklad analýzy genové exprese.

10. (OK) Strojové učení pro detekci intronů v DNA.

Cíle studia:

Cílem předmětu počítačové simulace, modelování a chemo/bioinformatika je seznámit studenty s alternativním, výpočetně-teoretickým přístupem k získání biochemicky, biologicky a biomedicínsky relevantních informací a to za pomoci moderní výpočetní techniky a dat z dostupných biologických databází. Předmět dále rozšiřuje znalosti bioinformatiky, navazující na znalosti Bioinformatiky z bakalářské etapy.

Studijní materiály:

Doporučená literatura:

[1] SZABO, Attila a Neil S. OSTLUND. Modern quantum chemistry: introduction to advanced electronic structure theory. Mineola, N. Y.: Dover Publications, 1996. ISBN 0-486-69186-1.

[2] LEACH, Andrew R. Molecular modelling: principles and applications. 2nd ed. New York: Prentice Hall, 2001. ISBN 978-0-582-38210-7.

Chemoinformatika:

[3] LEACH, Andrew R. a Valerie J. GILLET. An introduction to chemoinformatics. Dordrecht: Springer, c2005. ISBN 1-4020-1347-7.

[4] GU, Jenny. a Philip E. BOURNE. Structural bioinformatics. 2nd ed. Hoboken, N.J.: Wiley-Blackwell, c2009. Methods of biochemical analysis, v. 44. ISBN 978-0-470-18105-8.

Povinná literatura:

[5] ŠILHÁNEK, Jaroslav. Úvod do chemické informatiky. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická, 1994. ISBN 80-7080-218-9.

[6] VYMĚTAL, Jan. Odborná literatura a informace v chemii. Praha: Orac, 2001. Studijní texty (Orac). ISBN 80-86199-33-9.

Poznámka:

Další informace:

Pro tento předmět se rozvrh nepřipravuje

Předmět je součástí následujících studijních plánů:

• Navazující magisterská studijní specializace Softwarové technologie (povinný předmět)