CRO GRID Aplikacije

1. CRO GRID Aplikacije Modeliranje i simulacija savijanja proteina i katalitičke uloge enzima Izvješće za razdoblje 01.01.2004 – 1.12.2006. Prof. dr. sc. Zvonimir Maksić Institut “Ruđer Bošković” Zagreb, Studeni 2006.

2. CILJEVI • Modeliranje i simulacija savijanja proteina i katalitičke uloge enzima • Ciljevi: - Primjeniti moderne računske metode u analizi strukture i dinamike bioloških sustava, konkretno peptida i malih proteina. - Razraditi proceduru za simulaciju dinamike peptida i manjih proteina u fiziološkim uvjetima (MD simulacije), te proceduru analize rezultata dobivenih MD simulacijama (analiza MD trajektorija). - Identificirati računski zahtjevne dijelove simulacije i analize koji bi se mogli ubrzati računanjem na GRID-u. - Razviti vlastitu aplikaciju za GRID. - Primjeniti alikaciju na složenije sustave.

3. METODE • Metode - U simulaciji dinamike peptida korištena je metoda klasične molekulske dinamike (MD) U toj metodi atomi u molekuli tretiraju se kao klasične čestice koje se gibaju u skladu sa zakonima klasične mehanike. Sile koje djeluju na čestice izvode se iz funkcije potencijalne energije odnosno iz parametara tzv. polja sila koji su dobiveni vrlo točnim kvantno kemijskim računima. MD računi se svode na rješavanje Newtonovih jednadžbi gibanja: Fi = mi ai (1) (2) U praksi se jednadžba (2) numerički integrira sa konačnim vremenskim korakom t koji tipično iznosi 1-2 ps. - U analizi rezultata korištene su metode analize glavnih komponenti (PCA) i clustering analiza. Potrebne rutine za analizu preuzete su iz 'open source' paketa MMTSB (Multiscale Modeling Tools for Structural Biology). Za procesiranje MD trajektorija korišten open source alat ‘ptraj’.

4. POSTIGNUTI REZULTATI - SIMULACIJA • Znanstveni cilj projekta bio je ispitivanje postojanja specifičnih interakcija između peptida, tzv. sense-antisense interakcija. Te interakcije su izuzetno važne u teoriji molekulskog prepoznavanja. Premda je bilo dosta eksperimentalnih podataka koji su upućivali na postojanje specifičnih interakcija među peptidima, konačna eksperimentalna, a pogotovo teorijska potvrda nije postojala. • Kao modelni sustav za simulacije izabran je pentapeptid Met-enkefalin (peptid spada u endogene opioidne peptide koji su odgovorni za različite biološke procese od kojih je najbolje opisan proces ublažavanja boli). • Na primjeru tog peptida prvo je razrađena procedura za simulaciju dinamike peptida (MD simulacija). Testirana je tzv. replika exchange metoda koja se odnedavno koristi u simulacijama ovakvog tipa. Mi smo utvrdili da se ona može u većini slučajeva zamijeniti metodom neinteragirajućih replika, koja se pak može izvoditi na GRID-u jer ne zahtijeva komunikaciju među procesima Dobivena znanja pretočena su u tutorial za MD simulacije koji se može pronaći na adresi http://spider.irb.hr/tutorial

5. POSTIGNUTI REZULTATI - SIMULACIJA Kako zapravo izgleda jedna tipična MD simulacija ? Primjer simulacije peptida Met-enkefalina u implicitnom otapalu – animacija trajektorije 50 ps MD simulacijena 300 K s implicitnim otapalom

6. POSTIGNUTI REZULTATI - SIMULACIJA Primjer simulacije peptida Met-enkefalina u eksplicitnom otapalu (H2O) – animacija trajektorije 50 ps MD simulacije na 300 K sa eksplicitnim otapalom (kutija vode) Animacije su vizalno dojmljive, ali što iz njih možemo zaključiti o ponašanju peptida? GOTOVO NIŠTA!

7. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Problem koji je bilo potrebni riješiti, bio je problem analize trajektorija dobivenih MD simulacijama (posebno trajektorija dobivenih tzv. “replika exchange” metodom). • Rezultat simulacije od 1ns za Met-enkefalin koji ima 5 aminokiselina, u ‘kutiji’ vode dimenzija 27 Å, je datoteka veličine oko 16 GB (850 MB kad se izbaci voda), dakle radi se o ogromnoj količini podataka koju je potrebno analizirati. Ovaj problem u analizi identificiran je kao problem koji je moguće adekvatno riješiti pisanjem aplikacije za GRID. • Na primjeru gore spomenutog peptida razrađena je procedura za analizu MD trajektorija. Procedura je opisana u tutorialu koji se nalazi na adresi http://spider.irb.hr/tutorial2 • Na osnovu definirane procedure opisane u “tutorialu 2” napisan je program koji nam je omogućio rutinsku analizu MD trajektorija. U analizi se koristi tzv. analiza glavnih komponenti (PCA) i klastering analiza. Program je korišten u analizi trajektorija modelnog sustava Met-enkefalina a kasnije je primijenjen i u analizi većeg sustava – hormona -MSH.

8. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Analiza: Clustering Cluster 2, Pop. = 13% Cluster 1, Pop. = 61% Cluster 3, Pop. = 26% Ace-Ile-Pro-Pro-Lys-Tyr-Nme

9. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Analiza glavnih komponenti (PCA) Projekcija na vlastite vektore matrice kovarijance Ace-Ile-Pro-Pro-Lys-Tyr-Nme

10. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Analiza glavnih komponenti Kombinirana sa clustering analizom Ace-Ile-Pro-Pro-Lys-Tyr-Nme

11. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Analiza glavnih komponenti Kombinirana sa ‘potential of mean force’ [-ln(M/Mtot)] Ace-Ile-Pro-Pro-Lys-Tyr-Nme

12. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Analiza trajektorija dobivenih replika exchage dinamikom (REMD) je puno zahtjevnija REMD -Istodobno izvršavanje nekoliko simulacija (replika) na različitim temperaturama pri čemu se dozvoljava njihova izmjena kada je ispunjen određen uvjet sličnosti 16 replika, svaka simulira 2.5 ns što znači da je ukupno vrijeme simulacije 40 ns. Temperaturni raspon je od 275K do 420K.

13. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA REMD – analiza 4 temperature Ace-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Nme

14. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Što su zapravo sense i komplenetarni peptidi ?

15. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Svakoj aminokiselini iz sense peptida odgovara jedna ili dvije aminokiseline u komplementarnom peptidu

16. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Sense i koplementarni (antisense) peptid – postoji li specifična interakcija? Ace-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-Nme Ace-Ile-Pro-Pro-Lys-Tyr-Nme

17. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Analiza: Strukturnasvojstva Histogramiudaljenosti centara masa (COM)komplementarnihaminokiselina

18. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Analiza: Strukturnasvojstva Udaljenosti između centara masa komplementarnih peptida

19. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Mjera komplementarnosti ?

20. Mjera komplementarnosti peptida POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA

21. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Strukture koje su unutar granične vrijednosti za komplementarnost grupiraju se u dva klastera. Te strukture čine 2% ukupnog konformacijskog prostora

22. POSTIGNUTI REZULTATI - ANALIZA Zaključak: • Simulacije ukazuju na postojanje interakcija između Met-Enkefalina i njegovog antisense peptida. • Simulacije također pokazuju da se 2% ukupnog broja struktura u simulaciji može smatrati strukturama sparenim prema definiciji komplementarnosti. • Ovaj pristup simulaciji i analizi peptida koji smo razvili pokazao se vrlo obećavajući u razumijevanju interakcija između sense i komplementarnih peptida.

23. POSTIGNUTI REZULTATI – PROGRAM ZA ANALIZU ۰Analiza trajektorija dobivenih ‘replica – exchhange’ simulacijama pokazala se izuzetno zahtjevnom ۰Količina podataka prelazi 16 GB za pentapeptid u kutiji vode veličine 27 Å. ۰Analiza je zahtijevala izradu odgovarajućeg programa, koji je u početku napisan za izvršavanje na klasteru a kasnije je modificiran i prilagođen radu na GRID-u. ۰ Program je zamišljen tako da analizira podatke za svaku pojedinu temperaturu iz ‘replica exchange’ simulacije na zasebnom nodu unutar klastera odnosno na zasebnom računalu unutar GRID-a. ۰ Analiza MD trajektorija sastoji se od posla koji se može razdijeliti na nekoliko neovisnih procesa (analiza pojedinih teperatura) i posla koji se mora izvršiti na jednom procesoru (dijeljenje trajektorije na n dijelova pri čemu je n broj temperatura). ۰ Da bi se takav kompleksan posao mogli izvršavati na GRID-u bilo je potrebno definirati ‘workflow’. To smo postigli pisanjem odgovarajuće CONDOR-DAGMAN skripte, te nekoliko CONDOR skripti. Program se na gridu pokreće izvršavanjem jedne skripte sa nekoliko argumenata: [TRAJEKTORIJA] [BROJ REPLIKA] [BROJ STRUKTURA] [TOPOLOGIJA] [RADIJUS KLASTERA]

24. POSTIGNUTI REZULTATI – PROGRAM ZA ANALIZU Output programa čine slijedeće datoteke: Centroid.stats sadrži informacije o broju klastera i njihovoj populaciji (statistika) CentroidI.member.dat (gdje je I broj klastera) sadrži strukture koje su dio tog klastera CentroidI.pdb (gdje je I broj klastera) sadrži kordinate centroida tog klastera ClustI.crd (gdje je I broj klastera) je ASCII trajektorija tog klastera bestI-J.pdb (gdje je I broj klastera a J je broj strukture najbliže centroidu tog klastera) sadrži strukturu najbližu centroidu klastera pca-I.dat (gdje je I broj klastera) sadrži projekciju prve dvije glavne komponente struktura u I-to klasteru rmscI.dat (gdje je I broj klastera) sadrži rmsd struktura u klasteru I u odnosu na centroid I-tog klastera rmsbI.dat (gdje je I broj klastera) sadrži rmsd struktura u klasteru I u odnosu na strukturu najbližu centroidu klastera Program je testiran na analizi Met-enkefalina i kasnije je rutinski primjenjen u analizi većeg peptida tzv. -melanocit hormona - peptida koji se sastoji od 13 aminokiselina.

25. POSTIGNUTI REZULTATI – PROGRAM ZA ANALIZU Zaključak: • Pokazali smo da je analizu trajektorija dobivenih ‘replica exchange’ MD simulacijama moguće izvršavati na GRID-u. • Napisan je program za analizu MD trajektorija prilagođen radu na postojećoj CRO-GRID infrastrukturi i instaliranom middleware-u. • Korištenjem programa na GRID-u analiza je ubrzana nekoliko puta u odnosu analizu koja se prije izvršavala sekvencijalno na jednom računalu. • Korištenjem programa sada je moguće rutinski analizirati i veće sustave što smo demonstrirali na slučaju peptida -MSH (koji ima 13 aminokiselina) i dimera -MSH i njegovog komplementarnog peptida.

26. POSTIGNUTI REZULTATI - SAŽETAK • Razrađena je procedura simulacije dinamike peptida, te procedura analize MD trajektorija. • Napisan je tutorial za simulaciju dinamike peptida (http://spider.irb.hr/tutorial ), te tutorial za analizu rezultata (http://spider.irb.hr/tutorial2/Tutorial2.htm) • Završene su simulacije dinamike peptida Met-Enkefalina i njegovog antisense peptida, te simulacije -melanocit hormona i njegovog antisense analoga. Završena je i analiza MD trajektorija za oba peptida. Dobiveni rezultati upućuju na postojanje specifičnih sense-antisense interakcija. • Napisan je program za analizu MD trajektorija i prilagođen radu na CRO-GRID-u. • Napisana su dva znanstvena rada i poslana u časopis. Trenutno su u postupku recenzije. • Održano je nekoliko pozvanih predavanja na skupovima i nekoliko predavanja na Institutu Ruđer Bošković. Prezentacije se mogu naći na http://spider.irb.hr/GRID/prezentacijee.htm Sažetak postignutih rezultata:

27. Kadrovsko izvješće Popis suradnika na podprojektu • Dr. sc. Borislav Kovačević • Dr. sc. Danijela Barić • Dr. sc. Robert Vianello • Prof. dr. sc. Zvonimir Maksić • Dr. sc. David Smith