Računalna biokemija i biofizika

Opće informacije

Nositelj predmeta: doc. dr. sc. Vedran Miletić
Naziv predmeta: Računalna biokemija i biofizika
Studijski program: Poslijediplomski sveučilišni doktorski studij Informatika
Status predmeta: obvezatan/izborni
Godina: 1./2.
Bodovna vrijednost i način izvođenja nastave:

• ECTS koeficijent opterećenosti studenata: 6
• Broj sati (P+V+S): 15+0+15

Opis predmeta

Ciljevi predmeta

Projekt ljudskog genoma započeo je 1990-ih kako bi identificirao i sekvencirao sve ljudske gene. Već početkom 2000-ih, velika količina podataka o genima koji kodiraju proteine bila je javno dostupna za istraživanje. Ti podaci i informacije dobivene iz njih, dostupnost sve bržih superračunala, te napredak metoda korištenih u računalnoj biokemiji i biofizici u sljedeća dva desetljeća omogućili su brzi razvoj grane molekularne biologije nazvane strukturna biologija, koja povezuje strukturu i funkcija bioloških makromolekula proteina, nukleinskih kiselina i membrana.

Cilj kolegija je stjecanje znanja o strukturama podataka i algoritmima koji čine osnovu suvremenog softvera u području računalne biokemije i biofizike te o mogućnostima primjene i postupcima za daljnji razvoj postojećeg softvera prema znanstvenoistraživačkim potrebama. Poseban fokus je na podatkovnim strukturama i algoritmima koji omogućuju izvođenje ovog softvera na eksaskalarnim superračunalima. Cilj kolegija je i upoznavanje s aktualnim znanstvenoistraživačkim problemima u ovom području i pristupima koji odgovaraju na ta pitanja.

Uvjeti za upis predmeta

Nema uvjeta za upis predmeta.

Očekivani ishodi učenja za predmet

Očekuje se da će nakon uspješno ispunjenih svih programom predviđenih obveza na predmetu student biti sposoban:

I1. Predložiti poboljšanje postojećeg algoritma ili metode u simulaciji molekulske dinamike.
I2. Predvidjeti performanse simulatora molekulske dinamike na superračunalima i u računalnim oblacima.
I3. Dizajnirati proširenje simulatora molekulske dinamike novom značajkom.
I4. Razviti novu značajku simulatora molekulske dinamike.

Sadržaj predmeta

Sadržaj predmeta čine teme:

• Povijesni razvoj računalne biokemije i biofizike. Implementacija modela atoma u okviru molekulske i kvantne mehanike.
• Simulacija molekulske dinamike. Algoritmi, strukture podataka i formati datoteka za pohranu parametara, molekulskih struktura i rezultata simulacije. Implementacija polja sila i funkcije interakcije. Metode paralelizacije i prilagodba programske podrške za izvođenje simulacije molekulske dinamike na heterogenim računalnim sustavima.
• Implementacija metoda temeljenih na molekulskoj dinamici: izračun slobodne energije, neekvilibrijsko povlačenje, prilagodljiva pristranost, nametnuta rotacija, simulacija uniformnog i posmičnog toka te interaktivna molekulska dinamika.
• Izvođenje simulacije molekulske dinamike u računalnim oblacima i na superračunalima. Analiza i vizualizacija rezultata simulacije. Prilagodbe programske podrške za izvođenje simulacije na eksaskalarnim superračunalima.
• Primjene strojnog učenja u računalnoj biokemiji i biofizici.

Vrsta izvođenja nastave

• predavanja
• seminari i radionice
• vježbe
• obrazovanje na daljinu
• terenska nastava
• samostalni zadaci
• multimedija i mreža
• laboratorij
• mentorski rad
• ostalo _______

Komentari

Relevantni znanstveni radovi nositelja predmeta:

1. Svedružić, Ž. M, Vrbnjak, K., Martinović, M. & Miletić, V. Structural Analysis of the Simultaneous Activation and Inhibition of γ-Secretase Activity in the Development of Drugs for Alzheimer's Disease. Pharmaceutics 13(4), 514 (2021). doi:10.3390/pharmaceutics13040514 (WoS-SCIE, Q1 (2020), JIF: 6.321 (2020); times cited: 2)
2. Miletić, V., Ašenbrener Katić, M. & Svedružić, Ž. High-throughput Virtual Screening Web Service Development for SARS-CoV-2 Drug Design. in 2020 43rd International Convention on Information, Communication, and Electronic Technology (MIPRO), 371–376 (2020). doi:10.23919/MIPRO48935.2020.9245082
3. Herrera-Rodríguez, A., Miletić, V., Aponte-Santamaría, C. & Gräter, F. Molecular dynamics simulations of molecules in uniform flow. Biophys. J. 116(6), 621–632 (2019). doi:10.1016/j.bpj.2018.12.025 (WoS-SCIE, Q1, JIF: 3.854; times cited: 5)
4. Franz, F., Aponte-Santamaría, C., Daday, C., Miletić, V. & Gräter, F. Stability of Biological Membranes upon Mechanical Indentation. J. Phys. Chem. B 122(28), 7073–7079 (2018). doi:10.1021/acs.jpcb.8b01861 (WoS-SCIE, Q2, JIF: 2.923; times cited: 2)
5. Miletić, V., Odorčić, I., Nikolić, P. & Svedružić, Ž. M. In silico design of the first DNA-independent mechanism-based inhibitor of mammalian DNA methyltransferase Dnmt1. PLOS ONE 12(4), e0174410 (2017). doi:10.1371/journal.pone.0174410 (WoS-SCIE, Q1, JIF: 2.766; times cited: 14)

Obveze studenata

Obveze studenata na predmetu su:

• Redovito pohađati nastavu i sudjelovati u svim aktivnostima predmeta te pratiti obavijesti vezane uz nastavu u sustavu za e-učenje.
• Izraditi i obraniti seminarski rad.
• Izraditi i obraniti praktični rad.

Detaljan način razrade bodovanja na predmetu te pragovi prolaza za pojedine aktivnosti vrednovanja bit će navedeni u detaljnom izvedbenom nastavnom planu predmeta.

Praćenje¹ rada studenata

• Pohađanje nastave: 1
• Aktivnost u nastavi:
• Seminarski rad: 1
• Eksperimentalni rad:
• Pismeni ispit:
• Usmeni ispit:
• Esej:
• Istraživanje: 2
• Projekt:
• Kontinuirana provjera znanja:
• Referat:
• Praktični rad: 2
• Portfolio:

Postupak i primjeri vrednovanja pojedinog ishoda učenja tijekom nastave i na završnom ispitu

Ishodi učenja će se vrednovati kroz znanstveno istraživanje u kojem student primjenjuje teorijska i praktična znanja predmeta. Student rezultate istraživanja treba opisati u seminarskom radu, koji može biti i u obliku znanstvenog rada. Na taj način seminarski rad može predstavljati osnovu za objavu znanstvenog rada koji će se u dogovoru s nositeljem predmeta i mentorom studenta objaviti na konferenciji ili u časopisu.

Obvezna literatura (u trenutku prijave prijedloga studijskog programa)

1. Advances in Molecular Simulation. (MDPI, 2021). doi:10.3390/books978-3-0365-2711-6. Dostupno online: www.mdpi.com/books/pdfview/book/4780
2. Molecular Dynamics Simulation. (MDPI, 2014). doi:10.3390/books978-3-906980-66-9. Dostupno online: www.mdpi.com/books/pdfview/book/75
3. Garmon, A. Accelerated Molecular Dynamics for the Exascale. (Clemson Libraries, 2020). Dostupno online: tigerprints.clemson.edu/all_dissertations/2716
4. GROMACS Reference Manual, User Guide, and Developer Guide. Dostupno online: manual.gromacs.org
5. Sadržaji pripremljeni za učenje putem sustava za učenje.

Dopunska literatura (u trenutku prijave prijedloga studijskog programa)

1. Computational Biochemistry and Biophysics. (CRC Press, 2001). doi:10.1201/9780203903827.
2. Frenkel, D. & Smit, B. Understanding Molecular Simulation: From Algorithms to Applications. (Academic Press, 2001).
3. Cramer, C. J. Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models. (Wiley, 2004).
4. Jensen, F. Introduction to Computational Chemistry. (John Wiley & Sons, 2017).
5. Griebel, M., Knapek, S. & Zumbusch, G. Numerical Simulation in Molecular Dynamics: Numerics, Algorithms, Parallelization, Applications. (Springer, 2010).
6. Todd, B. D. & Daivis, P. J. Nonequilibrium Molecular Dynamics: Theory, Algorithms and Applications. (Cambridge University Press, 2017).
7. OpenMM User Guide and Developer Guide. Dostupno online: openmm.org/documentation
8. LAMMPS User Guide and Programmer Guide. Dostupno online: docs.lammps.org/Manual.html

Broj primjeraka obavezne literature u odnosu na broj studenata koji trenutno pohađaju nastavu na predmetu

Načini praćenja kvalitete koji osiguravaju stjecanje izlaznih znanja, vještina i kompetencija

Predviđa se periodičko provođenje evaluacije s ciljem osiguranja i kontinuiranog unapređenja kvalitete nastave i studijskog programa (u okviru aktivnosti Odbora za upravljanje i unapređenje kvalitete Fakulteta informatike i digitalnih tehnologija).