Identification of potential small molecule binding pockets on Rho family GTPases

Rho GTPases are conformational switches that control a wide variety of signaling pathways critical for eukaryotic cell development and proliferation. They represent attractive targets for drug design as their aberrant function and deregulated activity is associated with many human diseases including cancer. Extensive high-resolution structures (.100) and recent mutagenesis studies have laid the foundation for the design of new structure-based chemotherapeutic strategies. Although the inhibition of Rho signaling with drug-like compounds is an active area of current research, very little attention has been devoted to directly inhibiting Rho by targeting potential allosteric non-nucleotide binding sites. By avoiding the nucleotide binding site, compounds may minimize the potential for undesirable off-target interactions with other ubiquitous GTP and ATP binding proteins. Here we describe the application of molecular dynamics simulations, principal component analysis, sequence conservation analysis, and ensemble small-molecule fragment mapping to provide an extensive mapping of potential small-molecule binding pockets on Rho family members. Characterized sites include novel pockets in the vicinity of the conformationaly responsive switch regions as well as distal sites that appear to be related to the conformations of the nucleotide binding region. Furthermore the use of accelerated molecular dynamics simulation, an advanced sampling method that extends the accessible time-scale of conventional simulations, is found to enhance the characterization of novel binding sites when conformational changes are important for the protein mechanism.

Molecular determinants of desensitization in an ENaC/degenerin channel.

Epithelial Na(+) channel (ENaC)/degenerin family members are involved in mechanosensation, blood pressure control, pain sensation, and the expression of fear. Several of these channel types display a form of desensitization that allows the channel to limit Na(+) influx during prolonged stimulation. We used site-directed mutagenesis and chemical modification, functional analysis, and molecular dynamics simulations to investigate the role of the lower palm domain of the acid-sensing ion channel 1, a member of the ENaC/degenerin family. The lower palm domains of this trimeric channel are arranged around a central vestibule, at ∼20 Å above the plasma membrane and are covalently linked to the transmembrane channel parts. We show that the lower palm domains approach one another during desensitization. Residues in the palm co-determine the pH dependence of desensitization, its kinetics, and the stability of the desensitized state. Mutations of palm residues impair desensitization by preventing the closing movement of the palm. Overexpression of desensitization-impaired channel mutants in central neurons allowed--in contrast to overexpression of wild type--a sustained signaling response to rapid pH fluctuations. We identify and describe here the function of an important regulatory domain that most likely has a conserved role in ENaC/degenerin channels.

Collective dynamic properties in simple crystals: Influence of the structural disorder

Collective dynamic properties in Lennard-Jones crystals are investigated by molecular dynamics simulation. The study is focused on properties such as the dynamic structure factors, the longitudinal and transverse currents and the density of states. The influence on these properties of the structural disorder is analyzed by comparing the results for one-component crystals with those for liquids and supercooled liquids at analogous conditions. The effects of species-disorder on the collective properties of binary crystals are also discussed.

Static and dynamic structure of liquid metals: Role of the different parts of the interaction potential

The influence of different parts of the interaction potential on the microscopic behavior of simple liquid metals is investigated by molecular dynamics simulation. The role of the soft-core repulsive, short-range attractive, and long-range oscillatory forces on the properties of liquid lithium close to the triple point is analyzed by comparing the results from simulations of identical systems but truncating the potential at different distances. Special attention is paid to dynamic collective properties such as the dynamic structure factors, transverse current correlation functions, and transport coefficients. It is observed that, in general, the effects of the short-range attractive forces are important. On the contrary, the influence of the oscillatory long-range interactions is considerably less, being the most pronounced for the dynamic structure factor at long wavelengths. The results of this work suggest that the influence of the attractive forces becomes less significant when temperature and density increase.

Velocity cross-correlations and atomic momentum transfer in simple liquids with different potential cores

Time correlation functions between the velocity of a tagged particle and velocities of particles within specified ranges of initial separations have been obtained by molecular dynamics simulation. These correlation functions have allowed us to analyze the momentum transfer between particles in different coordination shells. Two simple liquids at very different densities and two purely repulsive potentials with very different softnesses have been considered. The longitudinal correlations, which are the velocity cross-correlations along the initial direction defined by the centers of two given particles, have been calculated separately. It has been proven that these correlations should be attributed to particles both in front of and behind the central one. As with propagating longitudinal modes, they are strongly dependent on the softness of the potential core. Some characteristic features of the velocity correlation functions after the initial rise should be related to nonlongitudinal correlations. It has been shown that velocity cross-correlations between distinct particles cannot only be attributed to the direct interactions among particles, but also to the motions induced by the movement of a tagged particle on their neighbors.

Fourier transform convolution integrals applied to generalized Born molecular volume.

Generalized Born methods are currently among the solvation models most commonly used for biological applications. We reformulate the generalized Born molecular volume method initially described by (Lee et al, 2003, J Phys Chem, 116, 10606; Lee et al, 2003, J Comp Chem, 24, 1348) using fast Fourier transform convolution integrals. Changes in the initial method are discussed and analyzed. Finally, the method is extensively checked with snapshots from common molecular modeling applications: binding free energy computations and docking. Biologically relevant test systems are chosen, including 855-36091 atoms. It is clearly demonstrated that, precision-wise, the proposed method performs as good as the original, and could better benefit from hardware accelerated boards.

Mekanismien dynamiikan simuloinnissa sovellettavia numeerisia- ja mallinnusmenetelmiä

Koneet voidaan usein jakaa osajärjestelmiin, joita ovat ohjaus- ja säätöjärjestelmät, voimaa tuottavat toimilaitteet ja voiman välittävät mekanismit. Eri osajärjestelmiä on simuloitu tietokoneavusteisesti jo usean vuosikymmenen ajan. Osajärjestelmien yhdistäminen on kuitenkin uudempi ilmiö. Usein esimerkiksi mekanismien mallinnuksessa toimilaitteen tuottama voimaon kuvattu vakiona, tai ajan funktiona muuttuvana voimana. Vastaavasti toimilaitteiden analysoinnissa mekanismin toimilaitteeseen välittämä kuormitus on kuvattu vakiovoimana, tai ajan funktiona työkiertoa kuvaavana kuormituksena. Kun osajärjestelmät on erotettu toisistaan, on niiden välistenvuorovaikutuksien tarkastelu erittäin epätarkkaa. Samoin osajärjestelmän vaikutuksen huomioiminen koko järjestelmän käyttäytymissä on hankalaa. Mekanismien dynamiikan mallinnukseen on kehitetty erityisesti tietokoneille soveltuvia numeerisia mallinnusmenetelmiä. Useimmat menetelmistä perustuvat Lagrangen menetelmään, joka mahdollistaa vapaasti valittaviin koordinaattimuuttujiin perustuvan mallinnuksen. Numeerista ratkaisun mahdollistamiseksi menetelmän avulla muodostettua differentiaali-algebraaliyhtälöryhmää joudutaan muokkaamaan esim. derivoimalla rajoiteyhtälöitä kahteen kertaan. Menetelmän alkuperäisessä numeerisissa ratkaisuissa kaikki mekanismia kuvaavat yleistetyt koordinaatit integroidaan jokaisella aika-askeleella. Tästä perusmenetelmästä johdetuissa menetelmissä riippumattomat yleistetyt koordinaatit joko integroidaan ja riippuvat koordinaatit ratkaistaan rajoiteyhtälöiden perusteella tai yhtälöryhmän kokoa pienennetään esim. käyttämällä nopeus- ja kiihtyvyysanalyyseissä eri kiertymäkoordinaatteja kuin asema-analyysissä. Useimmat integrointimenetelmät on alun perin tarkoitettu differentiaaliyhtälöiden (ODE) ratkaisuunjolloin yhtälöryhmään liitetyt niveliä kuvaavat algebraaliset rajoiteyhtälöt saattavat aiheuttaa ongelmia. Nivelrajoitteiden virheiden korjaus, stabilointi, on erittäin tärkeää mekanismien dynamiikan simuloinnin onnistumisen ja tulosten oikeellisuuden kannalta. Mallinnusmenetelmien johtamisessa käytetyn virtuaalisen työn periaatteen oletuksena nimittäin on, etteivät rajoitevoimat tee työtä, eli rajoitteiden vastaista siirtymää ei tapahdu. Varsinkaan monimutkaisten järjestelmien pidemmissä analyyseissä nivelrajoitteet eivät toteudu tarkasti. Tällöin järjestelmän energiatasapainoei toteudu ja järjestelmään muodostuu virtuaalista energiaa, joka rikkoo virtuaalisen työn periaatetta, Tästä syystä tulokset eivät enää pidäpaikkaansa. Tässä raportissa tarkastellaan erityyppisiä mallinnus- ja ratkaisumenetelmiä, ja vertaillaan niiden toimivuutta yksinkertaisten mekanismien numeerisessa ratkaisussa. Menetelmien toimivuutta tarkastellaan ratkaisun tehokkuuden, nivelrajoitteiden toteutumisen ja energiatasapainon säilymisen kannalta.

Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston soveltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti roottorin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitulosten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dynamiikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin elementtimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysjakaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan analysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saatiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Virtuaaliprototyypin käyttö kallioporakoneen dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston soveltuvuus kallioporakoneen dynamiikan analysointiin. Työssä mallinnettiin parametrisoitu virtuaaliprototyyppi uudenlaisella toimintaperiaatteella toimivasta kallioporakoneesta. Virtuaaliprototyyppiä on tarkoitus käyttää fyysisen prototyypin mitoituksessa sekä porakoneen toiminnan simuloinnissa ja suorituskyvyn arvioinnissa ennen ensimmäisen fyysisen prototyypin valmistamista. Mallinnus tehtiin ADAMS -ohjelmistoa ja siihen liitettävää ADAMS/Hydraulics -moduulia käyttäen. Mallinnuksessa kiinnitettiin huomiota erityisesti porakoneessa esiintyvien vuotovirtauksien huomioimiseen. ADAMS -ohjelmisto soveltuu hyvin hydraulisen iskuporakoneen dynaamisten ilmiöiden simulointiin. Koska fyysistä prototyyppiä ei ole vielä olemassa, ei mallin toimintaa voida kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa verifioida mittauksin. Simuloitujen tulosten perusteella voidaan todeta uuden toimintaperiaatteen olevan käyttökelpoinen kallion poraukseen. Parametrisoitua virtuaaliprototyyppiä voidaan käyttää tehokkaasti hyväksi tuotekehitysvaiheessa sekä se voidaan liittää osaksi laajempaa ja yksityiskohtaisempaa porauslaitteen simulointimallia.

Monikappalesysteemin esikäsittelijä kaupallisessa ympäristössä

Työn tavoitteena oli tehdä monikappalesysteemin esikäsittelijä, joka toimii CAD-ohjelmiston yhteydessä. CAD-ohjelmistoksi valittiin SolidWorks-ohjelmisto. Esikäsittelijästä tehtiin yhteensopiva monikappaledynamiikan simulointi ohjelmiston kanssa, joka on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Aikaansaadun esikäsittelijän avulla pystytään tuottamaan monikappaledynamiikan simuloinnissa tarvittavat lähtötiedot. Lähtötiedot esikäsittelijä laskee käyttäjän tekemästä kokoonpanokuvasta ja käyttäjän antamista tiedoista. Esikäsittelijän toiminta verifioitiin kaupallisin simulointiohjelmisto ADAMS:n avulla. Esikäsittelijän todettiin toimivan luotettavasti ja täyttävän sille asetetut vaatimukset. Lisäksi esikäsittelijän todettiin nopeuttavan huomattavasti simulointimallien tekoa.

Siltanosturin mallinnusmenetelmien kehittäminen

Työn tarkoituksena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston (Adams) soveltuvuus siltanosturin mallintamiseen. Työn kohteena oli kaksipalkkinen siltanosturi, joka sijaitsi KCI:n tiloissa Hyvinkäällä. Nosturin jänneväli oli noin 19.5 metriä ja nostokyky 16 tonnia. Mallintamisessa keskityttiin nosturin dynamiikkaan sekä ohjausvoimiin nosturin kantopyörissä. Simulointitulokset verifioitiin mittauksin. Koska mallista haluttiin mahdollisimman yksinkertainen, mallinnettiin ainoastaan pääkannattajat ja köydet joustavina. Muut osat mallinnettiin jäykkinä. Yksinkertaisuuteen pyrittiin sen vuoksi, että mallia oli tarkoitus käyttää perustana komponenttikirjaston luomiseksi myöhempää käyttöä varten. Tuloksista todettiin mallin soveltuvan hyvin nosturin dynamiikan mallintamiseen. Mallista saatavat tulokset vastasivat hyvin mitattuja liikkeitä. Ohjausvoimia ei kuitenkaan saatu verifioitua. Käytetty mittausmenetelmä osoittautui sopimattomaksi.

Um potencial de interação para o estudo de materiais e simulações por dinâmica molecular

The Vashishta-Rahman effective interaction potential, based on the Pauling's concept of "ionic radii", has been successfully employed to investigate structural and dynamical properties of different classes of material. By celebrating Pauling's birth centenary, we review the building up of the Vashishta-Rahman potential and we present molecular-dynamics simulation results for structure and dynamics of superionic materials, chalcogenide glasses and metallic oxides.

Environmental inFluences on the Adoption of Open Innovation: Analysis of Structural, Institutional and Cultural Impacts

The concept of open innovation has recently gained widespread attention, and is particularly relevant now as many firms endeavouring to implement open innovation, face different sets of challenges associated with managing it. Prior research on open innovation has focused on the internal processes dealing with open innovation implementation and the organizational changes, already taking place or yet required in companies order to succeed in the global open innovation market. Despite the intensive research on open innovation, the question of what influences its adoption by companies in different contexts has not received much attention in studies. To fill this gap, this thesis contribute to the discussion on open innovation influencing factors by bringing in the perspective of environmental impacts, i.e. gathering data on possible sources of external influences, classifying them and testing their systemic impact through conceptual system dynamics simulation model. The insights from data collection and conceptualization in modelling are used to answer the question of how the external environment affects the adoption of open innovation. The thesis research is presented through five research papers reflecting the method triangulation based study (conducted at initial stage as case study, later as quantitative analysis and finally as system dynamics simulation). This multitude of methods was used to collect the possible external influence factors and to assess their impact (on positive/negative scale rather than numerical). The results obtained throughout the thesis research bring valuable insights into understanding of open innovation influencing factors inside a firm’s operating environment, point out the balance required in the system for successful open innovation performance and discover the existence of tipping point of open innovation success when driven by market dynamics and structures. The practical implications on how firms and policy-makers can leverage environment for their potential benefits are offered in the conclusions.

Flexible multibody approach in bone strain estimation during physical activity:

Bone strain plays a major role as the activation signal for the bone (re)modeling process, which is vital for keeping bones healthy. Maintaining high bone mineral density reduces the chances of fracture in the event of an accident. Numerous studies have shown that bones can be strengthened with physical exercise. Several hypotheses have asserted that a stronger osteogenic (bone producing) effect results from dynamic exercise than from static exercise. These previous studies are based on short-term empirical research, which provide the motivation for justifying the experimental results with a solid mathematical background. The computer simulation techniques utilized in this work allow for non-invasive bone strain estimation during physical activity at any bone site within the human skeleton. All models presented in the study are threedimensional and actuated by muscle models to replicate the real conditions accurately. The objective of this work is to determine and present loading-induced bone strain values resulting from physical activity. It includes a comparison of strain resulting from four different gym exercises (knee flexion, knee extension, leg press, and squat) and walking, with the results reported for walking and jogging obtained from in-vivo measurements described in the literature. The objective is realized primarily by carrying out flexible multibody dynamics computer simulations. The dissertation combines the knowledge of finite element analysis and multibody simulations with experimental data and information available from medical field literature. Measured subject-specific motion data was coupled with forward dynamics simulation to provide natural skeletal movement. Bone geometries were defined using a reverse engineering approach based on medical imaging techniques. Both computed tomography and magnetic resonance imaging were utilized to explore modeling differences. The predicted tibia bone strains during walking show good agreement with invivo studies found in the literature. Strain measurements were not available for gym exercises; therefore, the strain results could not be validated. However, the values seem reasonable when compared to available walking and running invivo strain measurements. The results can be used for exercise equipment design aimed at strengthening the bones as well as the muscles during workout. Clinical applications in post fracture recovery exercising programs could also be the target. In addition, the methodology introduced in this study, can be applied to investigate the effect of weightlessness on astronauts, who often suffer bone loss after long time spent in the outer space.

Kaivoslastauskoneen hybridisointianalyysi virtuaali- ja in-loop -simuloinnin avulla

Työssä tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisointimitoitusta simuloimalla. Työssä esitetään simulation-in-the-loop-simulointiin perustuva järjestelmä, jolla esimerkkitapauksena oleva kaivoslastauskone työympäristöineen voidaan mallintaa mekaaniselta osaltaan monikappaledynamiikkaan perustuvalla ohjelmistolla ja hybridijärjestelmän osalta Simulinkissa. Yhdistetty simulointi mahdollistaa hybridityökoneen virtuaalimallin ohjaamisen käyttäjän toimesta reaaliajassa. Simuloinnista saadaan tuloksena mm. työsykli, jota voidaan käyttää hybridisointimitoitukseen. Hybridisointi toteutetaan kahdella erilaisella kokoonpanolla, joista analysoidaan suorituskykyä sekä polttoaineen kulutusta. Tuloksia verrataan pelkästään dieselmoottoria voimanlähteenä käyttävään lastauskoneeseen. Työssä tehty tutkimus osoittaa, että (sarja-) hybridisoinnilla voidaan saavuttaa merkittäviä etuja raskaiden työkoneiden polttoainetehokkuudessa. Dieselmoottoria voidaan ajaa sellaisessa staattisessa toimintapisteessä, jonka hyötysuhde on korkea riippumatta työkoneen kuormituksesta. Saavutettu hyöty on toteutetussa tutkimuksessa parhaimmillaan jopa 56 % vähennys polttoaineenkulutuksessa. Lisäksi tarvittava dieselin nimellisteho pienenee huomattavasti. Tutkimuksen osana esitellään myös Hardware-in-the-Loop -laitteisto, jonka avulla voidaan liittää oikea sähkömoottori ja taajuudenmuuttaja osaksi virtuaalisesti simuloitua työkonetta.