Daten-getriebene Markov-Modellierung von Nichtgleichgewichtsprozessen

• Antragsteller: Professor Dr. Gerhard Stock
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431945604

Projekt P5 „Datengetriebene Markov-Modellierung von Nichtgleichgewichtsprozessen“ von Stock und Thoss befasst sich mit der Erweiterung der Theorie und der numerischen Implementierung von Markov-Zustandsmodellen (MSM) zur Behandlung nicht-Markovscher und Nichtgleichgewichtsdaten. Um nicht-Markovsche Daten durch eine verallgemeinerte Mastergleichung zu modellieren, werden wir den Quasi-MSM-Ansatz verwenden und zudem zeitfaltungsfreie Formulierungen in Betracht ziehen. Wir werden verschiedene Näherungen untersuchen, um die zugehörige Gedächtniskernel-Matrix bzw. die zeitabhängige Ratenmatrix zu bestimmen, wobei insbesondere der Fall verrauschter Eingangsdaten berücksichtigt wird. Zur Modellierung der Nichtgleichgewichtsantwort fotoschaltbarer Proteine werden wir ein Netzwerk schwach wechselwirkender MSMs konstruieren, die Kontaktcluster repräsentieren. Diese Cluster vermitteln einen mehrstufigen strukturellen Reorganisationsprozess, der sowohl kooperative konformationelle Übergänge innerhalb eines Clusters als auch die Kommunikation zwischen Clustern umfasst. Darüber hinaus werden wir ein verbessertes dynamisches Clustering-Verfahren entwickeln, um metastabile Zustände zu konstruieren. Dieses Verfahren fasst Mikrozustände anhand ihrer Übergangswahrscheinlichkeitsverteilung zusammen, bezieht geometrische Informationen mit ein und ist für Nichtgleichgewichtsdaten geeignet. Das Projekt ist eng mit den Projekten P1 und P2 der Forschungsgruppe verknüpft, die sich mit quanten- und klassisch-verallgemeinerten Mastergleichungen auf Basis von Modell-Hamiltonians befassen. Zudem werden wir Molekulardynamik-Trajektorien aus Projekt P7 analysieren, die Ligandenbindung und allosterische Kommunikation beschreiben, und unsere Expertise zur Konstruktion von Nichtgleichgewichts-Mastergleichungen für den Energietransport in Projekt P11 einbringen.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5099: Reduktion der Komplexität von Nichtgleichgewichtssystemen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Michael Thoss