使用超级计算机来理解生物分子性质
未来电脑的使用快速分析负责疾病的生物分子结构和设计一个完美的治疗是在科幻小说。总的想法是希望和成立。但确定粒子的运动和功能生物分子不是一件容易的事——即使是当今最强大的超级计算机。
芝加哥大学的科学家们正在做研究寻求答案的功能和运动原子的生物系统。团队修改他们的代码运行在未来Intel-HPE极光的超级计算机,估计将超过两个峰值exaflop双精度计算性能。极光将位于美国能源部(DOE)的阿贡国家实验室。阿贡国家实验室领导的研究小组支持计算设备(ALCF)极光早期科学项目(ESP)。
在ESP项目首席研究员,Benoit Roux博士,芝加哥大学解释说,“我们的团队运行计算机模拟在预生产使用英特尔的超级计算机硬件和软件将会在未来的曙光超级计算机。该系统包括前期制作英特尔图形处理单元(gpu)。”
Roux州”,特别是项目的目标是开发新技术来模拟生物分子系统的虚拟模型和前所未有的准确性。当我们搬到一个exascale计算机上运行的计算机模拟等未来极光系统,我们希望我们朝着一个理性的理解生物系统”。
定义的性质和运动生物化学原子粒子
分子遵循物理定律,热力学和化学的方式,他们的行为和行动。Roux表示不同部分活细胞的结构如膜、蛋白质和酶。例如,膜薄所形成的鞘脂类,分离不同细胞的隔间。膜通常是30或40埃厚,但一些蛋白质膜大,可以宽100埃。细胞膜沟通和什么是发生在细胞外的信号。通常穿越细胞膜和蛋白质功能,如注入化学物质跨膜或控制不同物质的通道。
有很多方面的分子生物化学,计算机模型只提供了一个近似的分子运动和行为。生物学是非常复杂的,可以发现意想不到的因素进行研究。Roux表明,重要的是要比较的计算机模拟结果与真实世界实验在实验室或临床试验。
“我们使用这样的所有原子分子动力学模拟来严格计算构象自由能量和绑定自由能量。我们特别感兴趣的理解生物分子的功能系统。我们也在开发新的计算方法(可极化力场,溶剂边界势,有效的抽样方法)研究生物大分子的系统,”面粉糊。
生物分子力场能源案例研究
团队的ESP的主要焦点研究使用超级计算机模拟来确定潜在自由能景观两大膜转运蛋白的功能。团队的措施2 +腺苷三磷酸酶(SERCA的)和多药耐药性22运输车(PGP)。16目标是获得更完整的理解机制进行定量描述的自由能景观管理的途径和他们一起运动。
SERCA的运输和PGP代表两个广泛的类蛋白质。蛋白质都使用三磷酸腺苷(ATP)水解作为能源的运输活动涉及复杂的构象转变,ATP / ADP绑定的是紧耦合的,解脱和水解。PGP是一个高度生物医学的最大总科的重要成员磷酸腺苷磁带转运蛋白和介导耐多药在许多癌症类型。PGP是鉴别膜转运体与能力流出药物分子的癌细胞导致效率降低化疗。癌细胞移植PGP表达式作为逃避化疗的适应性反应介导的细胞死亡。
图1显示了这些结构的一个例子。这项研究的结果可以提供重要的信息中的耐多药相关癌症。
图
1
。米embrane绑定两个转运蛋白结构调查研究:Ca2 +腺苷三磷酸酶泵SERCA的(左)和耐多药转运体PGP(右)。博士的面粉糊,芝加哥大学。
软件用于生物分子的研究
团队执行大规模的分子动力学(MD)模拟使用纳米分子动力学(NAMD)项目在他们的研究。7NAMD是一个平行的MD代码设计高性能大生物分子系统的仿真。NAMD支持生物研究测量细胞过程的动力学在原子和sub-nanosecond决议不可行的实验方法。
准备在极光的超级计算机上运行
Roux团队开始NAMD代码迁移联合实验室系统评估试验台系统阿尔贡极光。极光将把新的英特尔技术如英特尔Xehpc gpu(代号旧桥)和下一代英特尔至强可伸缩的处理器(代号蓝宝石急流),配备高带宽内存旨在提高内存使用。这个团队使用SYCL编制的的数据并行c++ (DPC + +)编译器,这是Intel-led跨行业的一部分oneAPI倡议旨在统一和简化应用程序开发多样化的计算架构。
魏江曾Roux实验室的一位博士后研究员,现在在阿贡作为一个计算机科学家——ALCF催化剂团队的一部分。他是使用SYCL英特尔的编制DPC + +编译器来帮助港口CUDA模型上运行英特尔GPU。江泽民指出,使用oneAPI还将帮助开发人员更容易地修改代码运行在不同的系统。
江表明ALCF和英特尔的团队开始工作与现有NAMD CUDA GPU模型。该团队使用oneAPI工具来将现有的GPU代码转换为一个c++代码能够运行在内核模式英特尔Xehpc gpu(代号旧桥)。NAMD开发工作将会改善跨平台支持的帮助下将CUDA内核移植到SYCL英特尔DPC + +兼容的工具。英特尔VTune分析器用于帮助改善GPU利用率和总体性能的新SYCL内核。
江泽民表示,英特尔提供工作坊和支持ALCF团队。团队目前访问英特尔oneMKL图书馆,和英特尔的工程师在调试代码援助问题代码是为了未来极光exascale系统上运行。
江说,“oneAPI工具非常方便,因为它们包含一个完整的编译器和链接器。此外,英特尔VTune分析器是包括艾滋病在解决性能问题。oneAPI设计工作在各种gpu最小化各种架构编写代码的任务。”
未来的研究在复杂的生物系统
“当前超级计算机可以模拟几百微秒的中等大小的生物系统,但他们仍然有限。分子运动发生在一个广泛的时间尺度,从皮秒到毫秒的一小部分。与生物相关的动力学发生microsecond-to-millisecond的范围内。现有的超级计算机不能完全模拟系统的功能[是]一个ATP-driven Ca一样复杂2 +泵。未来超级计算机要求的新边疆理论进步的基础上提供的信息理解的功能模拟复杂的生物系统,准确地确定系统中发生。最终的目标是迅速找到答案相关的疾病或药物开发,”面粉糊。
ALCF是美国能源部科学办公室用户设备。
引用:
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3所示。Das,鲁伊·H, Nakamoto R, Roux b构象转换和肌浆网钙泵alternating-access机制。J杂志。2017,429 (5):647 - 666。doi:10.1016 / j.jmb.2017.01.007
4所示。Thirman J,鲁伊·H, Roux b难以捉摸的中间状态的关键ATP水解转化为有用功Ca2 +泵SERCA的开车。B J物理化学。2021,125 (11):2921 - 2928。doi:10.1021 / acs.jpcb.1c00558
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7所示。菲利普斯JC,哈迪DJ,玛雅JDC, et al。可伸缩的分子动力学与NAMD CPU和GPU的体系结构。J化学物理。2020年,153 (4):044130。doi:10.1063/5.0014475
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