Кардинальное ускорение расчетов гигантских биомолекул методами квантовой химии, требующими применения суперЭВМ и/или GRID-систем
Автор: Аникин Николай Алексеевич, Мускатин Александр Юрьевич, Кузьминский Михаил Борисович, Леднев Сергей Николаевич, Смирнов Александр Валерьевич, Русаков Александр Ильич
Журнал: Программные системы: теория и приложения @programmnye-sistemy
Рубрика: Программное и аппаратное обеспечение для супер ЭВМ
Статья в выпуске: 2 (45) т.11, 2020 года.
Бесплатный доступ
Расчеты электронной структуры молекул квантовохимическими методами давно проводятся с использованием суперЭВМ. Сегодня они проводятся на лидере суперкомпьютерного списка TOP500 и будут осуществляться на первом в США экзафлопсном суперкомпьютере.Краткий обзор современных методов квантовой химии и их применения на суперЭВМ для расчетов в первую очередь больших молекул показывает необходимость применения ускоренных аппроксимационных методик для реализации возможностей проведения таких расчетов. Это особенно актуально для массовых расчетов таких гигантских биомолекул, как докинг-комплексы белок-лиганд.Для этого нами разработаны дающие большое ускорение при приемлемой точности расчетов алгоритмы аппроксимации для вычисления молекулярных интегралов неэмпирических методов квантовой химии. Для массовых расчетов докинг-комплексов полуэмпирическими методами предложена и программно реализована новая методика, базирующаяся на использовании некоторых локализаций взаимодействий лигандов с белком благодаря формированию групп из полного набора лигандов комплекса.Изложенная методика позволила достигнуть ускорения на порядки и предполагается к использованию в будущих неэмпирических расчетах. Описанные методики и программы для необходимых массовых расчетов докинг-комплексов естественно вписываются в пакетную систему обработки заданий и могут использоваться в GRID-среде. Такая GRID-система создается на вычислительных ресурсах ЯрГУ и ИОХ РАН на базе стандартных в рамках EGI программных средств UMD 4).
Быстродействующие квантовохимические методы, докинг-комплексы
Короткий адрес: https://sciup.org/143172948
IDR: 143172948 | DOI: 10.25209/2079-3316-2020-11-2-75-92
Список литературы Кардинальное ускорение расчетов гигантских биомолекул методами квантовой химии, требующими применения суперЭВМ и/или GRID-систем
- P. J, T. Kjaergaard, K. Kristensen, P. Baudin, P. Ettenhuber, J. J. Eriksen, Y. M. Wang, D. Bykov. “Quantum chemistry on the supercomputers of tomorrow”, Smoky Mountains Computational Sciences and Engineering Conference (August 31-September 2, 2015, Gatlinburg, Tennessee, USA) URL https://computing.ornl.gov/workshops/SMC15/docs/session1/Smokey-Jorgensen.pdf.
- D. Bykov, A. Barnes, D. Lyakh. “Quantum Chemistry on Supercomputers”, Southeastern Theoretical Chemistry Association Meeting SETCA 2019 (May 16-18, 2019, The University of Tennessee, Knoxville, USA) URL https://volweb.utk.edu/ setca2019/abstract_pdfs/dmytro_bykov.pdf.
- W. Jia, L. W. Wang, L. Lin. Parallel transport time-dependent density functional theory calculations with hybrid functional on summit, 2019.
- P. Gwynne. “Exascale supercomputer initiative launched”, Physics World, 32:5 (2019), pp. 11. DOI: 10.1088/2058-7058/32/5/12
- P. Cheng, Y. Lu, Y. Du, Zh. Chen. “Tiered data management system: Accelerating data processing on HPC systems”, Future Generation Computer Systems, 101 (2019), pp. 894-908. DOI: 10.1016/j.future.2019.07.046
- R. Johnson. Aurora supercomputer to empower advanced chemistry research, 2019 URL https://www.technologynetworks.com/informatics/articles/aurora-supercomputer-to-empower-advanced-chemistry-research-320550.
- H. A. Le, T. Shiozaki. “Occupied-orbital fast multipole method for efficient exact exchange evaluation”, Journal of Chemical Theory and Computation, 14:3 (2018), pp. 1228-1234.
- DOI: 10.1021/acs.jctc.7b00880
- M. Hennemann, T. Clark. “EMPIRE: a highly parallel semiempirical molecular orbital program: 1: self-consistent field calculations”, Journal of Molecular Modeling, 20:7 (2014), 2331.
- DOI: 10.1007/s00894-014-2331-4
- I. V. Oferkin, E. V. Katkova, A. V. Sulimov, D. C. Kutov, S. I. Sobolev, V. V. Voevodin, V. B. Sulimov. “Evaluation of docking target functions by the comprehensive investigation of protein-ligand energy minima”, Advances in Bioinformatics, 2015 (2015), 126858.
- DOI: 10.1155/2015/126858
- A. Li, H. S. Muddana, M. K. Gilson. “Quantum mechanical calculation of noncovalent interactions: A large-scale evaluation of PMx, DFT, and SAPT approaches”, Journal of Chemical Theory and Computation, 10:4 (2014), pp. 1563-1575.
- DOI: 10.1021/ct401111c
- J. C. Womack, N. Mardirossian, M. Head-Gordon, Ch.-K. Skylaris. “Self-consistent implementation of meta-GGA functionals for the ONETEP linear-scaling electronic structure package”, The Journal of Chemical Physics, 145:20 (2016), 204114.
- DOI: 10.1063/1.4967960
- E. J. Higgins, M. I. J. Probert, P. J. Hasnip, K. Refson, I. J. Bush. Hybrid OpenMP and MPI within the CASTEP code, 2015 URL https://www.archer.ac.uk/community/eCSE/eCSE01-017/eCSE01-017_Final_Report_technical.pdf.
- J. Zhang, A. L. Weisman, P. Saitta, R. A. Friesner. “Efficient simulation of large materials clusters using the jaguar quantum chemistry program: Parallelization and wavefunction initialization”, International Journal of Quantum Chemistry, 116:5 (2016), pp. 357-368.
- DOI: 10.1002/qua.25043
- I. Horváth, N. Jeszen, M. Bálint, G. Paragi, C. Hetényi. “A fragmenting protocol with explicit hydration for calculation of binding enthalpies of target-ligand complexes at a quantum mechanical level”, International Journal of Molecular Sciences, 20:18 (2019), pp. 4384.
- DOI: 10.3390/ijms20184384
- A. V. Nemukhin, I. V. Polyakov, A. I. Moskovsky. “Multi-scale supercomputing of large molecular aggregates: A case study of the light-harvesting photosynthetic center”, Supercomputing Frontiers and Innovations, 2:4 (2016), pp. 48-54.
- DOI: 10.14529/jsfi150403
- T. Nakajima, M. Katouda, M. Kamiya, Yu. Nakatsuka. “NTChem: A highperformance software package for quantum molecular simulation”, International Journal of Quantum Chemistry, 115:5 (2015), pp. 349-359.
- DOI: 10.1002/qua.24860
- H. M. Berman, J. Westbrook, Z. Feng, G. Gilliland, T. N. Bhat, H. Weissig, I. N. Shindyalov, P. E. Bourne. “The Protein Data Bank”, Nucleic Acids Research, 28:1 (2000), pp. 235-242.
- DOI: 10.1093/nar/28.1.235
- R. Wang, Y. Lu, X. Fang, S. Wang. “An extensive test of 14 scoring functions using the PDBbind refined set of 800 protein-ligand complexes”, J. Chem. Inf. Comput. Sci., 44:6 (2004), pp. 2114-2125.
- DOI: 10.1021/ci049733j
- Н А. Аникин, А. С. Мендкович, М. Б. Кузьминский, А. М. Андреев. «Метод и программа для массовых квантовохимических расчетов докинг-комплексов протеин-лиганд», Известия Академии наук. Сер. химическая, 2008, №2, с. 418-420.
- Н. А. Аникин, А. М. Андреев, М. Б. Кузьминский, А. С. Мендкович. «Быстродействующий метод для массовых полуэмпирических расчетов докинг-комплексов», Известия Академии наук. Сер. химическая, 2008, №9, с. 1759-1764.
- Н. А. Аникин, А. М. Андреев, М. Б. Кузьминский, А. С. Мендкович. «Новый подход к ускорению массовых квантово-химических расчетов докинг-комплексов», Известия Академии наук. Сер. химическая, 2018, №6, с. 1100-1103.
- Н. А. Аникин, А. Ю. Мускатин, М. Б. Кузьминский, А. И. Русаков. «GRID-система на основе европейских стандартов EGI для крупномасштабных расчетов по оригинальному ускоренному методу квантовой химии», Моделирование и анализ информационных систем, 26:3 (2019), с. 359-363.
- DOI: 10.18255/1818-1015-360-364
