BioScience Blog – Научный Биологический блог

Исследование конформационных движений больших белковых комплексов в настоящее время возможно только с использованием так называемых крупнозернистых методов, в которых для расчёта изменения структуры используются не только отдельные атомы, но и их более крупные жесткие фрагменты. Для выделения фрагментов обычно используется графовое представление молекулы. В этом случае молекулы представляются в виде направленного графа, в вершинах, которого находятся атомы, а рёбрами служат химические связи (водородные, ковалентные и др.). Исходя из анализа топологии связей, выделяются участки молекул, соответствующих жёстким или гибким фрагментам.

Нами предложен новый вариант анализа трёхмерного графового представления макромолекулы, основанный на алгоритме, использующемся для двумерного графов – "The Pebble Game Algorithm", и использующий теорему Ламана [1]. Поскольку для трёхмерного случая эта теорема неверна, то требуются дополнительные проверки. К счастью число ситуаций, в которых возникают ошибки не велико, и может быть проанализировано на основе несовпадения какого-либо из свойств трёхмерного графа с двумерным случаем.

Предложенные алгоритмы и их применение для анализа конформационной гибкости белковых комплексов апробируются на базе программного комплекса MOLKERN [2]. MOLKERN разрабатывается в Институте Цитологии и Генетики СО РАН и представляет собой библиотеку высокоэффективных программных компонент для создания программ молекулярного моделирования на основе приближения полноатомного силового поля. С целью поддержки кластерных систем в MOLKERN используются технологии параллельного программирования – при помощи MPI осуществляется обмен между процессорами, а OpenMP позволяет распределять вычисления по процессорным ядрам.

При развитии комплекса MOLKERN, с помощью технологии OpenMP, выполнено распараллеливание алгоритмов, использующихся в задачах оптимизации пространственной структуры комплексов с помощью технологии OpenMP. Для тестовых расчетов применён компьютер с двухъядерным процессором AMD Athlon X2 5000+ EE, 1 Gb оперативной памяти, операционная система MS Windows XP, компилятор MS Visual Studio 2005. Достигнуты следующие результаты:

•  Минимальное ускорение составило 18% на комплексе 1AIE из 522 атома, 7 потоков.

•  Максимальное ускорение: 48.4%, комплекс 1GC1 из 14104 атомов, 2 потока.

•  Среднее ускорение по тестовому набору из 5 комплексов (522 – 14104 атомов): 40.4%.

Литература

1.  Jacobs D., Hendrickson B. (1997) An Algorithm for Two-Dimensional Rigidity Percolation:

The Pebble Game, J. Comp. Phys., 137: 346-365.

2.  Fomin E.S., Alemasov N.A.,Chirtsov A.S., Fomin A.E. MOLKERN as new effective engine for

drug discovery software // 4th International Symposium Computational Methods in Toxicology

and Pharmacology Integrating Internet Resources (CMTPI-2007), p.97.