биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


реклама
http://fonarik-market.ru/ тактические кнопки.  — заказ кухни цена

Миллисекундный барьер взят!

[17 октября, 2010 г.]

Миллиардер Давид Шоу (David Shaw) в исследовательском центре имени себя с командой сотрудников собрал компьютер Anton, разработанный специально под расчеты молекулярной динамики (МД) биологических молекул, и с его помощью провёл расчет динамики нескольких небольших белков длительностью в миллисекунду. Хотя для «непосвящённых» эта цифра может показаться смехотворной, никогда ещё планка вычислительных экспериментов в молекулярной биологии не была установлена столь высоко.

Современная биология без компьютеров как без рук — практически во всех молекулярных областях компьютерные (или «in silico») эксперименты позволяют получить важную информацию о происходящем на уровне отдельных молекул при помощи вычислительных алгоритмов. Один из них — метод молекулярной динамики (МД) [1] — описывает молекулярные события «в реальном времени», и даже — гипотетически — позволяет проследить за процессом самопроизвольного сворачивания молекулы белка в нативную форму. Гипотетически — потому что до недавнего времени вычислительных мощностей суперкомпьютеров не хватало для моделирования в таком временном диапазоне, чтобы сравняться со временем, за которое молекулы белков сворачиваются в действительности. (В этой связи для теоретического предсказания пространственного строения белков используют не МД, а более «окольные» методы [2].)

Недавно в журнале Science опубликовали работу, в которой описаны расчеты МД нескольких белковых молекул в водном окружении длительностью 0.1–1 миллисекунды [3] (а миллисекунды (10−3 с) — это как раз то время, за которое многие белки сворачиваются в реальности). При этом все молекулы в этой работе были заданы максимально детально (полно-атомное описание). Траектория такой длительности позволила авторам «в реальном времени» наблюдать процесс сворачивания небольших α-спирального (виллин) и β-структурного белков (FiP35), причём за это время было отмечено несколько актов сворачивания-разворачивания. Для более крупного белка — ингибитора бычьего панкреатического трипсина (БПТИ) — получены более скромные результаты: вблизи нативного состояния проследили конформационные переходы, по ряду параметров соответствующие происходящим в реальности. В результате виртуального сворачивания получены модели виллина и FiP35, максимально близко соответствующие экспериментальным структурам (см. рисунок). Наблюдаемая конформационная динамика БПТИ также хорошо согласуется с имеющимися данными спектроскопии ЯМР.

Компьютерное сворачивание небольших белков. Расчёт молекулярной динамики пептидов виллина (А) и FiP35 (Б) позволяет найти структуру, близкую к нативной (среднеквадратичное отклонение (СКО) < 1 Å). На рисунке приведены конформации белков на 68-й (виллин) и 38-й (FiP35) микросекунде расчёта, а начинали МД с полностью вытянутой конформации белков. «Для верности» счёт продолжили ещё на 20 мкс после достижения нативной конформации, чтобы подтвердить стабильность молекулы.
(В) Обратимое сворачивание FiP35 в двух независимых запусках МД длительностью по 100 мкс. При этом наблюдалось семь переходов из свёрнутого состояния в развёрнутое (и наоборот), а путь сворачивания представляется различным.

До этого самые длительные опубликованные аналогичные расчеты для FiP35 имели длительность «всего» 10 микросекунд. Таким образом, Шоу и его сотрудники увеличили эффективность расчётов на два порядка. Примечательно, что подобное достижение было получено в частном исследовательском центре, где уровень дохода научных работников немногим уступает финансистам с Уолл-стрит, — откуда, собственно, и «переквалифицировался» Шоу после почти полутора десятков лет управления собственным хеджевым фондом.

Стоит отметить, что 33 года назад МакКэмонн и Карплюс опубликовали пионерскую работу в Nature [4], в которой была описана МД БПТИ длительностью всего несколько пикосекунд (10−12 с). Таким образом, современная компьютерная техника сделала существенный прогресс за эти годы — мы на 9 порядков (в миллиард раз!) приблизились к процессам, происходящим в живой клетке.

Литература

  1. биомолекула: «Молекулярная динамика биомолекул. Часть I. История полувековой давности»;
  2. биомолекула: «Торжество компьютерных методов: предсказание строения белков»;
  3. Shaw D.E., Maragakis P., Lindorff-Larsen K., Piana S., Dror R.O., Eastwood M.P., Bank J.A., Jumper J.M., Salmon J.K., Shan Y., Wriggers W. (2010). Atomic-level characterization of the Structural Dynamics of Proteins. Science 330, 341–346;
  4. McCammon J.A., Gelin B.R., Karplus M. (1977). Dynamics of folded proteins. Nature 267, 585–590;
  5. Service R.F. (2010). Custom-Built Supercomputer Brings Protein Folding Into View. Science 330, 308–309.

Автор: Полянский Антон.

Число просмотров: 947.

Вернуться в раздел «Новости»

Поделиться ссылочкой:

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Миллисекундный барьер взят!

Кирилл — 21 ноября, 2010 г. 02:50. (ссылка) (свернуть ветвь)

В проекте распределенных вычислений Folding@home ещё в январе было смоделировано полторы миллисекунды.
http://distributed.org.ua/forum/index.php?showtopic=4261

(ответить)

Re: Re: Миллисекундный барьер взят!

Полянский Антон — 21 ноября, 2010 г. 13:50. (ссылка) (свернуть ветвь)

Я вообще-то работаю с некоторыми людьми - одними из авторов ппроекта Folding@home, поэтому более или менее в курсе их достижений. Миллисекунда в статье Voelz et al. совсем не тоже самое, что у Шоу. Во-первых, свою траекторию они реконструировали на основании набора многих траекторий (при разной температуре) длительностью десятки микросекунд, таким образом речь идет о суммарном времени и расчетах в мульти-каноническом ансамбле (температура не является константой). Во-вторых, они проводили расчеты в неявном растворителе - молекулы воды отсутствуют в системе, эффект растворителя моделируется за счет дополнительных термов в уравнении потенциальной энергии. Все траектории у Шоу (в том числе и миллисекундная) были получены одним непрерывным запуском, в каноническом ансамбле, в ячейке с явно заданными молекулами воды. По мнению Шоу, при таком протоколе расчета процессы в МД наиболее приближены в к тому, что происходит в реальной системе. Это утверждение весьма спорно, но тем не менее, он и его соавторы первыми умудрился получить непрерывную траекторию длительностью миллисекунду для полно-атомной системы белок+вода.

(ответить)

Re: Re: Re: Миллисекундный барьер взят!

Кирилл — 22 ноября, 2010 г. 03:46. (ссылка) (свернуть ветвь)

Я говорю о том, что преподносить именно временной отрезок в миллисекунду как прорыв - не правильно. Прорывом-то в этом случае является то, что миллисекунда смоделирована более точно, более быстро, более правильно и более дешево.

(ответить)

Re: Re: Re: Re: Миллисекундный барьер взят!

Полянский Антон — 22 ноября, 2010 г. 08:53. (ссылка)

Прорывом является то, что один запуском получена непрерывная траектория миллисекундой длины. И обсуждать тут нечего.

(ответить)

Re: Миллисекундный барьер взят!

 — 30 октября, 2010 г. 11:10. (ссылка) (редактировать) (удалить)

Да,новость впечатлила,радует,что наука не стоит на месте,а движется вперёд

(ответить)

Секрет Антона

Чугунов Антон — 19 октября, 2010 г. 12:07. (ссылка)

Столь существенное увеличение скорости расчёта молекулярной динамики (МД) на суперкомпьютере Anton достигается в основном за счёт специализированной микропроцессорной логики, «заточенной» под вычисление парных взаимодействий между атомами или узлами решётки в пределах заданного радиуса отсечки — «ограниченный расстоянием» вариант классической задачи N тел в физике.

В частности, каждый из 512 <сейчас уже до 2048  —  А. Ч.> специализированных микропроцессоров (ASIC), выполненных по 90-нм технологической норме <«обычные» микропроцессоры делают уже по 32-нм процессу  —  А. Ч.>, содержит высокопроизводительную подсистему взаимодействия (HTIS), состоящую из 32 специализированных конвейеров, работающих на частоте 800 МГц. За каждый цикл каждый из конвейеров производит расчёт характеристик одного парного взаимодействия, на что затрачивается до 50 циклов работы «обычных» микропроцессоров. Оптимизированная архитектура рассчитана на максимально быстрые взаимодействия как между ядрами, так и внутри них, что позволяет в полной мере воспользоваться преимуществами специализированных вычислительных ядер. Кроме того, каждый микропроцессор ASIC содержит гибкую подсистему с восьмью «геометрическими ядрами», в каждом из которых есть по восемь арифметических блоков.

Из доклада Дэвида Шоу на 19-м симпозиуме IEEE по компьютерным технологиям («Anton: A Specialized Machine for Millisecond-Scale Molecular Dynamics Simulations of Proteins»); pdf: 150 Кб.

(ответить)

Re: Миллисекундный барьер взят!

Alexey — 17 октября, 2010 г. 05:48. (ссылка)

Спасибо за интересную новость! В подписи к первому рисунку небольшая опечатка: "длиной до микросекунды".

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.