Моделирование биологических молекул на GPU

Неделя 1.

• Введение. Вычислительный эксперимент в биологии. Эксперимент, теория и моделирование. Биологические молекулы. Вода. Аминокислоты и первичная структура белка. Типы вторичных структур. Третичная и четверичная структура белка.

Неделя 2.

• Проблема фолдинга белков. Примеры белков и белковых комплексов. Эксперименты на единичных молекулах. Нуклеиновые кислоты. База данных белковых структур www.pdb.org. Пакет VMD для визуализации и анализа структуры биологических молекул.

Неделя 3.

• Молекулярная механика. Три фундаментальных принципа молекулярной механики: аддитивность, гипотеза переносимости и термодинамическая гипотеза. Понятие силового поля. Потенциальная функция и её параметры. Молекулярная динамика и крупнозернистое моделирование.

Неделя 4.

• Моделирование простой молекулы методами молекулярной динамики с использованием программного пакета NAMD2. Построение топологии системы: добавление недостающих атомов, молекул растворителя и ионов. Минимизация энергии, нагрев системы и равновесное моделирование.

Неделя 5.

• Графические процессоры (ГП). Архитектура ГП. Программирование на графических процессорах. Технология CUDA. Вычислительные ядра, работа с памятью ГП, организация работы программы. Пример.

Неделя 6.

• Численные методы молекулярной динамики и их реализация на центральном и графическом процессоре. Постановка задачи, реализация численного интегрирования уравнений движения.

Неделя 7.

• Численные методы молекулярной динамики и их реализация на центральном и графическом процессоре (продолжение). Реализация потенциалов ковалентного взаимодействия атомов. Реализация невалентного потенциала. Методы оптимизации расчёта.

Цель  - обеспечить понимание основных принципов молекулярного моделирования.

В первой части пособия дан обзор строения различных биологических молекул - от последовательности до трёхмерной структуры. Далее разъяснены методы молекулярной механики и динамики, а также рассмотрены предпосылки использования различных подходов к моделированию. В качестве первого практического примера рассмотрена простая задача моделирования с применением общедоступного бесплатного пакета NAMD, разъяснены основы метода молекулярной динамики и использования программного пакета VMD для визуализации и анализа результатов. В последней части курса детально разобраны методы реализации численных методов молекулярного моделирования - как на центральном процессоре, так и на графическом. В курсе даётся вводная информация об устройстве ГП и его использовании для численных расчётов. Курс расчитан на студентов технических специальностей.

В рамках курса, слушатели узнают основы строения биологических молекул, научатся искать и визуализировать их структуры. Навыки использования готовых программных пакетов для биомолекулярного моделирования позволят наблюдать за динамикой каждого атома биомолекулы. Знания используемого в молекулярном моделировании математического формализма помогут лучше понимать возможности и ограничения молекулярного моделирования. Основы языка CUDA для программирования на графических процессорах будут закреплены программная реализация простой задачи молекулярного моделирования.

Рекомендуемая подготовка:

1. Знания основ программирования на языке C.
2. Доступ к ПК, который можно не выключать в течении ~5 дней.
3. Крайне рекомендуется наличие графической карты компании NVidia