S kombinacijo teoretskih modelov za modelni opis makromolekul na različnih prostorskih in časovnih skalah lahko uspešno obravnavamo različne biokemijske probleme. V tem delu smo opisali razširitev večskalnega pristopa za obravnavo takih problemov, imenovanega MSCALE, ki smo ga vgradili v splošno uporabljan program za molekularne simulacije CHARMM. Modul imenovan MSCALE omogoča posplošitev seštevalne in odštevalne večskalne sheme pri QM/MM simulacijah ter tudi omogoča vključitev klasičnih potencialnih funkcij in večskalnih simulacijskih pristopov, kot so, grobo zrnato modeliranje, model elastične mreže, Gausianov mrežni model ter kombinacijo naštetih. MSCALE shema je popolnoma paralelizirana za vsak podsistem posebej kot neodvisen, a povezan račun. Ima tudi to prednost, da je enostavna za implementacijo. Ta novi pristop je vgrajen v perturbacijske pristope za izračune prostih energij in Hesianove metode ter uporablja periodičnost in simetrijo sistema, kar omogoča natančen izračun tlaka. Uporabnost novega pristopa smo pokazali na štirih primerih: (1) odštevalna in standardna QM/MM metoda, (2) izračun proste energije za primer večih potencialnih funkcij, (3) vključitev tega modula v programa za molekularno modeliranje, AMBER modul SANDER in TINKER, kar omogoča uporabo njihovih potencialnih funkcij pri simulacijah s CHARMMom in (4) dvojna uporaba, to je večskalno in vseatomsko uporabo pristopov analize po normalnih načinih nihanja. S tem pristopm smo razvili tako nova matrematična orodja za simulacije makromolekul kot odprli nova obzorja njihove uporabe.
COBISS.SI-ID: 4653594
Metode delitev sil temeljijo na razdelitvi atomov v bloke, računanje interakcij med atomi v produktu blokov pa dodelijo različnim procesorjem. Pri novo razviti vzporedni metodi delitve sil s porazdelitvijo diagonale (DDFD) je smo izkoristili dejstvo, da lahko procesorje dodelimo le produktom dveh različnih blokov. Računanje interakcij v produkih istih blokov, to so produkti na diagnali, pa porazdeli po ostalih procesorjih. Novo razvita metoda DDFD ima v primerjavi z drugimi vzporednimi metodami za simulacijo molekulske dinamike kar nekaj bistvenih prednosti. Predvsem pa se komunikacijska zahtevnost manjša s korenom števila vzporednih procesorjev. Ker pri metodi DDFD uporabljamo večje število manšjih blokov kot pri ostalih metodah delitve sil, je na ta način njeno komunikacijsko zahtevnost še zmanjšamo. Komunikacijska zahtevnost je enaka ne glede na cut-off razdaljo. Največja prednost nove metode je v tem, da omogoča dinamično uravnoteženje računanja, česar druge metode delitve sil ne omogočajo. Pri uvedbi razdalje cut-off namreč ne računa sil med atomi, katerih razdalja je večja od cut-off razdalje, ker v tem primeru pride do neuravnoteženega računanja, saj postanejo procesorji različno računsko obremenjeni. S pomočjo nove metode za dinamično uravnoteženje glede na obremenjenost procesorjev spreminjamo porazdelitev interakcij iz diagonalnih produktov blokov na ostale procesorje, tako da vsi procesorji ohranijo enakomerno obremenjenost. Novo razvito metodo smo tudi vgradili v računalniški program CHARMM. Razvili smo tudi Force Decomposition Machine, to je gručo osebnih računalnikov posebej izgrajeno za izvajanje DDFD metode. Podali smo tudi možnosti nadaljne uporabe in razvoja novo razvite vzporedne metode, ki bodo uporabnost metode DDFD še dodatno povečali, kot npr. računanje na računalnikih z grafičnimi karticami, ki je mozno, ker je metoda neodvisna od vrste računalniških procesorjev.
COBISS.SI-ID: 4728602
Racionalno načrtovanje učinkovin se uporablja pri razvoju novih zdravil. Ta razvoj pa je tesno povezan tudi z uporabo računalniških pristopov in pristopov molekularne biologije, biofizike, farmacije, farmakologije in drugih. Taki teoretični pristopi osnovani na poznavanju molekularne strukture in molekulskih lastnosti, omogočajo hitrejši razvoj načrtovanja učinkovin, ker zmanjšujejo čas raziskovanja, predvsem na račun zmanjšanja potrebnega laboratorijskega dela in poskusov ter s tem povezanih manjših stroškov za razvoj novega zdravila. V tem preglednem članku smo opisali različne strategije za razvoj novih učinkovin. Te so: (i) nepoznavanje receptorskega mesta, (ii) poznavanje samo homološkega modela receptorja, (iii) poznavanje eksperimentalno določenih koordinat aktivnega mesta (X-ray, NMR) in (iv) analiziranje prisotnih ligandov.
COBISS.SI-ID: 4671770