Моделирование биологических молекул на GPU (Biomolecular modeling on GPU)

С развитием компьютерной техники, вычислительный эксперимент стал неотъемлемой частью любого научного исследования. На сегодняшний день, компьютеры помогают решать целый спектр различных задач - от гидродинамики до макроэкономики. В исследованиях биологических молекул, вычислительный эксперимент закрепился сравнительно недавно. Виной тому - сложность структуры биомолекул, которые могут насчитывать сотни, тысячи или даже десятки, сотни тысяч атомов. Под словом "моделирование" в названии курса подразумевается как раз вычислительный эксперимент. В начале XXI века, благодаря появлению новой высокопараллельной аппаратной платформы - графических процессоров, вычислительный эксперимент получил новый виток развития. Решение множества вычислительных задач - хорошо параллелизуемо. То есть, различные части расчёта можно производить одновременно. Одной из таких задач является молекулярное моделирование.
Цель данного курса - 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.
Данный курс будет интересен студентам технических специальностей, которые научатся применять уже имеющиеся у них знания в новой области. Студенты биолгических специальностей получат необходимые знания для применения вычислительного эксперимента в их деятельности.

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.