Adaptive patch grid strategy for parallel protein folding using atomic burials with NAMD

Abstract

O dobramento de proteínas é um processo crucial na biologia molecular para a compreensão da dinâmica estrutural e funcional das proteínas. As simulações de dinâmica molecular são importantes para fornecer insights em nível atômico sobre o processo de dobramento, permitindo a investigação das mudanças estruturais ao longo do tempo. No entanto, essas simulações enfrentam muitos desafios, como o alto custo computacional, desbalanceamento de carga durante a execução paralela, dificuldades de escalonamento para grandes sistemas e limitações na representação precisa de interações moleculares complexas, como as ligações de hidrogênio e os efeitos de solvatação. Esta Tese de Doutorado tem como objetivo abordar esses desafios por meio da investigação de estratégias paralelas para acelerar simulações de dinâmica molecular ab initio aplicadas ao dobramento de proteínas, sem comprometer a precisão dos resultados. Para enfrentar o problema do desbalanceamento de carga causado pela decomposição espacial estática, especialmente em simulações com estruturas em constante mudança, esta Tese apresenta uma abordagem dinâmica para reorganização espacial ao longo do tempo. Especificamente, este trabalho propõe uma estratégia Adaptive Patch Grid (APG) que ajusta dinamicamente a decomposição espacial ao longo do processo de dobramento para melhorar o balanceamento de carga e a eficiência nas simulações de dinâmica molecular. Como uma abordagem ab initio, essas simulações derivam as interações atômicas a partir de princípios físicos fundamentais, exigindo alto poder computacional e estratégias avançadas de paralelização. Além disso, esta Tese propõe o algoritmo N2HB, que visa melhorar a precisão estrutural das simulações ao incorporar potenciais de enterramento atômico e - forças essenciais que não são bem representadas por modelos de campo de força tradicionais. Ambas as propostas (APG e N2HB) foram implementadas usando a plataforma NAMD, um software paralelo de dinâmica molecular. Novos componentes, como ComputeBurialForce e ComputeHBonds, foram adicionados para permitir o cálculo paralelo das forças de enterramento e Pesos de anelamento foram aplicados para otimizar o processo de minimização de energia durante o dobramento. As soluções foram avaliadas por meio de extensivos testes em vários sistemas HPC, demonstrando redução nos tempos de execução enquanto mantinham boa precisão na simulação. Esta Tese contribui com soluções escaláveis e biologicamente relevantes para simulações de dinâmica molecular, ampliando a capacidade de modelar com precisão o dobramento de proteínas em sistemas complexos.