在Frontera超级计算机上完成了大规模模拟

2020-05-21 10:35:24

科学家们正在准备一个大规模计算机模型,他们希望这个模型能帮助人们了解是如何在人体内传染的。他们已经迈出了第一步,测试了模型的第一部分,并在德克萨斯大学奥斯汀分校的德克萨斯高级计算中心(TACC)的Frontera超级计算机上优化了代码。从完整的模型中获得的知识可以帮助研究人员设计新的药物和疫苗来对抗。

Rommie Amaro正致力于建立第一个完整的SARS-COV-2包膜的全原子模型。“如果我们有一个很好的模型来描述粒子外部的样子和它的行为,我们就能很好地了解分子识别中涉及的不同成分。”分子识别涉及病毒如何与血管紧张素转换酶2 (ACE2)受体相互作用,也可能涉及宿主细胞膜内的其他靶点。Amaro是加州大学圣地亚哥分校的化学和生物化学教授。

Amaro预计模型将包含大约2亿个原子,这是一项艰巨的任务,因为必须计算每个原子之间的相互作用。她的团队的工作流程采用了一种混合的或综合的建模方法。

“我们正试图将不同分辨率的数据组合成一个内聚模型,可以在像Frontera这样的领导级设备上进行模拟,”Amaro说。“我们基本上从单个组件开始,它们的结构以原子或接近原子的分辨率进行解析。我们小心地让每一个组件启动和运行,并使它们处于稳定的状态。然后我们可以把它们引入到更大的包膜中,用邻近的分子进行模拟。”

2020年3月12日至13日,Amaro实验室在Frontera上对多达4000个节点(约25万个处理核)进行了分子动力学模拟。Frontera是世界第五大超级计算机,在2019年11月的世界500强排名中是学术型超级计算机第一名,是由美国国家科学基金会支持的顶级高性能计算系统。

“这种规模的模拟只可能在像Frontera这样的机器上运行,或者可能在能源部的机器上运行,”Amaro说。“我们立即与Frontera团队取得了联系,他们非常慷慨地给予我们优先的基准测试地位,并试图优化代码,以便在系统真正启动并运行后,这些模拟能够尽可能高效地运行。”

“毫无疑问,能在这样一台全新的机器上工作是令人兴奋的。到目前为止,我们的经验非常好。这个系统的初始基准非常令人印象深刻。我们将继续优化这些超大型系统的代码,以便最终获得更好的性能。我想说的是,与弗龙特拉团队的合作也是非常棒的。他们已经准备好提供帮助,并且在这个关键的时间窗口做出了非常积极的反应。这是一次非常积极的经历。”

TACC的执行董事兼Frontera超级计算机项目的首席研究员Dan Stanzione说:“TACC为支持这一重要的、开创性的研究感到自豪。”“我们将继续支持Amaro的模拟实验,以及其他与理解和找到战胜这种新威胁的方法相关的重要工作。”

2020年2月,Amaro发表在ACS中心科学杂志上的关于的研究建立在她对流感病毒包膜的全原子模拟的成功之上。她说,流感研究工作将与他们目前对病毒的研究有很多相似之处。

“这是对我们的方法和适应新数据的能力的一次出色的测试,让这个系统能够立即运行起来,”Amaro说。“我们花了一年或更长的时间来构建流感病毒包膜,并使其在国家超级计算机上运行。对于流感,我们使用了Blue Waters超级计算机,它在某些方面是Frontera的前身。然而,病毒的研究工作显然以更快的速度进行。这是可行的,部分原因是我们之前在Blue Waters所做的工作。”

Amaro说:“这些模拟将让我们对病毒的不同部分有新的认识,这些部分是传染性所必需的。我们之所以关注它,是因为如果我们能了解这些不同的特征,科学家就有更好的机会设计新药;了解现有药物和潜在药物组合的作用机制。我们从这些模拟中得到的信息是多面和多维的,将对前线的科学家立即和长期有用。希望公众能够理解,有许多不同的组成部分和科学方面来推动对这种病毒的理解。这些在Frontera上的模拟只是这些组件中的一个,但希望是一个重要的和有益的组件。”


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