Вторая школа-семинар "Суперкомпьютеры в научных исследованиях: горизонты многомасштабного моделирования и эффективного суперкомпьютерного ко-дизайна"

В рамках продвижения современных суперкомпьютерных технологий для нужд научных исследований лаборатория САММА организовала вторую школу-семинар "Суперкомпьютеры в научных исследованиях: горизонты многомасштабного моделирования и эффективного суперкомпьютерного ко-дизайна". Данное мероприятие объединяет вместе разработчиков передовых суперкомпьютерных технологий и учёных, использующих высокопроизводительные вычисления в своих исследованиях. Первый день был посвящён анализу новых технических решений для высокопроизводительных вычислений, а второй - приложениям суперкомпьютерного моделирования, применению метода молекулярной динамики к реальным задачам материаловедения и молекулярной биологии.

Старший научный сотрудник МЛ САММА Василий Писарев выступает на школе-семинаре 7 декабря 2018 г.

МЛ САММА

Разработка новых решений в области суперкомпьютеров непременно должна вестись с учётом тех задач, которые планируется решать на этом высокопроизводительном оборудовании. Сотрудники Лаборатории САММА представили доклады по ряду направлений многомасштабного моделирования:

В начале семинара ведущий научный сотрудник Лаборатории САММА, к.ф.м.н. Василий Писарев прочитал лекцию об успехах Лаборатории в решении задачи моделирования 2,2,4-триметилгексана при высоких давлениях. Подобные вопросы являются важными в дизайне смазочных материалов для высоконагруженных систем (например, подшипников в турбинах). В ходе своего доклада Василий объяснил основные преимущества моделей второго порядка с учётом ангармонических членов в потенциалах межчастичных взаимодействий. В рамках участия в 10 конкурсе по моделированию свойств промышленных жидкостей (http://fluidproperties.org/10th) рассчитаны зависимости плотности и сдвиговой вязкости для давлений от 1 до 10 тыс. бар. При этом выбор модели второго порядка COMPASS позволил с высокой точностью воспроизвести экспериментальные данные в диапазоне до 6 тыс. бар. В заключении было отмечено, что разработка подобных моделей углеводородов и такие расчёты требуют применения высокопроизводительных вычислительных узлов, поскольку для достижения сходимости интегралов Грина-Кубо нужны достаточно длинные траектории молекулярной динамики и специальные техники их обработки.

Второй доклад представила студентка 3 курса МИЭМ Гаврилина Анна по результатам выполнения в МЛ САММА проектной работы по направлению «Молекулярно-динамическоеисследование модели биологической мембраны». Работа Анны посвящена исследованию токсичного белка вискумина. В природе он синтезируется ядовитым кустарником омела белая (Víscum álbum). Молекула этого белка состоит из двух цепей, первая из которых определяет его токсическое действие. Фундаментальный интерес представляет процесс спонтанного проникновения этой крупной молекулы через мембрану клетки. На данный момент есть ряд экспериментальных подтверждений этого факта, однако молекулярный механизм неизвестен. В своей работе Анна исследовала поведение цепи А вискумина в водной среде и на поверхности мембраны и показала наличие двух участков молекулы, способных связываться с модельной мембраной. Вероятно, именно найденные аминокислотные остатки белка и определяют начальный этап «посадки» токсина на клеточную мембрану.

Далее студент 1 курса магистратуры «Суперкомпьютерное моделирование в науке и инженерии» Антон Москвин также представил доклад по результатам выполнения семестрового проекта. Объектом его исследования выступил фрагмент рецептора эпидермального фактора роста — важнейшего клеточного рецептора, отвечающего за регуляцию деления клеток. Задачей Антона было сравнение поведения моделей трансмембранного (то есть пронизывающего мембрану клетки) фрагмента молекулы при разном описании модельной системы. Так, рассматривалось полноатомное представление и модель с объединёнными атомами. Были обнаружены различия в поведении белка, но они были локализованы в водной среде вне мембраны. Поведение же самой мембраны и части белка, погружённой в неё было похоже, то есть обе параметризации описывали мембранное окружение корректно. В то же время, Антон оценил ускорение расчётов молекулярной динамики в 1,5-2 раза при использовании модели с объединёнными атомами, особенно при использовании графических ускорителей. Таким образом, эту модель целесообразно использовать для изучения поведения мембранной части системы.

Третий доклад по биологической тематике представил студент 2 курса магистратуры, стажёр-исследователь Лаборатории САММА Юрий Трофимов. Он рассказал о работе термочувствительного ионного канала TRPV1. Этот белок встроен в мембрану клеток и реагирует на повышение температуры и некоторые молекулы (например, капсаицин, содержащийся в стручковом перце). При достижении определённой температуры окружающей среды данный канал открывается и начинает пропускать ионы и молекулы воды. Прохождение ионов через канал сбрасывает электрический потенциал на мембране нервной клетки — возникает нервный импульс, то есть именно этим белком мы чувствуем горячее. Поскольку этот же белок реагирует и на капсаицин, то красный перец вызывает то же ощущение. Юрий рассказал об устройстве молекулы TRPV1, а также о роли отдельных фрагментов структуры в открытии канала. Основной задачей было описание динамики прохождения молекул воды через канал в открытом состоянии. В результате работы выявлены ключевые различия между закрытой и открытой конформациями канала и основные аминокислотные остатки, участвующие в транспорте молекул воды.

Далее аспирант 1 года обучения Биологического факультета МГУ, стажёр-исследователь Лаборатории САММА Виктор Покровский рассказал о деталях устройства биомембран. В своей работе он рассматривал модели липидных бислоев без мембранных белков и анализировал поведение молекул липидов. В литературе уже давно описывается динамическая кластеризация этих молекул, однако подходы к описанию различаются. В данной работе применен анализ скоррелированных движений молекул. Предполагается, что возникающие спонтанно кластеры могут играть важную роль при формировании рафтов и доменов вокруг мембранных белков в реальных биологических мембранах.

 

Завершила второй день школы-семинара лекция научного сотрудника Лаборатории моделирования биомолекулярных систем ИБХ РАН и Лаборатории САММА ВШЭ к.ф.м.н. Кузнецова Андрея. В лекции был дан обзор устройства биологических мембран и одного из ключевых классов белковых молекул — рецепторных тирозинкиназ, а также приведены результаты трех направлений исследования. Так, взаимодействия белок-липид оказываются не менее важными, чем непосредственные белок-белковые контакты при димеризации трансмембранных фрагментов гликофорина А человека. Результаты, полученные для модельных пептидов и мутантных форм этого белка говорят о существовании двух путей влияния на стабильность белковых комплексов в мембране. Далее, для уникального фермента нейраминидазы-1 человека, обладающего мультифункциональностью, методами компьютерного моделирование предсказано наличие трансмембранного участка в молекуле, который может участвовать в формировании димерного комплекса, активного в мембране. Наконец, исследовано влияние толщины модельной мембраны на формирование димера рецептора ErbB4 и объяснена аномальная зависимость параметров. Таким образом, детальное рассмотрение липидного окружения мембранных белков является необходимым для понимания всех деталей их работы в живых клетках.

 

Второй день школы-семинара показал, что методы компьютерного моделирования помогают открывать новые горизонты в материаловедении и молекулярной биологии, а создаваемые модели обладают высокой точностью и предсказательной способностью. Естественно, всё это было бы невозможно без использования передовых технологий и высокопроизводительных вычислительных систе