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Herramienta web para análisis de Dinámica molecular (DM): Modelo de electroporación de membranas celulares

  La simulación computacional de moléculas o estructuras biológicas es una poderosa herramienta que permite modelar aquellos fenómenos producidos en la experimentación de laboratorio. Las simulaciones in silico son un complemento para analizar los resultados obtenidos por otros métodos ya sea porque permiten simular escenarios que por su escala nanométrica son difíciles de analizar en el laboratorio o porque permiten una variedad de condiciones que por su costo no serían viables a la hora de desarrollar un protocolo experimental, lo que agrega una nueva dimensión en la producción de resultados.  Una de las estrategias más utilizadas para realizar modelos y ponerlos a prueba es Smediante la técnica de dinámica molecular (DM).

https://www.dc.uba.ar/academica/tesis-de-licenciatura/2015/borgna.pdf

   Para tomar dimensión de la importancia de la DM se cita el siguiente artículo Signicance of Molecular Dynamics Simulations for Life Sciences publicado por Martin Karelis y Richard Valery (Martin Karelis obtuvo junto a Michael Levitt y Ariel Warhol el Premio Nobel de Química en el año 2013) donde se muestra con diferentes ejemplos como la DM es capaz de aportar significativamente a las ciencias de la vida.  [Karelis and Valery,  2014].

Técnicamente la DM resuelve de manera numérica las leyes de movimiento de Newton para un sistema de N partículas que interaccionan, describiendo de manera temporal y en detalle el movimiento y la trayectoria de estos (´átomos, conjunto de ´átomos, moléculas o conjuntos de moléculas), así como sus interacciones luego de fijadas las condiciones experimentales para la simulación.  De esta manera provee el movimiento de partículas individuales en función del tiempo siguiendo las leyes de la física clásica.

C O N T E N T S:

GENERAL INFO

KEY TOPICS

The first version of the compiler written in X must be compiled by a compiler for X that is written in a language other than X. This step is called bootstrapping the compiler.(More…)

The Assembly Language Tools Guide for each family contains usage information about the tools: assembler, compiler, linker, hex conversion utilities, library archiver, object…

Ask a biofuel researcher to name the single greatest technical barrier to cost-effective ethanol, and you’re likely to receive a one-word response: lignin.

Cellulosic ethanol—fuel derived from woody plants and waste biomass—has the potential to become an affordable, renewable transportation fuel that rivals gasoline, but lignin, one of the most ubiquitous components of the plant cellwall,…

MPI_C_COMPILER　　　　　C:/Program Files (x86)/Microsoft Visual Studio 11.0/VC/bin/cl.exe

MPI_C_INCLUDE_PATH　　　　C:/Program Files/Microsoft MPI/Inc

MPI_C_LIBRARY　　　　 C:/Program Files/Microsoft MPI/Lib/i386/msmpi.lib

MPI_LIBRARY 　　　　　C:/Program Files/Microsoft MPI/Lib/i386/msmpi.lib

として、もう一度configure、generate。 VSでビルドとインストールします。 で、テスト実行をもう一度実行します。

mdrun_d

これで途中にUsing 1 MPI processと出たら大丈夫。で、並列で走らせるには、

mpiexec -n 4 mdrun_d

とします。あ、C:\Program Files\Microsoft MPI\Bin、C:\Program Files (x86)\Gromacs\binともにパスを通しています。 僕の環境は4コアあるのですが、並列とSerial（逐次、非並列）の実行の比較です。入力は前回のテストと同じ。md.logの最後はパフォーマンスのまとめがありますので、そこの抜粋です。 4プロセス並列

Core t (s) Wall t (s) (%) Time: 19.856 20.000 99.3 (ns/day) (hour/ns) Performance: 4.320 5.555

非並列

Core t (s) Wall t (s) (%) Time: 64.468 64.000 100.7 (ns/day) (hour/ns) Performance: 1.350 17.776

まあnノード並列したからといってn倍速くなるわけではないのと、普段使いのWindows機なのでバックグラウンドでいろいろ動いているので、純粋な速度が見れているわけではないと思います。

ちょっと苦労した話。 この比較データを作ろうとしていたときなんですけどね。 MPI版を作ったあと非並列で走らせようとすると、やっぱり並列版と同じパフォーマンスが出てしまうんです。何度リビルドしても勝手に4コア並列になってしまって。 いやだなー、おかしいなーと思ってCMAKEの設定を見ていたらですね、 あ、この文体めんどくせぇ GMX_BINARY_SUFFIX　が空になっていました。 そのため、mdrun_dをリビルドしていたつもりが、mdrunになっていたということです。 まあ、よく考えるとmdrunを単体で走らせても並列になっているので、これは後述するように、ThreadMPIが有効になってます。 結局、buildフォルダをいったん消して作り直し、CMAKEをはじめからやり直しまして、なんとか外部MPIの方法を確認できました。 GMX_BINARY_SUFFIXは実行プログラム名に語尾をつけるオプション。 たとえばGMX_BINARY_SUFFIXを_hogeにすると

genboxやgromppなどのプリプロセッサ

mdrunなど実行プログラム

g_analyzeやngmxなどの解析プログラム

全て同様に名前の後ろに_hogeが付きます。 ほかにもGMX_LIBS_SUFFIXというのがあり、%INSTALL_DIR%\Gromacs\lib内のライブラリにつくサフィックスを決めます。 自分で考えるのが面倒でしたら、GMX_DEFAULT_SUFFIXをONにしたらいいです。倍精度にするとバイナリとライブラリに_dが付き、MPIにすると_mpiが付きます。 たとえばこの記事のここまでの段階ではmdrun_d_mpiかmdrun_mpi_dになるはず。 ライブラリを切り替えたとか、コンパイルオプションを変えたとかでビルドしたバイナリを共存させるため、適宜サフィックスをつけたらいいと思います。 ただバイナリが1セット170MBあります。CドライブをSSDにしてるとか、一昔前のHDDとかだと容量には要注意。

;water.mdp include = -I"C:\Program Files (x86)\Gromacs\share\gromacs\top" integrator = md-vv dt = 0.0001 nsteps = 10000 nstxout = 100 nstvout = 0 nstlog = 100 nstenergy = 10 nstlist = 10 rlist = 0.8 rcoulomb = 0.9 rvdw = 0.9 tcoupl = nose-hoover ref_t = 300 tau_t = 1.0 tc-grps = system

トポロジーファイル：

;topol.top #include "gmx.ff\forcefield.itp" #include "spc.itp" [ system ] water [ molecules ] SOL 216

ここからはコマンドプロンプトが必須となります。waterフォルダを開いてそこでShiftを押しながら右クリックすると、メニューの中に「ここでコマンドプロンプトを開く」というのがあると思いますので、それをクリックしましょう。 この時点で3つのファイルがあると思います。

D:\MD\water> dir /b/a-d conf.gro topol.top water.mdp

これをまずはmdrunに渡せるようにコンパイル。

D:\MD\water> grompp_d -f water.mdp -maxwarn 2

で、MDを実際に走らせる。

D:\MD\water> mdrun_d

途中「Using 4 MPI threads」とか出るかもしれません。MPI用ライブラリを設定していないはずなのに、と思っていたのですが、たぶんThreadMPIという仕組みを使っているかと思います。 OpenMPかも知れませんが、今回のMDの設定では対応していないはずです。 数分待ちましょう。 経過時間と、何かの引用っぽい文が出てきたら無事終了です。ビルドはうまくいきました。 md.logやtraj.trr、ener.edrなどのファイルが出来ています。 traj.trrにトラジェクトリが、ener.edrに各種エネルギーが保存されています。g_traj_dとかg_analize_dとかで解析できると思います。 今回はビルドがうまくいったかどうかのチェックのためですので、各コマンドの詳しい使い方は省略します。 なお、水分子が動いている様子ですが、ngmxが無いため見られません。あしからず。 今後やりたいこと ・数値計算ライブラリの導入

BLAS、LAPACK

FFTW

・MPIの導入 ・X11の導入(ngmx解禁) いったんおしまい。