Моделирование биологических молекул на GPU (Biomolecular modeling on GPU)

Moscow Institute of Physics and Technology

Моделирование биологических молекул - одна из бурно развивающихся областей современной науки. В курсе даются основы строения биомолекул, примеры применения программных пакетов для молекулярного моделирования, разъясняются подходы к математическому описанию молекулярных систем и разбирается программная реализация этих подходов на центральном и графическом процессорах.

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.

Syllabus

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.

Recommended Background

Знания основ программирования на языке C. Доступ к ПК, который можно не выключать в течении ~5 дней. Крайне рекомендуется наличие графической карты компании NVidia
Dates:
  • Date to be announced, 7 weeks
Course properties:
  • Free:
  • Paid:
  • Certificate:
  • MOOC:
  • Video:
  • Audio:
  • Email-course:
  • Language: Russian Ru

Reviews

No reviews yet. Want to be the first?

Register to leave a review

Show?id=n3eliycplgk&bids=695438
Included in selections:
NVIDIA
More from 'Physics':
Logo Шкалирование
Курс нацелен на развитие навыков моментальной оценки объекта.
Logo Разностные уравнение и задача Коши
Курс лекций посвящен изложению методов и теории разностных уравнений.
Logo Линейные дифференциальные уравнения и системы
Курс лекций посвящен изложению методов и теории дифференциальных уравнений.
Extpicture Основы работы в системе компьютерной алгебры Mathematica
В курсе рассмотрены вопросы использования пакета Mathematica для осуществле...
Extpicture Геометрический взгляд на специальную теорию относительности
В курсе излагаются основные понятия специальной теории относительности (СТО...
More from 'Coursera':
______________ Введение в биоинформатику (Introduction to Bioinformatics)
Курс «Введение в биоинформатику» адресован тем, кто хочет получить расширен...
Corporate-finance Основы корпоративных финансов (Fundamentals of Corporate Finance)
Мы рассмотрим принципы и модели финансового анализа компании, а также оценк...
Blue_logo_edited Электричество и магнетизм. Часть 1 (Electricity and Magnetism. Part 1)
Курс посвящен изучению базовых законов электростатики и магнитостатики. Что...
Financial-markets-and-institutions1 Финансовые рынки и институты (Financial Markets and Institutions)
Вы узнаете, как функционируют финансовые рынки и финансовые институты. Каки...
History-of-economics История экономической мысли (History of Economic Thought)
Курс поможет осмыслить извечные проблемы жизни человека: богатство и беднос...

© 2013-2019