全部 标题 作者
关键词 摘要

OALib Journal期刊
ISSN: 2333-9721
费用:99美元

查看量下载量

相关文章

更多...
化学学报  2013 

高性能大规模分子动力学的前沿进展——近35年生物体系的分子动力学模拟研究回顾

DOI: 10.6023/A12110930, PP. 159-168

Keywords: 分子动力学模拟,生物分子体系,理论和算法,高性能大规模计算,时间和空间尺度

Full-Text   Cite this paper   Add to My Lib

Abstract:

对近35年来数值模拟方法,特别是经典分子动力学方法和相关的优先采样技术在生物体系研究中的应用作了回顾.由于生物体系研究对象的特点是体系空间尺度大且细胞机制时间跨度长,因此所涉及的结构生物学和生物物理学方面的研究构成了分子动力学模拟的最大挑战.从生物学的角度对分子动力学的基本理论、算法发展以及在生物体系中的应用进行综述,重点阐释在生理活动相关的时间尺度上生物体系的模拟是如何逐步发展的.另一方面,回顾了生物模拟体系在空间和时间尺度上得益于计算机硬件和算法的飞速发展而急速扩张的历程.最后,基于最近生物体系分子动力学模拟领域的尖端研究成果,对该领域未来发展的趋势进行了思考和展望.

References

[1]  Lee, E. H.; Hsin, J.; Sotomayor, M.; Comellas, G.; Schulten, K. Structure 2009, 17, 1295.
[2]  Dror, R. O.; Jensen, M. ?.; Borhani, D. W.; Shaw, D. E. J. Gen. Physiol. 2010, 135, 555.
[3]  Alder, B. J.; Wainwright, T. E. J. Chem. Phys. 1957, 27, 1208.
[4]  Chipot, C. In Nanoscience: Nanobiotechnology and Nanobiology, Eds: Boisseau, P.; Lahmani, M.; Houdy, P., Springer, Heidelberg, Dordrecht, London, New York, 2009.
[5]  Verlet, L. Phys. Rev. 1967, 159, 98.
[6]  Brooks, B. R.; Bruccoleri, R. E.; Olafson, B. D.; States, D. J.; Swaminathan, S.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1983, 4, 187.
[7]  Weiner, S. J.; Kollman, P. A.; Case, D. A.; Singh, U. C.; Ghio, C.; Alagona, G.; Profeta Jr., S.; Weiner, P. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 765.
[8]  Izvekov, S.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 2469.
[9]  Marrink, S. J.; Risselada, H. J.; Yefimov, S.; Tieleman, D. P.; de Vries, A. H. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 7812.
[10]  Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids, Clarendon Press, Oxford, 1987.
[11]  Frenkel, D.; Smit, B. Understanding Molecular Simulations: From Algorithms to Applications, Academic Press, San Diego, CA, 1996.
[12]  Nosé, S. Mol. Phys. 1984, 52, 255.
[13]  Hoover, W. G. Phys. Rev. 1985, A31, 1695.
[14]  Andersen, H. C. J. Chem. Phys. 1980, 72, 2384.
[15]  Izaguirre, J. A.; Reich, S.; Skeel, R. D. J. Chem. Phys. 1999, 110, 9853
[16]  Ryckaert, J.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977, 23, 327.
[17]  Andersen, H. C. J. Comput. Phys. 1983, 52, 24.
[18]  Miyamoto, S.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1992, 13, 952.
[19]  Brown, D.; Clarke, J. H. R.; Okuda, M.; Yamazaki, T. Comput. Phys. Commun. 1993, 74, 67.
[20]  Chipot, C.; ángyán, J. G. New J. Chem. 2005, 29, 411.
[21]  Phillips, J. C.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, L.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781.
[22]  Plimpton, S. J. Comput. Phys. 1995, 117, 1.
[23]  Bowers, K. J.; Chow, E.; Xu, Huafeng; Dror, R. O.; Eastwood, M. P.; Gregersen, B. A.; Klepeis, J. L.; Kolossvary, I.; Moraes, M. A.; Sacerdoti, F. D.; Salmon, J. K.; Shan, Y. B.; Shaw, D. E. In Proceedings of the 2006 ACM/IEEE Conference on Supercomputing, 2006.
[24]  Hess, B.; Kutzner, C.; van der Spoel, D.; Lindahl, E. J. Chem. Theor. Comput. 2008, 4, 435.
[25]  Shaw, D. E.; Maragakis, P.; Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Dror, R. O.; Eastwood, M. P.; Bank, J. A.; Jumper, J. M.; Salmon, J. K.; Shan, Y.; Wriggers, W. Science 2010, 330, 341.
[26]  Dror, R. O.; Arlow, D. H.; Maragakis, P.; Mildorf, T. J.; Pan, A. C.; Xu, H.; Borhani, D. W.; Shaw, D. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 18684.
[27]  Wriggers, W.; Stafford, K. A.; Shan, Y.B.; Piana, S.; Maragakis, P.; Lindorff-Larsen, K.; Miller, P. J.; Gullingsrud, J.; Rendleman, C. A.; Eastwood, M. P.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. J. Chem. Theor. Comput. 2009, 5, 2595.
[28]  Freddolino, P. L.; Harrison, C. B.; Liu, Y.; Schulten, K. Nature Phys. 2010, 6, 751.
[29]  Gumbart, J.; Trabuco, L. G.; Schreiner, E.; Villa, E.; Schulten, K. Structure 2009, 17, 1453.
[30]  Arkhipov, A.; Freddolino, P. L.; Schulten, K. Structure 2006, 14, 1767.
[31]  Freddolino, P. L.; Schulten, K. Biophys. J. 2009, 97, 2338.
[32]  Rajan, A.; Freddolino, P. L.; Schulten, K. PLoS One 2010, 5, e9890.
[33]  Bowman, G. R.; Pande, V. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 10890.
[34]  Beauchamp, K. A.; Ensign, D. L.; Das, R.; Pande, V. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 12734.
[35]  Freddolino, P. L.; Liu, F.; Gruebele, M.; Schulten, K. Biophys. J. 2008, 94, L75.
[36]  Ensign, D. L.; Pande, V. S. Biophys. J. 2009, 96, L53.
[37]  Lane, T. J.; Bowman, G. R.; Beauchamp, K.; Voelz, V. A.; Pande, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18413.
[38]  Freddolino, P. L.; Park, S.; Roux, B.; Schulten, K. Biophys. J. 2009, 96, 3772.
[39]  Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Palmo, K.; Maragakis, P.; Klepeis, J. L.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. Proteins: Struct. Funct. Bioinfo. 2010, 78, 1950.
[40]  Kollman, P.; Dixon, R.; Cornell, W.; Fox, T.; Chipot, C.; Pohorille, A. In Computer Simulation of Biomolecular Systems: Theoretical and Experimental Applications, Eds.: Van Gunsteren, W. F.; Weiner, P. K., Escom, The Netherlands, 1997, p. 83.
[41]  Le, L.; Lee, E. H.; Hardy, D. J.; Truong, T. N.; Schulten, K. PLoS Comput. Biol. 2010, 6.
[42]  Wang, Y.; Tajkhorshid, E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2008, 105, 9598.
[43]  Dehez, F.; Pebay-Peyroula, E.; Chipot, C. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12725.
[44]  Krammer, E. M.; Ravaud, S.; Dehez, F.; Frelet-Barrand, A.; Pebay-Peyroula, E.; Chipot, C. Biophys. J. 2009, 97, L25.
[45]  Ravaud, S.; Bidon-Chanal, A.; Blesneac, I.; Machillot, P.; Juillan- Binard, C.; Dehez, F.; Chipot, C.; Pebay-Peyroula, E. ACS Chem. Biol. 2012, 7, 1164.
[46]  Jensen, M. ?.; Jogini, V.; Borhani, D. W.; Leffler, A. E.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. Science 2012, 336, 229.
[47]  Nury, H.; Poitevin, F.; Van Renterghem, C.; Changeux, J. P.; Corringer, P. J.; Delarue, M.; Baaden, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 6275.
[48]  Dror, R. O.; Pan, A. C.; Arlow, D. H.; Borhani, D. W.; Maragakis, P.; Shan, Y.; Xu, H.; Shaw, D. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 13118.
[49]  Buch, I.; Giorgino, T.; Fabritiis, G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 10184.
[50]  Eds.: Chipot, C.; Pohorille, A., Free Energy Calculations. Theory and Applications in Chemistry and Biology, Springer Verlag, 2007.
[51]  Hénin, J.; Forin, G.; Chipot, C.; Klein, M. L. J. Chem. Theor. Comput. 2010, 6, 35.
[52]  Lelièvre, T.; Stoltz, G.; Rousset, M., Free Energy Computations: A Mathematical Perspective, Imperial College Press, London, 2010.
[53]  Sugita, Y.; Okamoto, Y. Chem. Phys. Lett. 1999, 314, 141.
[54]  Sugita, Y.; Kitao, A.; Okamoto, Y. J. Chem. Phys. 2000, 113, 6042.
[55]  Fukunishi, H.; Watanabe, O.; Takada, S. J. Chem. Phys. 2002, 116, 9058.
[56]  Dellago, C.; Bolhuis, P. G.; Csajka, F. S.; Chandler, D. J. Chem. Phys. 1998, 108, 1964.
[57]  Weinan, E.; Ren, W. Q.; Vanden-Eijnden, E. Phys. Rev. B 2002, 66, 052301.
[58]  Maragliano, L.; Vanden-Eijnden, E. Chem. Phys. Lett. 2006, 426, 168.
[59]  Faradjian, A. K.; Elber, R. J. Chem. Phys. 2004, 120, 10880.
[60]  Bolhuis, P. G.; Chandler, D.; Dellago, C.; Geissler, P. Ann. Rev. Phys. Chem. 2002, 59, 291.
[61]  Torrie, G. M.; Valleau, J. P. J. Chem. Phys. 1977, 66, 1402.
[62]  Roux, B. Comput. Phys. Commun. 1995, 91, 275.
[63]  Huber, T.; Torda, A. E.; van Gunsteren, W. F. J. Comput. Aided Mol. Des. 1994, 8, 695.
[64]  Grubmüller, H. Phys. Rev. E 1995, 52, 2893.
[65]  Chipot, C.; Lelièvre, T. SIAM J. Appl. Math. 2011, 71, 1673.
[66]  Minoukadeh, K.; Chipot, C.; Lelièvre, T. J. Chem. Theor. Comput. 2010, 6, 1008.
[67]  Brooks, B. R.; Brooks, C. L.; Mackerell, A. D.; Nilsson, L.; Petrella, R. J.; Roux, B.; Won, Y.; Archontis, G.; Bartels, C.; Boresch, S.; Caflisch, A.; Caves, L.; Cui, Q.; Dinner, A. R.; Feig, M.; Fischer, S.; Gao, J.; Hodoscek, M.; Im, W.; Kuczera, K.; Lazaridis, T.; Ma, J.; Ovchinnikov, V.; Paci, E.; Pastor, R. W.; Post, C. B.; Pu, J. Z.; Schaefer, M.; Tidor, B.; Venable, R. M.; Woodcock, H. L.; Wu, X.; Yang, W.; York, D. M.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 2009, 30, 1545.
[68]  Jarzynski, C. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 2690.
[69]  Crooks, G. E. Phys. Rev. E 1999, 60, 2721.
[70]  Jensen, M. ?.; Park, S.; Tajkhorshid, E.; Schulten, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 6731.
[71]  Fu, D.; Libson, A.; Miercke, L. J.; Weitzman, C.; Nollert, P.; Krucinski, J.; Stroud, R. M. Science 2000, 290, 481.
[72]  Hénin, J.; Tajkhorshid, E.; Schulten, K.; Chipot, C. Biophys. J. 2008, 94, 832.
[73]  Bernèche, S.; Roux, B. Nature 2001, 414, 73.
[74]  Doyle, D. A.; Cabral, J. M.; Pfuetzner, R. A.; Kuo, A. L.; Gulbis, J. M.; Cohen, S. L.; Chait, B. T.; MacKinnon, R. Science 1998, 280, 69.
[75]  Gumbart, J. C.; Chipot, C.; Schulten, K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7602.
[76]  Gumbart, J. C.; Chipot, C.; Schulten, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 3596.
[77]  Dorairaj, S.; Allen, T. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007, 104, 4943.
[78]  Hessa, T.; Kim, H.; Bihlmaier, K.; Lundin, C.; Boekel, J.; Andersson, H.; Nilsson, I.; White, S. H.; von Heijne, G. Nature 2005, 433, 377.
[79]  Trabuco, L. G.; Villa, E.; Mitra, K.; Frank, J.; Schulten, K. Structure 2008, 16, 673.
[80]  Trabuco, L. G.; Villa, E.; Schreiner, E.; Harrison, C. B.; Schulten, K. Methods 2009, 49, 174.
[81]  McCammon, J. A.; Gelin, B. R.; Karplus, M. Nature 1977, 267, 585.
[82]  Schulten, K.; Phillips, J. C.; Kalé, L. V.; Bhatele, A. In Petascale Computing: Algorithms and Applications, Ed.: Bader, D., Chapman and Hall/CRC Press, Taylor and Francis Group, New York, 2008, p. 165.
[83]  van Gunsteren, W. F.; Bakowies, D.; Baron, R.; Chandrasekhar, I.; Christen, M.; Daura, X.; Gee, P.; Geerke, D. P.; Gl?ttli, A.; Hünenberger, P. H.; Kastenholz, M. A.; Oostenbrink, C.; Schenk, M.; Trzesniak, D.; van der Vegt, N. F. A.; Yu, H. B. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2006, 45, 4064.
[84]  Klein, M. L.; Shinoda, W. Science 2008, 321, 798.
[85]  Villa, E.; Sengupta, J.; Trabuco, L. G.; LeBarron, J.; Baxter,W. T.; Shaikh, T. R.; Grassucci, R. A.; Nissen, P.; Ehrenberg, M.; Schulten, K.; Frank, J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 1063.
[86]  De Leeuw, S. W.; Perram, J. W.; Smith, E. R. Proc. R. Soc. London 1980, A373, 27.
[87]  Darden, T. A.; York, D. M.; Pedersen, L. G. J. Chem. Phys. 1993, 98, 10089.
[88]  Toukmaji, A. Y.; Board Jr., J. A. Comput. Phys. Commun. 1996, 95, 73.
[89]  Tuckerman, M. E.; Berne, B. J.; Martyna, G. J. J. Phys. Chem. B 1992, 97, 1990.
[90]  Sagui, C.; Pedersen, L. G.; Darden, T. A. J. Chem. Phys. 2004, 120, 73.
[91]  Engle, R. D.; Skeel, R. D.; Drees, M. J. Comput. Phys. 2005, 206, 432.
[92]  Grubmüller, H.; Heller, H.; Schulten, K. MC-Computermagazin 1988, 11, 48.
[93]  Heller, H.; Grubmüller, H.; Schulten, K. Mol. Simul. 1990, 5, 133.
[94]  Couturier, R.; Chipot, C. Comput. Phys. Commun. 2000, 124, 49.
[95]  Bhandarkar, M.; Kalé, L. V.; de Sturler, E.; Hoeflinger, J. In Computational Science - ICCS 200, Proceedings part 2, Eds.: Alexandrov, V. N.; Dongarra, J. J.; Juliano, B. A.; Renner, R. S.; Tan, C. J. K., vol. 2074, 2001, pp. 108~117.
[96]  Javadi, B.; Kondo, D.; Vincent, J. M.; Anderson, D. P. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems 2011, 22, 1896.
[97]  Richards, W. G. Nature Rev. Drug Discov. 2002, 1, 551.
[98]  Shirts, M.; Pande, V. Science 2000, 290, 1903.
[99]  Markoff, J. The New York Times 2003.
[100]  Stone, J. E.; Phillips, J. C.; Freddolino, P. L.; Hardy, D. J.; Trabuco, L. G.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2007, 28, 2618.
[101]  Anderson, J. A.; Lorenz, C. D.; Travesset, A. J. Comp. Phys. 2008, 227,5342.
[102]  Shaw, D. E.; Deneroff, M. M.; Dror, R. O.; Kuskin, J. S.; Larson, R. H.; Salmon, J. K.; Young, C.; Batson, B.; Bowers, K. J.; Chao, J. C.; Eastwood, M. P.; Gagliardo, J.; Grossman, J. P.; Ho, C. R.; Ierardi, D. J.; Kolossváry, I.; Klepeis, J. L.; Layman, T.; McLeavey, C.; Moraes, M. A.; Mueller, R.; Priest, E. C.; Shan, Y.; Spengler, J.; Theobald, M.; Towles, B.; Wang, S. C. SIGARCH Comput. Archit. News 2007, 35, 1.
[103]  2012, The simulation of the AIDS virus capsid, representing about 12.5 million atoms, is one of the six projects selected for the launch of the petascale supercomputer Blue Waters, which harbors over 380,000 cores.
[104]  Mei, C.; Sun, Y.; Zheng, G.; Bohm, E. J.; Kalé, L. V.; Phillips, J. C.; Harrison, C. In Proceedings of the 2011 ACM/IEEE Conference on Supercomputing, 2011, p. 12.
[105]  Bowman, G. R.; Voelz, V. A.; Pande, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 664.
[106]  Liu, Y.; Strümpfer, J.; Freddolino, P. L.; Gruebele, M.; Schulten, K. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1117.
[107]  Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. Science 2011, 334, 517.
[108]  Duan, Y.; Kollman, P. A. Science 1998, 282, 740.
[109]  Laio, A.; Parrinello, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 12562.
[110]  Darve, E.; Pohorille, A. J. Chem. Phys. 2001, 115, 9169.
[111]  Hénin, J.; Chipot, C. J. Chem. Phys. 2004, 121, 2904.
[112]  Carter, E.; Ciccotti, G.; Hynes, J. T.; Kapral, R. Chem. Phys. Lett. 1989, 156, 472.
[113]  Rosso, L.; Tuckerman, M. E. Mol. Simul. 2002, 28, 91.
[114]  Karplus, M. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2006, 35, 1.

Full-Text

Contact Us

service@oalib.com

QQ:3279437679

WhatsApp +8615387084133