• A
  • A
  • A
  • АБB
  • АБB
  • АБB
  • А
  • А
  • А
  • А
  • А
Обычная версия сайта
Версия для слабовидящихЛичный кабинет сотрудника ВШЭПоиск

Суперкомпьютерные технологии атомистического моделирования в науках о материалах и физике биомембран

Приоритетные направления развития: инженерные науки
2019

Цели работы:

  • исследование производительности, энергопотребления и эффективности нового и перспективного вычислительного оборудования
  • разработка оригинальных параллельных алгоритмов и применение технологий программирования для увеличения производительности или переносимости вычислительных кодов
  • мониторинг и статистических анализ нагрузки суперкомпьютеров для выработки рекомендаций по более эффективному использованию
  • изучение метастабильных и экстремальных состояний вещества
  • построение моделей вязкости жидких углеводородов и смесей с предсказательной силой
  • изучение процессов стеклования, в том числе металлических стекол
  • поиск новых биологически активных соединений, действующих на биомембраны и мембранные белки и выявление молекулярного механизма их функционирования;
  • разработка перспективного пептида с антимикробной активностью, взаимодействующего с липидом-II в бактериальной мембране, определение молекулярных аспектов распознавания лантибиотиком низином его мишени;
  • исследование вопросов селективности пептидных блокаторов ионных каналов из природных ядов;

Используемые методы

  • Для оценки характеристик суперкомпьютера используются искусственные тесты и модельные задачи на основе реальных зачетов. Telegraf и Графана использованы для анализа нагрузки суперкомпьютеров, исходные данные для анализа получены через три технологии мониторинга RAPL, IPMI и SNMP. Для улучшения переносимости пакета LAMMPS использована платформа гибридного программирования ROCm HIP.
  • В задачах материаловедения используется молекулярная динамика с широким набором потенциалов, включая специфичные ClayFF, COMPAS, OPLS, ReaxFF, а также моделирование квантовой структуры на базе теории функционала плотности в программных пакетах VASP и CP2K.
  • В биологических исследованиях использовано моделирование по гомологии, молекулярная динамика с параметризациями для биологических систем (Gromos 43a2, Amber), предсказание структуры белков de novo на основании метода молекулярного гидрофобного потенциала

Эмпирическая база исследования

Тесты производительности (бенчмарки) были выполнены на новом суперкомпьютере ВШЭ, на кластерах Десмос и Фишер, включая узлы с погружной системой охлаждения. В биологических исследованиях использовались экспериментальные результаты лаборатории ИБХ.

Результаты работы

Были выполнены тесты производительности нового суперкомпьютера ВШЭ для оценки базовых характеристик и на реальных расчётных программах, включая классическую молекулярную динамику и расчет электронной структуры. Тесты интерконнекта показали преимущество Infiniband EDR с точки зрения пропускной способности и при размере пакетов больше 8 КБ в обменах MPI. По задержке новый суперкомпьютер уступает кластеру Десмос, на котором наш коллектив ранее проводил такие тесты. Минимальное время задержки составляет 0.92 мкс. Апробирован одновременный запуск разных по типу нагрузки (GPU или CPU) задач на узлах, например VASP и задачи машинного обучения на 4 узлах. Показано, что такой подход позволяет увеличить общую эффективность использования ресурсов при снижении производительности каждого отдельного расчета.

Была рассмотрена и опробована новая платформа для программирования портируемых гибридных вычислений AMD ROCm HIP. Использование этой платформы готовит лабораторию к использованию перспективных вычислительных систем 2021 года. В рамках работы универсальный пакет молекулярной динамики LAMMPS был портирован на эту платформу. Использование этой платформы помимо улучшения переносимости позволяет увеличить производительность на оборудовании AMD на ~5% благодаря снижению накладных расходов, присутствующих у OpenCL.

Одинаковые системы мониторинга и аналитики мощности и потребляемой энегии был внедрены на трех типах вычислительных узлов: гибридном суперкомпьютере с воздушным охлаждением, на CPU сегментах кластера Фишер с воздушным охлаждением и с жидкостным охлаждением. Тестирование с использованием модельного примера молекулярно-динамической задачи показывает избыточное потребление системы с воздушным охлаждением, по сравнению с погружным охлаждением системы в среднем на 30% или 1,4 кВт.  Мы обнаружили минимум общего потребления энергии для тестовой задачи на CPU системe.

Разобраны аспекты работы клиентских узлов и файлового хранилища параллельных файловых систем с RDMA-сетями. Исследование кода сетевой подсистемы файловой системы BeeGFS позволило выявить перспективы её оптимизации и переработки с использованием оптимизированной библиотеки для работы с различными сетями.

Квантовомеханическое моделирование разогретого плотного водорода показало широкую область метастабильных состояний в области температур от 700 до 1000 К. Наличие этих метастабильных состояний может быть причиной расхождений экспериментов по определению фазовой диаграммы водорода в ударно-волновых экспериментах и в статических измерениях в алмазных наковальнях.  Методом атомистического моделирования исследованы вязкости жидких углеводородов и смесей.  Получены правила смешения, позволяющие оценить вязкость смесей из вязкости чистых веществ, что важно для задач моделирования углеводородных пластов. При помощи сложной ангармонической модели взаимодействий COMPASS рассчитана вязкость углеводорода до давления 10 тыс. атм.  Вплоть до давлений 6 тыс. атм. результаты согласуются с экспериментальными измерениями в пределах 2%. Полученные данные позволяют говорить о предсказательных возможностях моделирования в задачах определения свойств материалов.  На основе молекулярно-динамических и Монте-Карло расчетов получено подтверждение теории перколяции в применении к сети водородных связей в жидкой и сверхкритической воде. Получено, что количество водородных связей у молекулы воды подчиняется биномиальному распределению в гораздо более широком диапазоне температур и плотностей, чем предполагалось ранее.  В молекулярно-динамических расчетах исследованы процессы старения стекол и влияния отжига и периодических тепловых воздействий на свойства аморфного состояния. Показано, что тепловые воздействия могут как уменьшать, так и увеличивать энергию стекла. Отжиг с приложением внешнего напряжения может приводить к "обновлению" структуры стекла, т.е.  к накоплению областей с неравновесной структурой, в отличие от классического отжига, при котором структура переходит к более равновесному состоянию.

Описаны молекулярные детали белок-белковых и белок-липидных взаимодействий, лежащие в основе работы важнейших мембранных белков и рецепторов: гликофорина А, рецепторов фактора роста эпидермиса, рецептора инсулина, рецептора тромбоцитарного фатора роста, нейраминидазы-1. Показано, что точечные мутации наравне со свойствами мембранного окружения влияют на стабильность и функционирование мембранных белков клетки. Основываясь на этих результатах, мы предложили прототип пептида - “перехватчика” - модулятора димеризации нейраминидазы

Для низина найдена конформация “ловушки”, описывающая ключевой момент узнавания его мишени в бактериальной мембране – липида II. Результат будет использован в разработке новых антибиотиков.

Методом рационального дизайна получен новый пептид Tk-hefu 2, обладающий повышенной активностью по отношению к ионному каналу Kv 1.3, что доказывает возможность создания новых биологически активных соединений на основании данных атомистического моделирования.

Публикации по проекту:


Efremov R. Dielectric-dependent strength of interlipid H-bonding in biomembranes: a model case study. // Journal of Chemical Information and Modeling. 2019. Vol. 59. No. 6. P. 2765-2775. doi
Efremov R., Bennasroune A., Romier-Crouzet B., Sébastien B., Laffargue M., Martiny L., Maurice P., Duca L. Elastic Fibers and Elastin Receptor Complex: Neuraminidase-1 takes the center stage. // Matrix Biology. 2019. Vol. 84. P. 57-67. doi
Bocharov E. V., Nadezhdin K. D., Urban A. S., Volynsky P. E., Pavlov K. V., Efremov R., Arseniev A. S., Bocharova O. V. Familial L723P Mutation Can Shift the Distribution between the Alternative APP Transmembrane Domain Cleavage Cascades by Local Unfolding of the Ε‑Cleavage Site Suggesting a Straightforward Mechanism of Alzheimer’s Disease Pathogenesis. // ACS Chemical Biology. 2019. Vol. 14. No. 7. P. 1573-1582. doi
Efremov R., Нольде Д. Е., Волынский П. Е., Захарова Г. С., Palmer R. A., Tonevitsky A. Specific refolding pathway of viscumin A chain in membrane-like medium reveals a possible mechanism of toxin entry into cell. // Scientific Reports. 2019. Vol. 9. No. 413. P. 1-12. doi
Pouvreau M., Greathouse J. A., Cygan R. T., Kalinichev A. G. Structure of Hydrated Kaolinite Edge Surfaces: DFT Results and Further Development of the ClayFF Classical Force Field with Metal-O-H Angle Bending Terms // Journal of Physical Chemistry C. 2019. Vol. 123. P. 11628-11638. doi
Loganathan N., Bowers G. M., Ngouana-Wakou B. F., Kalinichev A. G., Kirkpatrick R. J., Yazaydin A. O. Understanding Methane/Carbon Dioxide Partitioning in Clay Nano- and Meso-Pores with Constant Reservoir Composition Molecular Dynamics Modeling // Physical Chemistry Chemical Physics. 2019. Vol. 21. P. 6917-6924 . doi
Kirova E. M., Pisarev V. The glass transition criteria for aluminum–copper melt // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1147. No. 012014. P. 1-5. doi
Трофимов Ю. А., Krylov N., Efremov R. Confined dynamics of water in transmembrane pore of TRPV1 ion channel // International Journal of Molecular Sciences. 2019. Vol. 20. No. 4285. P. 1-13. doi
Tabakmakher V. M., Krylov N., Kuzmenkov A. I., Efremov R., Vassilevski A. A. Kalium 2.0, a comprehensive database of polypeptide ligands of potassium channels // Scientific data. 2019. Vol. 6. No. 73. P. 1-8. doi
Норман Г. Э., Писарев В. В., Флейта Д. Ю. Особенность в точке перехода от равновесной к метастабильной фазе металлического расплава // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2019. Т. 109. № 10. C. 689-693. doi
Pisarev V., Mistry S. Volume-based mixing rules for viscosities of methane + n-butane liquid mixtures // Fluid Phase Equilibria. 2019. Vol. 484. P. 98-105. doi
Polyansky A. A., Bocharov E. V., Velghe A. I., Kuznetsov A. S., Bocharova O. V., Urban A. S., Arseniev A. S., Zagrovic B., Demoulin J., Efremov R. G. Atomistic mechanism of the constitutive activation of PDGFRA via its transmembrane domain // Biochimica et Biophysica Acta - General Subjects. 2019. Vol. 1863. No. 1. P. 82-95. doi
Priezjev N., Makeev M. Structural transformations during periodic deformation of low-porosity amorphous materials // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 27. P. 025004-025004. doi
Priezjev N., Liu Qinglong The influence of complex thermal treatment on mechanical properties of amorphous materials // Computational Materials Science. 2019. Vol. 161. P. 93-98. doi
Priezjev N., Makeev M. The influence of periodic shear on structural relaxation and pore redistribution in binary glasses // Journal of Non-Crystalline Solids. 2019. Vol. 506. P. 14-20. doi
Priezjev N. The potential energy states and mechanical properties of thermally cycled binary glasses // Journal of Materials Research. 2019. Vol. 34. No. 15. P. 2664-2671. doi
Stegailov V., Dlinnova E., Ismagilov T., Khalilov M., Kondratyuk N., Makagon D., Semenov A., Simonov A., Smirnov G., Timofeev A. Angara interconnect makes GPU-based Desmos supercomputer an efficient tool for molecular dynamics calculations // International Journal of High Performance Computing Applications. 2019. Vol. 33. No. 3. P. 507-521. doi
Timofeev A. Divergence of dust particles trajectories in dusty plasma model // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1147. No. 012100. P. 1-6. doi
Timofeev A., Nikolaev V. S. Influence of ion shadowing effect on average inter-particle distance in dusty plasma crystals // Journal of Physics: Conference Series. 2019. Vol. 1147. No. 012109. P. 1-7. doi
Timofeev A., Nikolaev V. S. Inhomogeneity of a harmonically confined Yukawa system // Physics of Plasmas. 2019. Vol. 26. No. 073701. P. 1-8. doi
Myshkin M., Mannikko R., Krumkacheva O., Kulbatskii D., Chugunov A., Berkut A., Paramonov A., Shulepko M., Fedin M., Hanna M., Kullmann D., Bagryanskaya E., Arseniev A., Kirpichnikov M., Lyukmanova E., Vassilevski A., Shenkarev Z. Cell-Free Expression of Sodium Channel Domains for Pharmacology Studies. Noncanonical Spider Toxin Binding Site in the Second Voltage-Sensing Domain of Human NaV1.4 Channel // Frontiers in Pharmacology. 2019. Vol. 10. P. 1-20. doi
Berkut A., Chugunov A., Mineev K., Peigneur S., Tabakmakher V., Krylov N., Oparin P., undefined., Novikova E., Arseniev A., Grishin E., Tytgat J., Efremov R., Vassilevski A. Protein Surface Topography as a tool to enhance the selective activity of a potassium channel blocker // Journal of Biological Chemistry. 2019. Vol. 294(48). P. 18349-18359. doi
Волынский П. Е., Гаврилина А. М., Нольде Д. Е., Ефремов Р. Г. Выявление факторов важных для транслокации белков через мембрану методами компьютерного моделирования, in: II объединенный научный форум: VI съезд физиологов СНГ, VI съезд биохимиков России, IX российский симпозиум «Белки и пептиды» (Сочи, Дагомыс, 1–6 октября 2019). Научные труды. Москва : Издательство "Перо", 2019. С. 141-141. 
Urban A., Bocharov E. V., Nadezhdin K., Pavlov K., Shtykova E., Tikhaia E., Volynsky P. E., Efremov R., Arseniev A. S., Bocharova O. V. Conformational variability and intramembrane recognition possibly associated with abnormal cleavage of APP transmembrane domain, in: FEBS Open Bio Volume 9, Issue S1 Supplement: 44th FEBS Congress, From Molecules to Living Systems, Krakow, Poland, July 6‐11, 2019. Oxford : Wiley, 2019. С. 299-299. 
Osmakov D., Belozerova O., Koshelev S., Andreev Y., Dubinnyi M., Efremov R., Chugunov A., Kublitski V., Kozlov S. Mode of action and biological activity of sevanol and its analogues on acid-sensing ion channels, in: FEBS Open Bio Volume 9, Issue S1 Supplement: 44th FEBS Congress, From Molecules to Living Systems, Krakow, Poland, July 6‐11, 2019. Oxford : Wiley, 2019. С. 183-183. 
Bocharov E. V., Lesovoy D. M., Pavlov K., Bocharova O. V., Urban A. S., Mineev K. S., Bershacky Y., Shtykova E., Volynsky P. E., Efremov R., Arseniev A. S. Structural basis of the signal transduction via transmembrane domains of type I receptors in norma and pathology, in: FEBS Open Bio Volume 9, Issue S1 Supplement: 44th FEBS Congress, From Molecules to Living Systems, Krakow, Poland, July 6‐11, 2019. Oxford : Wiley, 2019. С. 130-130. 
Ефремов Р. Г. Путешествия в «аномальные зоны» клетки с помощью вычислительной биофизики, in: Сборник научных трудов VI съезда биофизиков России. Краснодар : Кубанский государственный университет, 2019. С. 16-17. 
Бочаров Э., Лесовой Д., Минеев К., Бочарова О., Урбан А., Бершацкий А., Надеждин К., Волынский П., Ефремов Р. Г., Арсеньев А. Роль белок-липидных взаимодействий в функционировании битопных мембранных белков, in: II объединенный научный форум: VI съезд физиологов СНГ, VI съезд биохимиков России, IX российский симпозиум «Белки и пептиды» (Сочи, Дагомыс, 1–6 октября 2019). Научные труды.. Москва : Издательство "Перо", 2019. С. 45-46. 
Ефремов Р. Г. Технология «динамического молекулярного портрета» в вычислительном анализе белков и биомембран, in: II объединенный научный форум: VI съезд физиологов СНГ, VI съезд биохимиков России, IX российский симпозиум «Белки и пептиды» (Сочи, Дагомыс, 1–6 октября 2019). Научные труды.. Москва : Издательство "Перо", 2019. С. 58-58. 
Коншина А. Г., Крылов Н. А., Ефремов Р. Г. Механизм встраивания мембрано-активного цитотоксина в липидный бислой: моделирование in silico, in: Сборник научных трудов VI съезда биофизиков России. Краснодар : Кубанский государственный университет, 2019. С. 160-161. 
Zamaletdinov M. F., Kuznetsov A., Maurice P., Efremov R. Dimerization of transmembrane domain of insulin receptor: structure and possible role in activation, in: FEBS Open Bio Volume 9, Issue S1 Supplement: 44th FEBS Congress, From Molecules to Living Systems, Krakow, Poland, July 6‐11, 2019. Oxford : Wiley, 2019. С. 262-262. 
Albrecht C., Dhaideh Z., Appert-Collin A., Dauchez M., Blaise S., Romier-Crouzet B., Kuznetsov A., Efremov R., Duca L., Gueroult M., Maurice P., Bennasroune A. Effects of interfering transmembrane peptides on neuraminidase-1 activity, in: FEBS Open Bio Volume 9, Issue S1 Supplement: 44th FEBS Congress, From Molecules to Living Systems, Krakow, Poland, July 6‐11, 2019. Oxford : Wiley, 2019. С. 295-296. 
Kuznetsov A., Maurice P., Efremov R. Protein–lipid interactions in glycophorin-like dimerization motifs of transmembrane helices, in: FEBS Open Bio Volume 9, Issue S1 Supplement: 44th FEBS Congress, From Molecules to Living Systems, Krakow, Poland, July 6‐11, 2019. Oxford : Wiley, 2019. С. 268-269. 
Кузнецов А. С., Ефремов Р. Г. Димеризация трансмембранных доменов белков: роль липидного окружения, in: Тезисы докладов XXVI Международной конференции "Математика. Компьютер. Образование". МКО-2019., 2019. С. 45-45. 
Кузнецов А. С., Bennasroune A., Maurice P., Ефремов Р. Г. Молекулярно-динамические аспекты взаимодействия трансмембранного сегмента нейраминидазы-1 с перспективным пептидным перехватчиком, in: II объединенный научный форум: VI съезд физиологов СНГ, VI съезд биохимиков России, IX российский симпозиум «Белки и пептиды» (Сочи, Дагомыс, 1–6 октября 2019). Научные труды.. Москва : Издательство "Перо", 2019. С. 108-108. 
Кузнецов А. С., Ефремов Р. Г. Роль мембранного окружения в процессе димеризации трансмембранных сегментов рецепторных тирозинкиназ семейства ErbB, in: Сборник научных трудов VI съезда биофизиков России. Краснодар : Кубанский государственный университет, 2019. С. 165-165. 
Panina I., Chugunov A., Dmitry N., Efremov R. Nisin/lipid II interaction in bacterial membrane: molecular dynamics study, in: FEBS Open Bio Volume 9, Issue S1 Supplement: 44th FEBS Congress, From Molecules to Living Systems, Krakow, Poland, July 6‐11, 2019. Oxford : Wiley, 2019. С. 269-269. 
Панина И. С., Чугунов А. О., Крылов Н. А., Нольде Д. Е., Ефремов Р. Г. Фармакофорная модель распознавания низином липида II в бактериальной мембране, in: Сборник научных трудов VI съезда биофизиков России. Краснодар : Кубанский государственный университет, 2019. С. 83-84. 
Чугунов А. О., Панина И. С., Ефремов Р. Г. Антимикробные пептиды, нацеленные на липид II мембран бактерий: ключевой принцип действия, in: II объединенный научный форум: VI съезд физиологов СНГ, VI съезд биохимиков России, IX российский симпозиум «Белки и пептиды» (Сочи, Дагомыс, 1–6 октября 2019). Научные труды.. Москва : Издательство "Перо", 2019. С. 60-60. 
Loganathan N., Yazaydin A. O., Bowers G. M., Ngouana-Wakou B. F., Kalinichev A. G., Kirkpatrick R. J. Role of cations in the methane/carbon dioxide partitioning in nano- and mesopores of illite using constant reservoir composition molecular dynamics simulation // Journal of Physical Chemistry C. 2020. Vol. 124. P. 2490-2500. doi
Тимофеев А. В., Семенов В. П., Николаев В. С. Неоднородность структурных и динамических характеристик пылевой плазмы в газовом разряде // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2020. Т. 157. № 1. C. 180-188. doi
Кузнецов А. С., Ефремов Р. Г. Оценка взаимного влияния белок-мембрана для рецепторных тирозинкиназ в компьютерном эксперименте, in: Математика. Компьютер. Образование. Тезисы.. Ижевск : Ижевский институт компьютерных исследований, 2020. С. 53-54. 
Efremov R., Коншина А. Г., Дубовский П. В. Stepwise insertion of cobra cardiotoxin CT2 into a lipid bilayer occurs as an interplay of protein and membrane “dynamic molecular portraits” // Journal of Chemical Information and Modeling. 2021. Vol. 61. No. 1. P. 385-399. doi