生物大分子靜電勢的計算機模擬

《生物大分子靜電勢的計算機模擬》是依託中國科學院數學與系統科學研究院，由黃蓓蓓擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：生物大分子靜電勢的計算機模擬
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：黃蓓蓓
• 依託單位：中國科學院數學與系統科學研究院

項目摘要

本項目結合分子連續模型的數值模擬方法對生物分子靜電模擬進行研究和探索。由於靜電相互作用力是分子間最主要的遠程相互作用，生物分子的許多理化性質都與其靜電勢相關，因此分子靜電模擬具有相當大的實用價值。PB靜電模型目前是描述分子靜電勢較好的一個模型，基於該模型的數值求解技術已經有了很大發展，但仍然難以滿足如分子動力學模擬這樣的動態需求。本項目在node patch邊界元和快速多極距方法的基礎上研究線性Poisson Boltzmann方程的並行求解和高效的程式實現。對於node patch邊界元計算，研究如何分解計算過程中主要的循環遍歷任務，使其儘可能並行化以提高運行效率；對於快速多極距方法，研究如何通過電勢計算的分層模型進行任務分解、不同層作業之間如何通信等。本項目研究可以在保持求解精確性的前提下提高生物分子靜電模擬的效率和處理大體系分子結構的能力，為下一步運用於分子動力學的目標奠定了基礎。

結題摘要

研究計畫按原計畫進行，我們研究了大分子靜電模型及其求解方法，然後與其它物理模型結合取得了一些成果，新增加了Poisson-Nernst-Planck (PNP)方程模擬離子通道運輸過程，以及通過Poisson-Boltzmann (PB)模型模擬自組織高聚物結構，計算方法也相應包含了邊界元（BEM）方法，有限元（FEM）方法和（DFM）有限差分法。 首先，完成了聚電解質複合物靜電求解器軟體包IPEC(V 1.0)和IPEC(V 1.2)，其中第一個版本的程式和相關論文已經發表，最近剛完成的第二個版本針對前一個版本中關於鏈狀線性高聚物的靜電計算進行改進，使其在邊界值非常大的情況下仍能夠快速求解，相關內容已被收錄到專著。其次，提出了模擬離子通過離子通道系統的並行自適應有限元模擬器：Ichannel，從模擬實驗中可以得到包含了離子尺寸效應的SMPNP模型相對於PNP模型能有效的減少電流, 並且其模擬結果與布朗動力學（BD）模擬結果更加相近，相關論文和軟體包也已經發表，此外為該模擬器開發的表面格線工具為我們後面三維Poisson-Boltzmann方程（PBE）邊界元求解器提供條件。最後，基於三維PBE的邊界元並行求解包也已經完成，為即將進行的聚合物膠束中的靜電作用研究提供了基礎。