Молекулярное моделирование

Ольга Гущина, Роснаука 

rus-img.com

Можно ли смоделировать на компьютере структуру и функции молекул? И каким образом можно визуализировать молекулярные процессы?

Молекулярное моделирование в биологии и химии уже давно перестало быть чем-то фантастическим. Особенно широкое применение методы компьютерного моделирования находят там, где получение экспериментальных результатов является крайне трудным (даже практически невозможным) или слишком затратным.

По своей сути методы молекулярного моделирования можно сравнить, пожалуй, со средствами автоматического проектирования (САПР). Задачи здесь зачастую похожи: как в САПР конструируется новый самолет, так и при молекулярном моделировании может быть «сконструировано» новое соединение. Вот только объект исследования здесь сложнее, да и свойства изучаемых систем не всегда так хорошо известны.

Молекулярное моделирование – это своего рода научный инструмент, целевыми областями для которого являются фармакология, биотехнология, материаловедение. В то же время, данный инструмент сам является источником широкого круга научных задач - от разработки новых, более совершенных моделей, описывающих свойства существующих систем, до создания новых программных комплексов, реализующих наиболее широкий спектр теоретических методов и подходов молекулярного моделирования.

Попробуем разобраться, какой арсенал программных продуктов для компьютерного моделирования отдельных молекул и периодических структур доступен сейчас российским и зарубежным ученым?

Один из первых программных пакетов для молекулярного моделирования – GAUSSIAN – был разработан еще в 1970 году нобелевским лауреатом Джоном Полом, и на сегодняшний день уверенно держится в числе «лидеров», оставаясь одним из самых распространенных и вместе с тем одним из самых функциональных комплексов.

В арсенале программного пакета – более 80 методов расчета для определения структуры и энергии, а также различных характеристик молекул и соединений. Однако есть у данного программного продукта и свои недостатки, к которым можно отнести высокие требования, предъявляемые к аппаратному обеспечению, а также относительно невысокую скорость работы. Кроме того, разработка распространяется исключительно на коммерческой основе. 

Другой программный продукт, а точнее, американский вариант пакета – GAMESS (US) – распространяется на свободной основе (при условии некоммерческого использования) и в настоящее время поддерживается группой разработчиков из Государственного университета штата Айова.

Среди возможностей программного пакета, прежде всего, методы вычислительной квантовой химии, а потому в плане функциональности продукт уступает многим конкурентам: к примеру, абсолютно нереализованными в программном обеспечении остались методы молекулярной механики.

В отличие от вышеупомянутой разработки, программные пакеты GROMACS и AMBER, напротив, «заточены» на выполнение расчетов в области молекулярной динамики, т.е. позволяют определять траектории движения и характеристики взаимодействия молекул на основе «простых» уравнений классической механики Ньютона. А это значит, что рассчитать химическую реакцию в таких программах попросту невозможно.

Конечно, указанным списком весь перечень зарубежного программного обеспечения для молекулярного моделирования не ограничивается, однако, и выбор того или иного продукта зависит от конкретной решаемой научной задачи.

nerohelp.info

Собственное решение задач молекулярного моделирования готовы предложить и российские ученые. Так, с момента внедрения в учебный и научно-исследовательский процесс Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова программного пакета GAMESS за его доработку и адаптацию взялся профессор Александр Грановский, в результате усилий которого получился новый продукт – Firefly (ранее известный как PC GAMESS).

Уже в 1999 году пакет стал полностью программно-независимым от своего «предшественника», а в 2008-м – получил новое название. Примечательно, что командой разработчиков было переписано порядка 95% исходного кода, благодаря чему удалось существенно повысить скорость производимых вычислений, расширился и функционал программного комплекса: в частности, были разработаны новые, а также усовершенствованы существующие алгоритмы расчетных методов квантовой химии. 

Не стоит на месте и современная наука: в конце марта этого года новый программный комплекс для молекулярного моделирования – «KVAZAR» – предложила группа ученых Саратовского государственного университета (СГУ).

sgu.ru

Руководство проектом осуществляет заведующий кафедрой радиотехники и электродинамики, начальник отдела математического моделирования Образовательно-научного института наноструктур и биосистем (ОНИ НСиБС) СГУ д.ф.-м.н. О.Е. Глухова. В основе разработки: методы молекулярной динамики и квантовые методы, классические подходы молекулярного моделирования, а также оригинальные математические модели, созданные командой разработчиков комплекса.

«По сравнению с хорошо известными закрытыми зарубежными программными пакетами наш программный комплекс отличается открытой архитектурой, что позволяет адаптировать его для решения любой конкретной научной задачи», – рассказывает Rosnauka.ru член научной группы разработчиков, ведущий программист отдела математического моделирования ОНИ НСиБС СГУ, кандидат физико-математических наук Анна Колесникова.

Еще дальше пошли ученые Московского физико-технического института (МФТИ): в скором времени на популярном Интернет-ресурсе Coursera стартует курс дистанционного обучения «Моделирование биологических молекул на GPU», в рамках которого слушателям будет предложено визуализировать процессы в молекулярных системах с использованием графических процессоров, т.е., попросту говоря, видеокарт, имеющихся в компьютере.

Где же на практике могут использоваться указанные программные продукты? Наиболее широкое распространение методы молекулярного моделирования получают в биомедицине, материаловедении, а также в области нанотехнологий. Причина такого спроса проста: использование компьютерных моделей в большинстве случаев позволяет существенно сократить время и затраты на разработку нового материала, наноустройства или лекарственного препарата. И если раньше синтез сотен и тысяч соединений, а также их тестирование в клеточных системах производилось на практике, то теперь эти функции выполнит программное обеспечение: оно сможет «предсказать», к примеру, насколько эффективны будут синтезированные соединения в борьбе с вирусами. В то же время, моделирование процессов деформации, образования и разрушения химических связей позволит рассчитать прочность новых композитов еще до их запуска в серийное производство.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru

15.07.2015