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Nat. Commun., Apr 20 2024, 15 (1) | https://doi.org/10.1038/s41467-024-47654-1
GENESIS CGDYN: large-scale coarse-grained MD simulation with dynamic load balancing for heterogeneous biomolecular systems
Jaewoon Jung 1,2,4, Cheng Tan 1,4 & Yuji Sugita 1,2,3,*
1Computational Biophysics Research Team, RIKEN Center for Computational Science, Kobe, Hyogo 650-0047, Japan.
2Theoretical Molecular Science Laboratory, RIKEN Cluster for Pioneering Research, Wako, Saitama 351-0198, Japan.
3Laboratory for Biomolecular Function Simulation, RIKEN Center for Biosystems Dynamics Research, Kobe, Hyogo 650-0047, Japan.
4These authors contributed equally: Jaewoon Jung, Cheng Tan.
*Corresponding author: correspondence to Yuji Sugita
Abstract
Residue-level coarse-grained (CG) molecular dynamics (MD) simulation is widely used to investigate slow biological processes that involve multiple proteins, nucleic acids, and their complexes. Biomolecules in a large simulation system are distributed non-uniformly, limiting computational efficiency with conventional methods. Here, we develop a hierarchical domain decomposition scheme with dynamic load balancing for heterogeneous biomolecular systems to keep computational efficiency even after drastic changes in particle distribution. These schemes are applied to the dynamics of intrinsically disordered protein (IDP) droplets. During the fusion of two droplets, we find that the changes in droplet shape correlate with the mixing of IDP chains. Additionally, we simulate large systems with multiple IDP droplets, achieving simulation sizes comparable to those observed in microscopy. In our MD simulations, we directly observe Ostwald ripening, a phenomenon where small droplets dissolve and their molecules redeposit into larger droplets. These methods have been implemented in CGDYN of the GENESIS software, offering a tool for investigating mesoscopic biological processes using the residue-level CG models.
논문정보
- Research article
- 2024년 04월 (BRIC 등록일 2024-04-22)
- 국외 연구진
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![분자동역학 프로그램 개발을 통한 세포 내 생명현상의 관찰 [Nat. Commun.]](/upload/board/files/onseminar/thumb/thumb_0000738.png)
학술웨비나
분자동역학 프로그램 개발을 통한 세포 내 생명현상의 관찰 [Nat. Commun.] 본 연구에서는 대규모 분자동역학 시뮬레이션을 가능하게 하는 프로그램 개발과 생체계의 응용을 다룬다. 아미노산을 하나의 입자로 취급하는 거친 모델은 분자역학 시뮬레이션을 통해 대규모 생명 현상을 분석하고 그 메커니즘을 이해하는 유용한 도구 중 하나이다. 그러나, 이러한 모델을 이용한 초병렬 계산을 수행하기 위해서는 계산 알고리즘의 대폭적인 개선이 필요하다. 본 연구에서는 동적 부하 분산을 수반하는 불균형 영역 분할 기법을 개발하여, 슈퍼컴퓨터 Fugaku 등에서 계산 효율을 크게 향상시키는 데 성공하였다. 이 계산기법을 CGDYN이라 명명하고, 이화학 연구소의 분자동역학 프로그램 GENESIS에 구현하였다. 또한, 프로그램의 시뮬레이션을 통해, 천연변성단백질로 구성된 응축체의 융합 과정을 관찰하여, 작은 응축체의 용해와 큰 응축체로의 재융합을 특징으로 하는 오스트발트 성장을 직접 관찰하는데 성공하였다.- 정재운(RIKEN R-CCS)
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