Ennätyspitkä ionikanavajärjestelmän toiminnan simulaatio

06.07.2007

CSC:n uusimmalla Cray XT4 -supertietokoneella (louhi.csc.fi) lasketussa pilottiprojektissa saavutettiin merkittäviä tuloksia. Ionikanavien dynamiikkaa koskevassa tutkimuksessa professori Ilpo Vattulainen (Tampereen teknillinen yliopisto) ja apulaisprofessori Erik Lindahl (Tukholman yliopisto) simuloivat onnistuneesti noin 120 000 atomin kokoisen ionikanavajärjestelmän toimintaa yli yhden mikrosekunnin ajalta. Simulaation kesto täytti sille asetetut tavoitteet ja oli pidempi kuin mikään aikaisempi vastaavalla järjestelmällä toteutettu. Simulaatio toteutettiin noin kuukauden aikana kevään 2007 lopulla.

– Projektissa hyödynnettiin Gromacs-molekyylisimulaatiopaketin uutta rinnakkaistoteutusta. Tämän projektin aikana Gromacsin suorituskyky ja vakaus CSC:n uudella superkoneella on ollut ylivoimainen menestys, Vattulainen ja Lindahl toteavat.

Tutkijoiden mukaan proteiinissa ei näy mitään destabilisaation merkkejä. Tavallisesti tämä ei olisi erityisen tärkeä tulos, mutta kun otetaan huomioon, että tämä simulaatio on noin kertaluokkaa pidempi kuin mikään aikaisempi, se antaa merkittävän vahvistuksen sille, että voimakenttä, hyvin matalan resoluution kristallirakenne, fysikaaliset mallit ja ajallisten tavoitteiden saavuttamiseksi käytetyt uudet tekniikat ovat tarkkoja. Lipidit peittävät tiiviisti proteiinin pinnan ja vesi täyttää proteiinin ontelot odotetulla tavalla säilyttäen samalla proteiinin ja lipidikalvon eheyden. Lipidien ja veden välisistä suhteista on saatu runsaasti tietoa myöhempää analysointia varten. Tutkijoiden pitäisi esimerkiksi pystyä selvittämään, ovatko tietyt lipidit tiukemmin sitoutuneita kalvoon. Tämän lisäksi simuloinnin aikana proteiini liikkuu noin pari kertaa oman kokonsa verran suhteessa lipideihin luonnollisen diffuusion vaikutuksesta. Niinpä pelkän lipidien liikkuvuuden ohella toinen analysoitava kohde on proteiinien diffuusio kalvossa.

– Systeemi skaalautui supertietokoneessa 170 prosessorille (~80 %), mikä on lähes kaksi kertaa parempi kuin DDR Infiniband -klusterin avulla saavuttamamme koetulos. Crayn oma SeaStar-yhteys kytkentäverkkoon on hämmästyttävä, Lindahl tiivistää.

Ionikanavat kansainvälisesti kiinnostava aihe

Ionikanavat ovat olleet alan kiinnostava aihe jo pitkään. Vaikka liukoisten proteiinien rakenteita tunnetaan jo noin 100 000, solukalvoproteiinien rakenteita on selvitetty kokeellisesti vain runsaat 100. Solutasolla solukalvoproteiineja on kaikista proteiineista noin puolet. Ymmärrys merkittävästä osasta proteiinien toimintaa ja niiden mekanismeja on edelleen aivan lapsenkengissä. Kokeellisesti määritetyt rakenteet antavat niistä staattisen kuvan ilman dynamiikkaa, joka on merkittävä osa proteiinien toimintaa. Juuri tämän suhteen laskennallinen mallintaminen mm. klassisen molekyylidynamiikan hengessä tuo merkittävän lisäarvon kokeelliseen työhön.

– Ionikanavat ovat yksi kansainvälisesti kuumimmista tutkimusaiheista johtuen niiden merkityksestä mm. hermojärjestelmälle, energian varastointiin ja tauteihin kuten epilepsiaan. Ongelmana on, että niiden rakenteellisiin muutoksiin liittyvät mekanismit ovat huonosti tunnettuja. Juuri siinä massiiviset simulaatiot luovat merkittävää lisäarvoa, antaen valaistusta siihen, kuinka ionikanavien avautumista ja sulkeutumista voidaan ohjata, Vattulainen toteaa.

Haku auki laskennallisesti haastaville tutkimusprojekteille syksyllä 2007

CSC valitsi Cray XT4 -supertietokoneella suoritettavaksi pilottiprojektiksi Vattulaisen ja Lindahlin hankkeen, koska hakemuksessa esitetyt tavoitteet ovat tieteellisesti merkittäviä ja projekti hyödyntää tehokkaasti uuden superkoneen ominaisuuksia. Tutkimusprojektissa Vattulainen ja Lindahl hyödynsivät lyhyellä aikavälillä merkittävän määrän supertietokoneen resursseja. Projektista saatuja kokemuksia hyödynnetään CSC:n valmistellessa toimintatapoja suurten laskennallisten haasteiden vaatimiin resurssitarpeisiin. Menestyksekkään pilottiprojektin seurauksena CSC avaa syksyllä 2007 haun merkittävien tutkimusprojektien laskemiseen Cray XT4 -supertietokoneella.

Lisätietoa:

• Ilpo Vattulainen, Tampereen teknillinen yliopisto, Puh: + 358 400 510 592,Sähköposti: ilpo.vattulainen at tut.fi
• Erik Lindahl, Stockholm Center for Biomembrane Research, Stockholm University, Sähköposti: lindahl at sbc.su.se
• Video jänniteohjatun ionikanavan yhden alueen dynamiikasta simulaation alkuvaiheessa

CSC

CSC on opetusministeriön hallinnoima tieteen tietotekniikan keskus. CSC on voittoa tavoittelematon osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.

Uudet asiakkaat voivat hakea käyttöoikeuksia CSC:n tietokoneympäristöön hakulomakkeella. Pdf-muotoinen lomake tulostetaan, täytetään ja postitetaan CSC:hen (http://www.csc.fi/csc/yhteystiedot). Sivuilta löytyy erilliset lomakkeet korkeakoulujen tutkijoille ja  tutkimuslaitos- ja yritysasiakkaille (http://www.csc.fi/asiakkaaksi/korkeakoulut/kayttolupahakemukset/index_html, http://www.csc.fi/asiakkaaksi/kaupalliset/index_html).