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陈家辉;耿伟华

预处理树码加速边界积分（TABI）Poisson-Boltzmann解算器。 （英语） Zbl 1416.65487号

J.计算。物理学。 373, 750-762 (2018).
摘要：我们最近开发了一种树加速边界积分（TABI）求解器，用于求解泊松-玻尔兹曼（PB）方程[第二作者和R.克拉斯尼同上，第247、62–78页（2013年；Zbl 1349.78084号)]. 该求解器综合了精度、效率、内存和并行化方面的优势，因为它应用了一个适定的边界积分公式来规避与PB方程相关的许多数值困难，并使用O（N\log N）树码来加速GMRES迭代求解器。然而，正如我们在之前的工作中观察到的那样[第二作者和雅各布，计算。物理学。Commun公司。184，第6期，1490–1496（2013；Zbl 1310.78017号)]有时，当网格生成器生成低质量三角形时，求解离散边界积分方程（Ax=b\）所需的GMRES迭代次数可能很大。为了解决这个问题，我们使用预处理矩阵（M\）设计了一个预处理方案，使得（M^{-1}A\）条件得到了很大改进，同时可以快速计算任意向量的（M^{-1}z）。在该方案中，矩阵M仅在树结构中承载同一叶子上边界元素之间的相互作用，因此是块对角的，具有许多计算优势。（M）中的块的大小由树码参数（N_0）方便地控制，树码参数是每片叶子的最大粒子数。数值结果表明，这种新的预处理方案以显著减少的迭代次数和更好的精度改进了TABI解算器，特别是对于TABI解算器先前收敛缓慢的蛋白质集。此外，该预处理方案可以潜在地提高各种多极方法加速边界元求解器在散射、流体、弹性等方面的条件数。

引用于5文件

MSC公司：

65纳米38 偏微分方程边值问题的边界元方法
92C40型 生物化学、分子生物学
65F08个 迭代方法的前置条件

关键词：

树码;静电;边界积分;泊松-玻耳兹曼方程;预处理;全球可再生能源公司

引文：

Zbl 1349.78084号;Zbl 1310.78017号

软件：

MIBPB公司;塔比卜;阿普斯梅姆;产品开发B2PQR;TABI公司;TMSmesh公司;环境与社会保障局;APBS公司;查姆
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\textit{J.Chen}和\textit{W.Geng}，J.Compute。物理学。373750-762（2018；Zbl 1416.65487）
全文： 内政部

参考文献：

[1] Geng，W。；Krasny，R.，用于溶剂化生物分子静电的树加速边界积分Poisson-Boltzmann解算器，J.Compute。物理。，247, 62-78 (2013) ·Zbl 1349.78084号
[2] Geng，W。；Jacob，F.，GPU加速的直接和边界积分Poisson-Boltzmann解算器，计算。物理学。社区。，184, 6, 1490-1496 (2013) ·Zbl 1310.78017号
[3] Schlick，T.，《分子建模与模拟：跨学科指南》（2010），施普林格出版社·Zbl 1320.92007年
[4] Baker，N.A.，《改进隐式溶剂模拟：以泊松为中心的观点》，Curr。操作。结构。生物学，15，2，137-143（2005）
[5] 切列佐夫，V。；罗森鲍姆，D.M。；Hanson，医学硕士。；拉斯穆森，S.G.F。；Thian，F.S。；科比尔卡，T.S。；Choi，H.-J。；库恩，P。；Weis，W.I。；科比尔卡，B.K。；Stevens，R.C.，工程化人类2-肾上腺素能g蛋白偶联受体的高分辨率晶体结构，《科学》，318，5854，1258-1265（2007）
[6] 董，F。；维杰库马尔，M。；Zhou，H.X.，计算和实验的比较表明，静电对谷胱甘肽酶和barstar的结合稳定性有重要贡献，Biophys。J.，85，1，49-60（2003）
[7] 黄，N。；Y.Chelliah。；Shan，Y。；泰勒，C.A。；Yoo，S.-H。；Partch，C。；绿色，C.B。；张，H。；Takahashi，J.S.，异二聚体时钟的晶体结构：BMAL1转录激活物复合体，《科学》，337，6091，189-194（2012）
[8] Beard，D.A。；Schlick，T.，《模拟盐介导的大分子静电：离散表面电荷优化算法及其在核小体中的应用》，生物聚合物，58，106-115（2001）
[9] Alexov，E。；Mehler，E.L。；贝克，N。；巴普蒂斯塔，A.M。；黄，Y。；Milletti，F。；尼尔森，J.E。；法雷尔，D。；卡斯滕森，T。；奥尔森，M.H.M。；沈建凯。；沃里克，J。；威廉姆斯。；Word，J.M.，蛋白质中pka值预测的进展，蛋白质，79，3260-3275（2011年12月）
[10] Antosiewicz，J。；McCammon，J.A。；Gilson，M.K.，蛋白质中p（K_a）s的决定因素，生物化学，35，24，7819-7833（1996）
[11] 胡，J。；赵，S。；Geng，W.，使用基于泊松-玻尔兹曼解算器的匹配界面和边界（MIB）方法进行精确pka计算，Commun。计算。物理。，2, 520-539 (2018) ·兹比尔1488.92026
[12] 尼尔森，J.E。；McCammon，J.A.，计算酶活性位点中的pka值，蛋白质科学。，1894-1901年12月9日（2003年）
[13] 周Y.C。；Lu，B。；Gorfe，A.A.，蛋白质-膜相互作用的连续机电模型，物理学。E版，82，第041923条pp.（2010年10月）
[14] Callenberg，K.M。；乔达里，O.P。；de Forest，G.L。；戈哈拉，D.W。；贝克，N.A。；Grabe，M.，Apbsmem:膜静电计算的图形界面，《公共科学图书馆·综合》，5，1-12（2010年9月）
[15] 加西亚-加西亚，C。；Draper，D.E.，肽-RNA复合物中的静电相互作用，《分子生物学杂志》。，331, 1, 75-88 (2003)
[16] Nguyen，D.D。；王，B。；Wei，G.-W.，《泊松-玻耳兹曼结合能的准确、稳健和可靠计算》，J.Compute。化学。，38, 13, 941-948 (2017)
[17] L.Wilson，R.Krasny，《边界积分Poisson-Boltzmann框架中两种分子表面三角编码的比较》，2018年，准备中。；L.Wilson，R.Krasny，《边界积分Poisson-Boltzmann框架中两个分子表面三角剖分码的比较》，2018年，准备中。
[18] Simonson，T。；Archontis，G。；Karplus，M.，《自由能模拟时代来临：蛋白质-甘氨酸识别》，《化学学报》。研究，35，6，430-437（2002），PMID:12069628
[19] Wagoner，J.A。；Baker，N.A.，《评估非极性平均溶剂化力的隐式模型：弥散和体积项的重要性》，Proc。国家。阿卡德。科学。，103, 22, 8331-8336 (2006)
[20] Unwin，N.，烟碱乙酰胆碱受体在4°分辨率下的精细结构，《分子生物学杂志》。，346, 4, 967-989 (2005)
[21] 贝克，N.A.，生物分子静电的泊松-玻尔兹曼方法，酶学方法。，383, 94-118 (2004)
[22] 卢奇。；Luo，R.，非周期边界条件下的泊松-玻尔兹曼动力学方法，J.Chem。物理。，119, 21, 11035-11047 (2003)
[23] 我，W。；贝格洛夫，D。；Roux，B.，连续体溶剂化模型：泊松-玻尔兹曼方程数值解的静电力，计算。物理学。社区。，111, 1-3, 59-75 (1998) ·Zbl 0935.78019号
[24] 霍尼格，B。；Nicholls，A.，《生物和化学中的经典静电学》，《科学》，2685214149（1995）
[25] 耿，W。；于斯。；Wei，G.W.，隐式溶剂模型中电荷奇异性的处理，J.Chem。物理。，127，第114106条pp.（2007）
[26] 于斯。；Geng，W。；Wei，G.W.，隐式溶剂模型中几何奇点的处理，J.Chem。物理。，第126条，第244108页（2007年）
[27] Greengard，L.F。；Huang，J.，三维屏蔽库仑相互作用的快速多极子方法的新版本，J.Compute。物理。，180, 2, 642-658 (2002) ·Zbl 1143.78372号
[28] 李，P。；约翰斯顿，H。；Krasny，R.，《屏蔽库仑相互作用的笛卡尔树码》，J.Compute。物理。，228, 10, 3858-3868 (2009) ·Zbl 1165.78304号
[29] Juffer，A。；博塔，E。；van Keulen，B。；van der Ploeg，A。；Berendsen，H.，《溶剂中大分子的电势：基本方法》，J.Compute。物理。，97, 144-171 (1991) ·Zbl 0743.65094号
[30] 陈，J。；Geng，W.，解边界积分Poisson-Boltzmann方程的自适应n体树码算法的并行计算，Lect。注释计算。科学。，9576, 1-9 (2015)
[31] 贝克，N.A。；9月，D。；霍尔斯特，M.J。；Mccammon，J.A.，大规模并行计算机上泊松-玻耳兹曼方程的自适应多级有限元解，IBM J.Res.Dev.，45，3-4，427-438（2001）
[32] Jurrus，E。；恩格尔，D。；Star，K。；Monson，K。；Brandi，J。；费尔伯格，L.E。；布鲁克斯，D.H。；威尔逊。；陈，J。；Liles，K。；Chun，M。；李，P。；戈哈拉，D.W。；多林斯基，T。；Konecny，R。；Koes，D.R。；尼尔森，J.E。；Head-Gordon，T。；Geng，W。；Krasny，R。；魏国伟。；霍尔斯特，M.J。；McCammon，J.A。；Baker，N.A.，APBS生物分子溶剂化软件套件的改进，蛋白质科学。，27, 112-128 (2018)
[33] 桑纳，M.F。；奥尔森·A·J。；Spehner，J.C.，《简化表面：计算分子表面的有效方法》，《生物聚合物》，38，305-320（1996）
[34] Yoon，B.J。；Lenhoff，A.M.，《具有电解质效应的分子静电的边界元法》，J.Compute。化学。，11, 9, 1080-1086 (1990)
[35] 梁，J。；Subranmaniam，S.，用边界元方法计算分子静电，生物物理学。J.，73，1830-1841（1997）
[36] Boschitsch，A.H。；M.O.芬利。；周，H.-X.，线性泊松-玻耳兹曼方程的快速边界元法，J.Phys。化学。B、 106、10、2741-2754（2002）
[37] 卢，B。；Cheng，X。；McCammon，J.A.，《一种新的快速多极方法加速了生物分子系统中的静电计算》，J.Compute。物理。，226, 2, 1348-1366 (2007) ·2007年11月11日
[38] 医学博士奥尔特曼。；Bardhan，J.P。；怀特，J.K。；Tidor，B.，使用带有弯曲边界元的线性化泊松-玻尔兹曼方程精确求解多区域连续生物分子静电问题，J.Compute。化学。，30, 1, 132-153 (2009)
[39] Greengard，L。；Gueyffier博士。；Martinsson，P.-G。；Rokhlin，V.，《复杂三维区域积分方程的快速直接求解器》，《数值学报》。，18，第005条pp.（2009）·兹比尔1176.65141
[40] 巴贾杰，C。；陈，S.-C。；Rand，A.，基于泊松-玻耳兹曼的分子静电学的高效高阶快速多极边界元解，SIAM J.Sci。计算。，33, 2, 826-848 (2011) ·Zbl 1227.92005年
[41] Geng，W.，利用曲面三角剖分对分子表面进行并行高阶边界积分静电计算，J.Compute。物理。，241, 253-265 (2013) ·Zbl 1349.78083号
[42] 张，B。；卢，B。；Cheng，X。；黄，J。；Pitsianis，N.P。；太阳，X。；McCammon，J.A.，自适应快速多极泊松-玻耳兹曼解算器的数学和数值方面，Commun。计算。物理。，13, 1, 107-128 (2013) ·Zbl 1373.78002号
[43] 孙，Q。；Klaseboer，E。；Chan，D.Y.C.，《分子静电和胶体静电的稳健准确配方》，J.Chem。物理。，145，5，第054106条pp.（2016）
[44] 钟，Y。；Ren，K。；Tsai，R.，计算溶剂中大分子电势的隐式边界积分方法，J.Compute。物理。，359, 199-215 (2018) ·Zbl 1383.78014号
[45] 戴维斯，M.E。；Madura，J.D。；Sines，J。；Luty，学士。；Allison，S.A。；McCammon，J.A.，《扩散控制酶反应》，《酶学方法》。，202, 473-497 (1991)
[46] 贝克，N.A。；9月，D。；约瑟夫·S。；霍尔斯特，M.J。；McCammon，J.A.，《纳米系统的静电：微管和核糖体的应用》，Proc。国家。阿卡德。科学。美国，9810037-10041（2001）
[47] 罗，R。；大卫·L。；Gilson，M.K.，《静态和动态系统的加速泊松-玻尔兹曼计算》，计算机杂志。化学。，23, 13, 1244-1253 (2002)
[48] 蔡，Q。；Wang，J。；香港赵。；罗，R.，《关于消除泊松-玻尔兹曼方程中的电荷奇异性》，J.Chem。物理。，130, 14 (2009)
[49] 陈，D。；陈，Z。；陈，C。；Geng，W。；Wei，G.W.，MIBPB：静电分析软件包，J.Compute。化学。，32, 657-670 (2011)
[50] 邓，W。；朱福，X。；徐，J。；赵，S.，非线性Poisson-Boltzmann方程的一种新的间断Galerkin方法，应用。数学。莱特。，257, 1000-1021 (2015)
[51] Ying，J。；Xie，D.，计算离子溶剂化生物分子静电的一种新的有限元和有限差分混合方法，J.Compute。物理。，298, 636-651 (2015) ·Zbl 1349.78103号
[52] Zauhar，R.J。；Morgan，R.S.，计算大分子电势的新方法，J.Mol.Biol。，186, 4, 815-820 (1985)
[53] 卢，B.Z。；周Y.C。；霍尔斯特，M.J。；McCammon，J.A.，生物物理应用中泊松-玻尔兹曼方程数值方法的最新进展，Commun。计算。物理。，3, 5, 973-1009 (2008) ·Zbl 1186.92005号
[54] Rocchia，W。；Sridharan，S。；Nicholls，A。；Alexov，E。；Chiabrera，A。；Honig，B.，《分子表面的快速网格构建和使用诱导表面电荷计算反应场能量：分子系统和几何物体的应用》，J.Compute。化学。，23, 1, 128-137 (2002)
[55] Hou，S。；Wang，W。；Wang，L.，求解具有锐边界面的矩阵系数椭圆方程的数值方法，J.Compute。物理。，229, 19, 7162-7179 (2010) ·Zbl 1197.65183号
[56] 李，Z。；Ji，H.等人。；Chen，X.，变系数椭圆界面问题的精确解和梯度计算，SIAM J.Numer。分析。，55, 2, 570-597 (2017) ·Zbl 1362.76037号
[57] Xie，D.，生物分子静电学计算中Poisson-Boltzmann方程的新解分解和最小化方案，J.Comput。物理。，275, 294-309 (2014) ·兹比尔1349.78077
[58] Wang，L。；Hou，S。；Shi，L.，求解三维三结点椭圆界面问题的数值方法，高级计算。数学。，44, 1, 175-193 (2018) ·Zbl 1382.65421号
[59] 卢，B。；Cheng，X。；黄，J。；McCammon，J.A.，生物分子系统静电相互作用计算的N阶算法，Proc。国家。阿卡德。科学。，103, 51, 19314-19319 (2006)
[60] 巴恩斯，J。；Hut，P.，《分层O（N log N）力计算算法》，《自然》，324，12，446-449（1986）
[61] 萨阿德，Y。；Schultz，M.，GMRES:求解非对称线性系统的广义最小残差算法，SIAM J.Sci。统计计算。，7, 3, 856-869 (1986) ·Zbl 0599.65018号
[62] 段，Z.-H。；Krasny，R.，用于计算经典分子系统中非键势能的自适应树码，J.Compute。化学。，22, 2, 184-195 (2001)
[63] Lindsay，K。；Krasny，R.，《三维流动中涡片运动的粒子方法和自适应树码》，J.Compute。物理。，172, 2, 879-907 (2001) ·Zbl 1002.76093号
[64] 布鲁克斯，B.R。；Bruccoleri，R.E。；奥拉夫森，B.D。；州，D。；Swaminathan，S。；Karplus，M.，CHARMM：高分子能量、最小化和动力学计算程序，J.Compute。化学。，4, 187-217 (1983)
[65] 多林斯基，T.J。；Czodrowski，P。；李，H。；尼尔森，J.E。；Jensen，J.H。；Klebe，G。；Baker，N.A.，PDB2PQR：为分子模拟扩展和升级生物分子结构的自动制备，《核酸研究》，35（2007）
[66] Holst，M.J.，《泊松-玻耳兹曼方程：分析和多层数值解》（1994），UIUC，博士论文
[67] Lehotzky，R.E。；Partch，C.L。；穆克吉，S。；现金，H.L。；Goldman，W.E。；加德纳，K.H。；Hooper，L.V.，杀菌凝集素识别肽聚糖的分子基础，Proc。国家。阿卡德。科学。，107, 17, 7722-7727 (2010)
[68] 穆克吉，S。；郑浩。；Derebe，M.G。；Callenberg，K.M。；Partch，C.L。；罗林斯，D。；Propheter，D.C。；Rizo，J。；格雷布，M。；蒋Q.-X。；Hooper，L.V.，一种成孔肠道C型凝集素的抗菌膜攻击，《自然》，505，103-107（2014年1月）
[69] Decherchi，S。；Rocchia，W.，一种用于纳米级三角剖分曲面的通用且稳健的基于光线投射的算法，《公共科学图书馆·综合》，第8期，第1-15页（2013年4月）
[70] 陈，M。；Lu，B.，Tmsmesh：使用跟踪技术生成分子表面网格的稳健方法，J.Chem。理论计算。，203-212年7月1日（2011年），PMID:26606233
[71] 刘，B。；王，B。；赵，R。；Tong，Y。；Wei，G.-W.，ESES：欧拉溶剂排除表面软件，J.Compute。化学。，38, 7, 446-466 (2017)
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