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耿伟华;罗伯特·克拉斯尼

用于溶剂化生物分子静电的树形加速边界积分Poisson-Boltzmann解算器。 （英语） Zbl 1349.78084号

J.计算。物理学。 247, 62-78 (2013).
摘要：我们提出了一个树加速边界积分（TABI）求解器，用于求解由线性泊松-玻尔兹曼方程描述的溶剂化生物分子的静电。该方法对分子表面上的静电势及其法向导数采用了条件良好的边界积分公式。曲面采用三角剖分，积分方程采用质心配置法离散。线性系统通过GMRES迭代求解，矩阵-向量乘积由笛卡尔树码实现，该树码将成本从\（O（N^2）\）降低到\（0（N\log N）\），其中\（N\）是三角剖分中的面数。TABI解算器用于计算两种情况下的静电溶剂化能，即柯克伍德球体和溶剂化蛋白质。我们给出了误差、CPU时间和内存使用情况，并比较了泊松-玻尔兹曼方程和泊松方程的结果。我们表明，树码近似误差可以小于离散化误差，并且我们比较了两种树码版本，一种是均匀簇，另一种是适应分子表面的非均匀簇。对于蛋白质测试案例，我们将TABI结果与使用基于网格的APBS代码获得的结果进行了比较，并且我们还提供了使用多达八个处理器的并行TABI模拟。我们发现，TABI求解器表现出良好的串行和并行性能，并结合了相对简单的实现、高效的内存使用和几何适应性。

引用于1审查
引用于39文件

MSC公司：

78M15型 边界元法在光学和电磁理论问题中的应用
65号38 偏微分方程边值问题的边界元方法
78A30 静电和磁力静力学
92C30型 生理学（一般）

关键词：

静电学;溶剂化生物分子;泊松-玻耳兹曼方程;边界积分方程;树码

软件：

塔比卜;MIBPB公司;APBS公司;TABI公司;HOT（热）;磁粉探伤;TMSmesh公司;供应商管理部;阿普斯梅姆;美国食品药品监督管理局;FFTSVD公司
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\textit{W.Geng}和\textit{R.Krasny}，J.Compute。物理学。247、62-78（2013年；Zbl 1349.78084）
全文： 内政部

参考文献：

[1] Honig，B。；Nicholls，A.，《生物和化学中的经典静电学》，《科学》，2681144-1149（1995）
[2] 张，Z。；威瑟姆，S。；Alexov，E.，《静电在蛋白质相互作用中的作用》，《物理学》。生物学，8035001（2011）
[3] 鲁克斯，B。；Simonson，T.，隐式溶剂模型，生物物理。化学。，78, 1-20 (1999)
[4] Feig，M。；Brooks，C.L.，生物分子模拟中隐式溶剂模型开发和应用的最新进展，Curr。操作。结构。《生物学》，14，217-224（2004）
[5] 克拉珀，I。；哈格斯特罗姆，R。；罚款，R。；夏普，K。；Honig，B.，聚焦Cu-Zn超氧化物歧化酶活性位点的电场：离子强度和氨基酸修饰的影响，蛋白质：结构。功能。遗传学。，1, 47-59 (1986)
[6] 戴维斯，M.E。；McCammon，J.A.，《生物分子结构和动力学中的静电学》，《化学》。修订版，90509-521（1990）
[7] Fogolari，F。；A.布里戈。；Molinari，H.，《生物分子静电的泊松-玻尔兹曼方程：结构生物学的工具》，J.Mol.Recognit。，15, 377-392 (2002)
[8] 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)
[9] 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，PLoS ONE，5，e12722（2010）
[10] 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）
[11] 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》，第15期，第137-143页（2005年）
[12] Chen，J.H。；布鲁克斯，C.L。；Khandogin，J.，生物分子模拟隐式溶剂法的最新进展，Curr。操作。结构。生物学，18，140-148（2008）
[13] Richards，F.M.，《面积、体积、包装和蛋白质结构》，《生物物理年鉴》。生物工程。，6, 151-176 (1977)
[14] Connolly，M.L.，《分子表面三角测量》，J.Appl。结晶器。，18, 499-505 (1985)
[15] 戴维斯，M.E。；Madura，J.D。；Luty，学士。；McCammon，J.A.，《溶液中分子的静电和扩散：休斯顿大学布朗动力学程序的模拟》，计算。物理学。社区。，62, 187-197 (1991)
[16] 我，W。；贝格洛夫，D。；Roux，B.，《连续溶剂化模型：从泊松-玻尔兹曼方程的数值解计算静电力》，计算。物理学。社区。，111, 59-75 (1998) ·兹比尔0935.78019
[17] 贝克，N。；霍尔斯特，M。；Wang，F.，泊松-玻耳兹曼方程的自适应多级有限元解：II。生物分子系统中溶剂可及表面的精细化，J.Comput。化学。，21, 1343-1352 (2000)
[18] 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，98，10037-10041（2001）
[19] 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，J.Compute。化学。，23, 1244-1253 (2002)
[20] Boschitsch，A.H。；Fenley，M.O.，基于自适应笛卡尔网格的快速鲁棒泊松-玻耳兹曼解算器，J.Chem。理论计算。，7, 1524-1540 (2011)
[21] 陈，D。；陈，Z。；Chen，C.J。；Geng，W.H。；Wei，G.W.，MIBPB：静电分析软件包，J.Compute。化学。，32, 756-770 (2011)
[22] 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
[23] 巴拉德瓦吉，R。；文德姆特，A。；Sridharan，S。；Honig，B。；Nicholls，A.，《分子静电的快速多极边界元法：大型系统的最佳方法》，J.Compute。化学。，16, 898-913 (1995)
[24] 梁，J。；Subramaniam，S.，用边界元方法计算分子静电，生物物理学。J.，73，1830-1841（1997）
[25] Boschitsch，A.H。；芬利，M.O。；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、 1062741-2754（2002）
[26] 医学博士奥尔特曼。；Bardhan，J.P。；潮汐，B。；White，J.K.，FFTSVD：适用于生物-MEMS和生物分子模拟的快速多尺度边界元方法求解器，IEEE Trans。计算-援助。设计。集成。循环。系统。，25, 274-284 (2006)
[27] 南卡罗来纳州格兰迪逊。；Penfold，R。；Vanden-Broeck，J.-M.，《蛋白质静电的快速边界积分方程技术》，J.Compute。物理。，224, 663-680 (2007) ·Zbl 1123.78010号
[28] 卢，B.Z。；Cheng，X。；McCamon，J.A.，“新版快速多极方法”，生物分子系统中的加速静电计算，J.Comput。物理。，226, 1348-1366 (2007) ·2007年11月11日
[29] Bardhan，J.P.，分子静电边界积分方程的数值解，J.Chem。物理。，130, 094102 (2009)
[30] 格林加德。；Gueyffer，D。；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》。，243-275 (2009) ·Zbl 1176.65141号
[31] 卢，B.Z。；Cheng，X。；黄J.F。；McCammon，J.A.，AFMPB：用于计算生物分子系统静电的自适应快速多极泊松-玻尔兹曼解算器，计算。物理学。社区。，181, 1150-1160 (2010) ·Zbl 1220.78002号
[32] 巴贾杰，C。；Chen，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, 826-848 (2011) ·Zbl 1227.92005年
[33] 横田，R。；Bardhan，J.P。；Knepley，M.G。；巴巴，洛杉矶。；Hamada，T.，《生物分子静电学》，使用快速多极边界元法在512 GPUS和10亿未知量上进行计算。物理学。社区。，1821272-1283（2011年）·Zbl 1259.78044号
[34] 张，B。；卢，B.Z。；Cheng，X。；黄J.F。；皮特西亚尼斯，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, 107-128 (2013) ·Zbl 1373.78002号
[35] 乔，Z.H。；Li，Z.L。；Tang，T.，求解非线性Poisson-Boltzmann方程模拟带电球体的有限差分格式，J.Compute。数学。，24, 252-264 (2006) ·Zbl 1105.78015号
[36] Yu，S.N。；Geng，W.H。；Wei，G.W.，隐式溶剂模型中几何奇点的处理，化学杂志。物理。，126, 244108 (2007)
[37] 周Y.C。；Feig，M。；Wei，G.W.，《连续介质环境中的高精度生物分子静电学》，J.Compute。化学。，29, 87-97 (2008)
[38] Geng，W.H。；Wei，G.W.，使用匹配界面和边界方法的多尺度分子动力学，J.Compute。物理。，230, 435-457 (2011) ·Zbl 1246.82028号
[39] Geng，W.H。；Yu，S.N。；Wei，G.W.，隐式溶剂模型中电荷奇异性的处理，J.Chem。物理。，127, 114106 (2007)
[40] 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, 145101 (2009)
[41] 格林加德。；Rokhlin，V.，《粒子模拟的快速算法》，J.Comput。物理。，73, 325-348 (1987) ·Zbl 0629.65005号
[42] Cheng，H。；格林加德。；Rokhlin，V.，三维快速自适应多极算法，J.Compute。物理。，155, 468-498 (1999) ·Zbl 0937.65126号
[43] 格林加德。；Huang，J.F.，三维屏蔽库仑相互作用的快速多极方法的新版本，J.Compute。物理。，180, 642-658 (2002) ·Zbl 1143.78372号
[44] 萨阿德，Y。；Schultz，M.H.，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。，7856-859（1986年）·Zbl 0599.65018号
[45] Bardhan，J.P。；医学博士奥尔特曼。；Willis，D.J。；李波，S.M。；潮汐，B。；White，J.K.，分子-固体界面曲元离散的数值积分技术，J.Chem。物理。，127, 014701 (2007)
[46] Golberg，医学硕士。；Chen，C.S.，积分方程的离散投影方法（1997），计算力学出版物：计算力学出版物，英国南安普敦·Zbl 0900.65384号
[47] 巴恩斯，J。；Hut，P.，《一种分层的（O（N\log N）力计算算法》，《自然》，32446-449（1986）
[48] 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, 184-195 (2001)
[49] 林赛，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, 879-907 (2001) ·Zbl 1002.76093号
[50] 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, 3858-3868 (2009) ·Zbl 1165.78304号
[51] 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）
[54] Kirkwood，J.G.，含有广泛分离电荷的分子溶液理论，两性离子的特殊应用，J.Chem。物理。，7, 351-361 (1934) ·Zbl 0009.27504号
[55] Briercheck，D.M。；木材，T.C。；Allison，T.J。；理查德森，J.P。；Rule，G.S.，RNA结合域的NMR结构大肠杆菌rho因子提示可能的RNA-蛋白相互作用，Nat.Struct。生物学，5393-399（1998）
[57] MacKerell，A.D。；Bashford，D。；贝洛特，M。；邓布雷克，J.D。；Evanseck，M.J。；菲尔德，M.J。；费舍尔，S。；高杰。；郭，H。；哈，S。；约瑟夫·麦卡锡，D。；库奇尼尔。；库泽拉，K。；Lau，F.T.K。；马托斯，C。；米奇纳克，S。；Ngo，T。；Nguyen，D.T。；普罗霍姆，B。；Reiher，W.E。；鲁克斯，B。；Schlenkrich，M。；Smith，J.C。；斯托特，R。；斯特劳布，J。；渡边，M。；Wiorkiewicz-Kuczera，J。；尹，D。；Karplus，M.，蛋白质分子建模和动力学研究的全原子经验潜力，J.Phys。化学。B、 102、3586-3616（1998）
[59] 汉弗莱，W。；Dalke，A。；Schulten，K.，VMD-可视分子动力学，J.摩尔图。，14, 33-38 (1996)
[60] 沃伦，M.S。；Salmon，J.K.，便携式并行粒子程序，计算。物理学。社区。，87, 266-290 (1995) ·Zbl 0923.76191号
[61] 格拉玛，A。；库马尔，V。；Sameh，A.，Barnes-Hut方法用于（n）-体模拟的可扩展并行公式，并行计算。，24, 797-822 (1998) ·Zbl 0909.68219号
[62] Marzouk，Y.M。；Ghoniem，A.F.，K-means集群，用于并行层次化N体仿真的优化分区和动态负载平衡，J.Compute。物理。，207, 493-528 (2005) ·Zbl 1176.70005号
[63] 温克尔，M。；斯佩克，R。；Hübner，H。；阿诺德，L。；克劳斯，R。；Gibbon，P.，用于极端规模\（N\）身体模拟的大规模并行、多学科Barnes Hut树代码，Comput。物理学。社区。，183, 880-889 (2012)
[64] Smith，W.，超立方体并行计算机上的分子动力学，计算。物理学。社区。，62, 229-248 (1991)
[65] 刘，D。；段，Z.-H。；Krasny，R。；Zhu，J.，树码Ewald方法的并行实现，（第18届国际并行和分布式处理研讨会论文集（2004），IEEE计算机学会出版社：IEEE计算机协会出版社，新墨西哥州圣菲）
[66] 格罗普，W。；Lusk，E。；Skjellum，A.，《使用MPI：具有消息传递接口的可移植并行编程》（1994年），麻省理工学院出版社：麻省剑桥
[67] Geng，W.H.，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。，241253-265（2013）·Zbl 1349.78083号
[68] 贝茨，P.W。；魏国伟。；Zhao，S.，最小分子表面及其应用，J.Compute。化学。，29, 380-391 (2008)
[69] 于，Z。；霍尔斯特，M.J。；Cheng，Y。；McCammon，J.A.，《分子形状建模和模拟的特征保持自适应网格生成》，J.Mol.Graph。型号。，26, 1370-1380 (2008)
[70] 巴贾杰，C.L。；徐，G。；张琪，构建分辨率自适应（C^2）光滑分子表面的快速变分方法，计算。方法应用。机械。工程，1981684-1690（2009）·Zbl 1227.74106号
[72] Chen，M.X。；Lu，B.Z.，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。，7, 203-212 (2011)
[73] Cramer，C.J。；Truhlar，D.G.，《隐含溶剂化模型：平衡、结构、光谱和动力学》，《化学》。修订版，99，2161-2200（1999）
[74] 奇普曼，D.M.，线性化泊松-玻尔兹曼方程的解，化学杂志。物理。，120, 5566-5575 (2004)
[75] 托马西，J。；Mennucci，B。；Cammi，R.，量子力学连续溶剂化模型，化学。版本105，2999-3093（2005）
[76] Lange，A.W。；Herbert，J.M.，《电解质溶液的简单极化连续溶剂化模型》，J.Chem。物理。，134204110（2011年）
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