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陆旭峰, 陆振宇, 梅向东, 孔韧, 常珊.基于CPU和GPU异构的蛋白质分子半柔性对接算法优化[J].数据采集与处理,2018,33(4):603-610
基于CPU和GPU异构的蛋白质分子半柔性对接算法优化
Optimization of Semi Flexible Docking Algorithm for Protein Molecules Based on CPU and GPU Heterogeneous
投稿时间:2018-02-09  修订日期:2018-05-09
DOI:10.16337/j.1004-9037.2018.04.004
中文关键词:  蛋白质  半柔性  分子对接  CPU  GPU
英文关键词:protein  semi flexible  molecular docking  CPU  GPU
基金项目:NSFC-广东联合基金(第二期)超级计算科学应用研究专项资助项目;国家自然科学基金(11647146,81603152)资助项目;江苏省六大人才高峰(2016-XYDXXJS-020)资助项目;江苏省产学研前瞻(BY2016030-06)资助项目;江苏省研究生科研与实践创新计划(SJCX17_0747)资助项目;江苏省研究生科研与实践创新计划(SJCX17_0748)资助项目。
作者单位E-mail
陆旭峰1, 陆振宇1, 梅向东2, 孔韧1, 常珊1 1. 江苏理工学院电气信息工程学院生物信息与医药工程研究所, 常州, 213001

2. 江苏赞奇科技股份有限公司
, 常州, 213022 
schang@jsut.edu.cn 
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中文摘要:
      分子对接是预测蛋白质复合物的有效手段。对于分子对接算法的优化旨在加速分子对接效率,降低计算成本,以及充分发挥计算资源的利用率。本文主要采用3个方案对半柔性对接算法进行优化:(1)方案一在CPU端进行优化;(2)方案二在方案一的基础上,利用CUFFT的移植工具CUFFTW为方案一提供部分GPU并行接口;(3)方案三利用GPU并行架构,通过CPU和GPU的协同处理,利用纯并行计算接口进行优化。3种方案对PDB code分别为1PEE,1B6C,4HX3和2SNI的测试蛋白进行结合态和自由态的对接,求得的最小均方根偏差LRMSD小于5 Å,满足了复合物结构预测竞赛要求的中等精度结构标准,验证了对接结果的正确性。最后在保证结果正确性的前提下,测试了不同蛋白在不同方案下的运行速率;在保证不同蛋白对接效率相同的前提下,以1PPE为例,比较了不同方案下的对接速率。实验结果表明在同等旋转步长并保证程序运行结果正确性的前提下,最终的优化效果可提速近10倍,有效改进了半柔性对接算法的运行速率。
英文摘要:
      Molecular docking is an effective method to predict protein complexes. The optimization of molecular docking algorithm is aimed at accelerating the efficiency of molecular docking, reducing the computational cost, and making full use of computer resources. This paper mainly optimizes the semi flexible docking algorithm using three schemes:(1) The first scheme is optimized on the CPU side. (2) The second scheme, on the base of the first scheme, uses the CUFFT transplantation tool CUFFTW to provide partial GPU parallel interface for the solution. (3) The third scheme is based on the compute unified device architecture (CUDA) parallel structure, which is achieved by a pure CUDA interface and the coordinated operation of CPU and GPU. The three schemes use four different proteins to test the bound docking and unbound docking. The proteins' PDB code is 1PEE, 1B6C, 4HX3 and 2SNI, respectively. The correctness of test is verified based on the minimum root mean square deviation LRMSD, and its value is less than 5 Å, which satisfies the CAPRI medium precision structural standard. Then, under the premise of ensuring the correctness of the results, the running speed of different proteins under different schemes is tested. Finally, under the premise of ensuring the same efficiency of different protein docking, we take 1PPE as the final object to point out the rate of docking under different schemes. Experimental results show that under the same rotation step and the correctness of the program, the final optimization effect can increase the speed of the algorithm by nearly 10 times, thus greatly improving the speed of the algorithm.
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