超算安腾助力,分子动力学迎来发展新篇章!

   发布时间:2024-10-22 10:42 作者:陆辰风

在物理学的浩瀚星空中,一项关于硬球体系统行为的探索曾引发广泛争议。1957年,加州大学利弗莫尔实验室的物理学家Berni Alder,对这一问题展开了深入思考。主流观点认为,固体存在的基础是分子间的吸引力,但Alder却通过一种全新的研究路径——分子动力学方法,提出了不同见解。

Alder与其同事Thomas Wainwright,在IBM 704计算机上模拟了硬球体系统的碰撞及状态变化,发现系统压缩时,硬球体会从液体转变为固体。他们证实,硬球分子间并无吸引力,冻结导致系统熵最大化,而非能量最小化。

这一创举被视为首次成功使用计算机模拟多粒子系统动力学,为后续物理学、生物学和化学等领域的研究开辟了新路径。分子动力学方法,这一粒子运动的“显微镜”,通过计算预测系统行为,成为连接理论与实验的桥梁。

分子动力学兼具预测与解释的双重性质,既能为实验提供可能性分析,也能解释实验现象、探讨过程机理。经过几十年发展,分子动力学模拟技术已逐渐成熟,从简单模型升级到复杂模型,成为科研利器。

然而,分子动力学在产业落地方面却面临计算效率的瓶颈。为了与自然过程的动力学相匹配,模拟时间跨度需足够长,但计算机算力有限,必须在模拟体系大小、时间步长和总持续时间上做出限制。这成为分子动力学技术迈向产业落地的拦路虎。

就在此时,金融量化领域的大牛David E. Shaw转身投入生物计算事业,于2007年发明出分子动力学模拟加速专用超级计算机——Anton(安腾)。它以3-4个数量级的加速比,更快地计算模拟更大体系规模、更长模拟时长的生物大分子运动。

超算安腾采用深度定制的ASIC芯片和紧密排列的服务器,提高节点间通讯效率,专为加速分子动力学模拟计算而生。它的问世,破解了多年来分子动力学模拟的计算效率难题,推动了分子动力学的产业化应用,尤其在药物研发行业显示了巨大市场潜力。

在超算安腾的帮助下,Relay Therapeutics公司成功确定了一款用于治疗胆管癌的抑制剂药物RLY-4008的结构。他们利用安腾重塑新药研发技术手段,把对蛋白质靶点的认识从静态图转变为动态影像,提出“基于运动的药物设计”新范式。

这款新药的发现仅花费了18个月、不到1亿美金,极大地缩短了药物研发过程中的投入时间与成本。超算安腾的出现,不仅验证了Alder和Wainwright五十年前的预测,也为分子动力学的发展指明了重要路径。

 
 
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