Development of a molecular simulator and its application to the study of biomolecular dynamics

Abstract

Aquesta tesi tracta de la creació d'un nou programari de codi obert i d'una interfície de programació (API) per realitzar simulacions (bio) moleculars, així com de a la seva aplicació posterior a problemes biològics. El nou programa, Adun, es focalitza en les àrees clau del càlcul d'energies lliures, el desenvolupament ràpid de programari i la productivitat d'alt rendiment. Mètodes com SCAAS, EVB i Born generalitzat han estat implementats per tal d'assolir el primer objectiu. La presencia d'aquestes tècniques, a m´es d'altres, mostra la velocitat de desenvolupament d'Adun. Totes les característiques s´on accessibles mitjanant una interfície gràfica d'usuari avançada que proveeix de noves capacitats, com el tractament de dades integrat o la compartició de dades i de càlculs distribuïts. La capacitat d'Adun de tractar problemes biològics és il·lustrada amb la investigació de la dinàmica de la proteïna Ras i el desenvolupament, implementació i demostració d'un nou mètode per a la determinació de camins de transició. A més, per tal de demostrar el potencial del programa Adun, aquests estudis també proporcionen una visió avançada sobre l'ús de la informació dinàmica en determinar la unció de les proteïnes. L'estat actual del programa i els resultats dels dos estudis és, doncs, discutit, i es donen indicacions dels objectius i direccions futurs. Finalment s'examina el paper dels científics computacionals com desenvolupadors d'eines, per a ells mateixos o per a tota la comunitat científica.

This thesis deals with the creation of a new open-source program and API for biomolecular simulation and its subsequent application to biological problems. The program, Adun, focuses on the key areas of biological free-energy calculations, rapid development and highperformance productivity. Methods such as SCAAS, EVB and switched Generalised-Born have been implemented to realise the first aim. The presence of these techniques, along with a multitude of others, verifies Adun's rapid development potential. All these features are united by an advanced graphical user interface which provides novel capabilities such as inbuilt data management, and distributed datasharing and computation. Adun's ability to tackle biological problems is illustrated with an investigation of Ras dynamics and the development, implementation and testing of a novel method for determining transition paths. In addition to concretely demonstrating Adun's potential these studies also provide insight into the use of dynamic information in elucidating protein function. The current state of the program and the results of the two studies is discussed and indications of future aims and directions given. In addition the role of computational scientists as developers of tools, for themselves and the wider scientific community, is examined.