Algoritmo de filtrado de átomos y cálculo acelerado por GPU de imágenes de microscopía de fuerza atómica de simulación
Autores: Amyot, Romain; Kodera, Noriyuki; Flechsig, Holger
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Algoritmo de filtrado de átomos y cálculo acelerado por GPU de imágenes de microscopía de fuerza atómica de simulación
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería de Software
Palabras clave
Simulación
Microscopía de fuerza atómica
AFM
Estructura biomolecular
Computacional
Imágenes topográficas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 29
Citaciones: Sin citaciones
La simulación de microscopía de fuerza atómica (AFM) emula computacionalmente el escaneo experimental de una estructura biomolecular para producir imágenes topográficas que pueden correlacionarse con imágenes medidas. Su aplicación a la enorme cantidad de estructuras de alta resolución disponibles, así como a datos de modelado de dinámica molecular, facilita la interpretación cuantitativa de observaciones experimentales inferiendo información atómica a partir de topografías medidas limitadas en resolución. La computación necesaria para generar una imagen simulada de AFM generalmente incluye el cálculo de contactos entre la punta de escaneo y todos los átomos de la estructura biomolecular. Sin embargo, dado que solo son relevantes los contactos con átomos de la superficie, un método de filtrado mejorará significativamente la eficiencia de las computaciones de AFM simuladas. En este informe, abordamos este problema y presentamos una solución elegante basada en cálculos de unidades de procesamiento gráfico (GPU) que acelera significativamente la computación de imágenes de AFM simuladas. Este método no solo permite la visualización de estructuras biomoleculares combinadas con el cálculo sincronizado ultrarrápido y la representación gráfica de las imágenes de AFM simuladas correspondientes (AFM de simulación en vivo), sino que, como demostramos, también puede reducir el esfuerzo computacional durante el ajuste automatizado de estructuras atómicas en las topografías de AFM medidas en órdenes de magnitud. Por lo tanto, el método desarrollado jugará un papel importante en el análisis computacional postexperimental que involucra AFM simulada, incluidas las aplicaciones esperadas en enfoques de aprendizaje automático. La implementación se realiza en nuestro paquete de software BioAFMviewer (ver. 3) para AFM simulada de estructuras y dinámica biomoleculares.
Descripción
La simulación de microscopía de fuerza atómica (AFM) emula computacionalmente el escaneo experimental de una estructura biomolecular para producir imágenes topográficas que pueden correlacionarse con imágenes medidas. Su aplicación a la enorme cantidad de estructuras de alta resolución disponibles, así como a datos de modelado de dinámica molecular, facilita la interpretación cuantitativa de observaciones experimentales inferiendo información atómica a partir de topografías medidas limitadas en resolución. La computación necesaria para generar una imagen simulada de AFM generalmente incluye el cálculo de contactos entre la punta de escaneo y todos los átomos de la estructura biomolecular. Sin embargo, dado que solo son relevantes los contactos con átomos de la superficie, un método de filtrado mejorará significativamente la eficiencia de las computaciones de AFM simuladas. En este informe, abordamos este problema y presentamos una solución elegante basada en cálculos de unidades de procesamiento gráfico (GPU) que acelera significativamente la computación de imágenes de AFM simuladas. Este método no solo permite la visualización de estructuras biomoleculares combinadas con el cálculo sincronizado ultrarrápido y la representación gráfica de las imágenes de AFM simuladas correspondientes (AFM de simulación en vivo), sino que, como demostramos, también puede reducir el esfuerzo computacional durante el ajuste automatizado de estructuras atómicas en las topografías de AFM medidas en órdenes de magnitud. Por lo tanto, el método desarrollado jugará un papel importante en el análisis computacional postexperimental que involucra AFM simulada, incluidas las aplicaciones esperadas en enfoques de aprendizaje automático. La implementación se realiza en nuestro paquete de software BioAFMviewer (ver. 3) para AFM simulada de estructuras y dinámica biomoleculares.