生物大分子静电势的计算机模拟

本项目结合分子连续模型的数值模拟方法对生物分子静电模拟进行研究和探索。由于静电相互作用力是分子间最主要的远程相互作用，生物分子的许多理化性质都与其静电势相关，因此分子静电模拟具有相当大的实用价值。PB静电模型目前是描述分子静电势较好的一个模型，基于该模型的数值求解技术已经有了很大发展，但仍然难以满足如分子动力学模拟这样的动态需求。本项目在node patch边界元和快速多极距方法的基础上研究线性Poisson Boltzmann方程的并行求解和高效的程序实现。对于node patch边界元计算，研究如何分解计算过程中主要的循环遍历任务，使其尽可能并行化以提高运行效率；对于快速多极距方法，研究如何通过电势计算的分层模型进行任务分解、不同层作业之间如何通信等。本项目研究可以在保持求解精确性的前提下提高生物分子静电模拟的效率和处理大体系分子结构的能力，为下一步运用于分子动力学的目标奠定了基础。

研究计划按原计划进行，我们研究了大分子静电模型及其求解方法，然后与其它物理模型结合取得了一些成果，新增加了Poisson-Nernst-Planck (PNP)方程模拟离子通道运输过程，以及通过Poisson-Boltzmann (PB)模型模拟自组织高聚物结构，计算方法也相应包含了边界元（BEM）方法，有限元（FEM）方法和（DFM）有限差分法。..首先，完成了聚电解质复合物静电求解器软件包IPEC(V 1.0)和IPEC(V 1.2)，其中第一个版本的程序和相关论文已经发表，最近刚完成的第二个版本针对前一个版本中关于链状线性高聚物的静电计算进行改进，使其在边界值非常大的情况下仍能够快速求解，相关内容已被收录到专著。其次，提出了模拟离子通过离子通道系统的并行自适应有限元模拟器：Ichannel，从模拟实验中可以得到包含了离子尺寸效应的SMPNP模型相对于PNP模型能有效的减少电流, 并且其模拟结果与布朗动力学（BD）模拟结果更加相近，相关论文和软件包也已经发表，此外为该模拟器开发的表面网格工具为我们后面三维Poisson-Boltzmann方程（PBE）边界元求解器提供条件。最后，基于三维PBE的边界元并行求解包也已经完成，为即将进行的聚合物胶束中的静电作用研究提供了基础。