Tiger Team Projects

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Tiger Team: tt-cpmd

Portierung, Anpassung und Optimierung von CPMD für den bwForCluster JUSTUS

Ausgehend von unseren Forschungsergebnissen im Bereich druckinduzierter Phasenübergänge von organischen Verbindungen (z.B. Biphenyl) [1], beabsichtigen wir die druckinduzierten Strukturveränderungen von Biomolekülen in wässriger Lösung zu untersuchen. Unser Augenmerk richtet sich zum Einen auf die Konformationsänderungen im Bereich der reaktiven Zentren von Enzymen. So ist unter anderem bekannt, dass physiologische Vorgänge bei Bewohnern der Tiefsee durch spezielle Enzyme geregelt sind, da die Enzyme der Oberfläche durch druckinduzierte Strukturveränderungen ihre Wirksamkeit verlieren. Andererseits möchten wir die Faltung des humanen Prionproteins bei erhöhtem Druck in wässriger Lösung untersuchen. Dieses Protein zeichnet unter anderem verantwortlich für die Entstehung der Creutzfeldt-Jacob Krankheit. Hochdruck NMR-Experimente [2] zeigen, dass sich die pathogene Faltung bei Drücken im MPa-Bereich verändert. Wir beabsichtigen, diese Veränderung genauer zu untersuchen und den nötigen Übergangsdruck zu berechnen. Erste Voruntersuchungen an Modelsubstanzen wie dem Tripeptid Glutathion oder Insulin zeigten, dass bei der Verwendung des quantenmechanischen Softwarepakets VASP die Anforderungen an die Rechenressourcen zu groß sind. So dauerte beispielsweise die Berechnung einer konvergierten Wellenfunktion im Fall des Insulins (ca. 3000 Atome) 120 Stunden auf 128 Prozessoren. Eine Strukturoptimierung des humanen Prions (ca. 5000 Atome) ist daher aussichtslos. Eine Verwendung von CPMD ist hier vorteilhaft, da nur im ersten Optimierungsschritt die vollständige Wellenfunktion berechnet werden muss. Darüber hinaus finden sich in Enzymen keine metallischen Strukturen, die eine Berechnung mit VASP notwendig machen würden. Für die zentrale Bereitstellung von CPMD wurde eine Vereinbarung mit dem Hersteller getroffen. Zusätzlich muss sich jeder Nutzer vor der Freischaltung persönlich auf der CPMD-Webseite registrieren. Mechanismen zur Absicherung der Software via SGID bzw. File-ACLs wurden entwickelt bzw. an die Software angepasst. Die CPMD Installation ist damit so abgesichert, dass eine Nutzung erst nach Freischaltung möglich ist. Die Optimierung des Programm-Binaries erfolgte mit den Mitteln der Intel Compiler Suite. Zur Fragestellung passende Beispiel-Inhalte stehen zur Verfügung und können als Ausgangspunkt für ähnliche Rechnungen dienen. Literatur: [1] Potzel O. and Taubmann G., PhysChemChemPhys, 15, 20288-10293, 2013. [2] Kachel N., Kremer W., Zahn R. and Kalbitzer H. R., BMC Struct Biol, 6, 16, 2006.

Mitglieder des Tiger-Teams: Institut für Theoretische Chemie, bwHPC-C5 Kompetenzzentrum für computergestützte Chemie, Universität Ulm

Status: abgeschlossen.