[논문]복셀맵을 기반으로 한 분자 간 상호작용 인터페이스의 계산

최지훈; 김병주; 김구진

초록
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본 논문에서는 단백질 분자 간의 인터페이스를 계산하는 알고리즘을 제안한다. 분자가 반데르바스 (van der Waals) 반경을 갖는 구의 집합으로 표현될 때, 공간 상의 한 점 p로부터 분자까지의 거리는 p로부터 가장 가까운 구까지의 거리에 대응한다. 분자 인터페이스는 두 개의 분자에 대해 같은 거리에 있는 점들로 구성된다. 제안된 알고리즘은 공간을 복셀의 집합로 분할한뒤, 각 복셀을 지나는 구의 위치 정보를 저장하여 복셀맵 (voxel map)을 구성하였다. 복셀맵을 이용하여 한 점으로부터 분자까지의 거리를 계산하며, GPU (graphic processor unit)를 이용하여 병렬처리를 수행함으로써 효율적으로 인터페이스를 근사한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a method to compute the interface between protein molecules. When a molecules is represented as a set of spheres with van der Waals radii, the distance from a spatial point p to the molecule corresponds to the distance from p to the closet sphere. The molecular interface is...

In this paper, we propose a method to compute the interface between protein molecules. When a molecules is represented as a set of spheres with van der Waals radii, the distance from a spatial point p to the molecule corresponds to the distance from p to the closet sphere. The molecular interface is composed of equi-distant points from two molecules. Our algorithm decomposes the space into a set of voxels, and then constructs a voxel map by storing the information of spheres intersecting each voxel. By using the voxel map, we compute the distance between a point and the molecule. We also use GPU for the parallel processing, and efficiently approximate the interface of a pair of molecules.

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AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 복셀맵을 이용하여 단백질 분자 쌍에 대한 인터페이스를 계산하는 알고리즘을 제시하였다. 제안된 방법은 GPU를 활용한 병렬처리를 수행하여 효율적으로인터페 이스를 계산하였다.
본 논문에서는 분자 간의 인터페이스를 발견하는 효율적인 알고리즘을 제 안한다. 분자 간의 상호작용은 서로 다른 분자에 속해 있으면서 가장 가까운 영역에 있는 원자들에서 발생할 수 있다.

제안 방법

격자 형태는 정확도 측면에서 오차가 많고, 트리 형태는 트리의 차수(degree) 및 깊이(depth)가 커서 포인터를 사용해 야 한다는 한계점으로 인해 CUDA 기반의 병 렬처리를 수행하기에 부적합하다. 본 논문에서는 포인터의 사용이 필요하지 않고, 병렬처리에 효과적이면서 오차가 적은 계산 결과를 얻을 수 있는 복셀맵 자료구조를 이용하여 분자를 표현한다.
분자 인터페이스를 효율적으로 계산하기 위해서는 공간 상의 점으로부터 분자까지의 거리계산이 효율적으로 수행되 어야 한다. 이를 위해 공간을 복 셀로 분할하고, 각 복셀을 지나는 구의 정보를 저장하여 복 셀 맵을 구성한다. 또한, GPU 를 활용하는 CUDA 프로그램을 이용하여 공간 상의 각 점과 분자 간의 거리를 병렬로 계산함으로써 효율적으로 분자 인터페 이스를 추출한다.
이를 위해 공간을 복 셀로 분할하고, 각 복셀을 지나는 구의 정보를 저장하여 복 셀 맵을 구성한다. 또한, GPU 를 활용하는 CUDA 프로그램을 이용하여 공간 상의 각 점과 분자 간의 거리를 병렬로 계산함으로써 효율적으로 분자 인터페 이스를 추출한다.
효율적으로 계 산할 수 있다. 복셀맵 구조에서 효율적으로 최소 거리를 계산하기 위해 점 p 가속한 복셀 * 를 포함하여 * 와이웃하고 있는 복셀들에 대해 차츰 범위를 넓혀가며 탐색한다. 복셀에 포함된 원자마다 p까지의 거리를 계산하는데, 만약 어떤 원자에 대한 거리 d가 이전에 구한 秫讷按加보다 작으면 d를 새로운 min_diste 결정한다.
C는 인터페이스를 구성하기 위해 소요된 계산 시간을 의미 한다. 기존 연구와의 비교를 위해 Seong 등 [7] 이제 시한 방법을 구현하여 실험한 결과도 함께 제시한다. 공간을 2山개의 복셀로 분할할 경우 본 논문에서 제안한 방법은 CPU 기반으로 우수한 성능을 보여주는 [기의 방법보다 평균 4.
제안된 방법은 GPU를 활용한 병렬처리를 수행하여 효율적으로인터페 이스를 계산하였다. 공간을 2修개의 복셀로 분할할 경우 실험을 통해 평균적으로 50ms 내외로 인터페이스를 계산하는 빠른 속도를 보였다.

이론/모형

본 논문에서 제안한 알고리 즘은 GPU 기 반의 marching cube 알고리즘 (http://developec.nvidia.com/cuda-toolkit-sdk)을 적용하여 분자 간의 인터페이스를 계산하였으며, 알고리즘 3에 알고리즘을 제시 한다.

성능/효과

기존 연구와의 비교를 위해 Seong 등 [7] 이제 시한 방법을 구현하여 실험한 결과도 함께 제시한다. 공간을 2山개의 복셀로 분할할 경우 본 논문에서 제안한 방법은 CPU 기반으로 우수한 성능을 보여주는 [기의 방법보다 평균 4.75배 가량 개선된 성능을 보인다. 공간을 2”개의 복셀로 분할할 경우에는 본 논문에서 제안한 방법이 [기의 방법보다 평균 8.
75배 가량 개선된 성능을 보인다. 공간을 2”개의 복셀로 분할할 경우에는 본 논문에서 제안한 방법이 [기의 방법보다 평균 8.11 배 가량 개선된 성능을 보인다. 그림 1에서는다양한분자쌍에 대해 분자 인터페이스를 계산한 예를 보인다.
제안된 방법은 GPU를 활용한 병렬처리를 수행하여 효율적으로인터페 이스를 계산하였다. 공간을 2修개의 복셀로 분할할 경우 실험을 통해 평균적으로 50ms 내외로 인터페이스를 계산하는 빠른 속도를 보였다.

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