초록 ▼

□ 연구개요
생명현상의 기본 단위인 생체고분자의 기능적 구조변형은 최소 마이크로에서 밀리 시간스케일 범주에서 발생하는 현상임에도 불구하고 컴퓨터 계산량의 한계로 기존 분자동역학 시뮬레이션으로는 주로 국소적인 구조변형에 대해 나노 시간스케일의 초기 현상 분석만 이루어짐.
현재까지도 생체고분자에 대한 장시간·대변형 분석은 슈퍼컴퓨터를 이용해야만 진행될 수 있을 만큼 컴퓨터 계산량의 문제는 분자동역학 시뮬레이션이 개발된 이래로 항상 내재되어 있던 문제이며, 이를 극복하기 위해서 근본적으로 새로운 해석 방법론의 개발이 요구되는

□ 연구개요
생명현상의 기본 단위인 생체고분자의 기능적 구조변형은 최소 마이크로에서 밀리 시간스케일 범주에서 발생하는 현상임에도 불구하고 컴퓨터 계산량의 한계로 기존 분자동역학 시뮬레이션으로는 주로 국소적인 구조변형에 대해 나노 시간스케일의 초기 현상 분석만 이루어짐.
현재까지도 생체고분자에 대한 장시간·대변형 분석은 슈퍼컴퓨터를 이용해야만 진행될 수 있을 만큼 컴퓨터 계산량의 문제는 분자동역학 시뮬레이션이 개발된 이래로 항상 내재되어 있던 문제이며, 이를 극복하기 위해서 근본적으로 새로운 해석 방법론의 개발이 요구되는 실정임.
따라서 본 연구에서는 본드 부스트 기법을 기반으로 생체고분자의 구조 특성을 반영한 최적의 가속포텐셜을 정의하고, 이를 기존 분자동역학 시뮬레이션에 탑재하여 가속시뮬레이션 기법을 개발하고자 함. 이를 통해 컴퓨터 계산량을 급격하게 줄임으로써 일반 서버급 컴퓨터만으로도 장시간(마이크로초 이상) /대변형(RMSD > 5Å) 시뮬레이션이 가능하도록 구현하고자 함.

□ 연구 목표대비 연구결과
기법 개발
- 생체고분자 구조에 따른 최적 가속포텐셜을 단백질의 구조 변화에 가장 큰 역할을 수행하는 dihedral angle에 대한 함수로 정의하였으며, dihedral angle의 변화 및 분포를 기반으로 가속포텐셜 내의 각종 변수들 (가속포텐셜의 최대값, 임계값 등)을 새롭게 정의함.
- 개발된 최적의 가속포텐셜을 분자동역학 시뮬레이션 서브루틴으로 탑재하기 위해 dihedral angle을 구성하는 각각의 입자들이 받는 힘 벡터를 수식적으로 유도하였으며 이를 central differential 결과와 상호 비교하여 검증하였음. 이후 코딩 작업을 통해 검증된 수식을 분자동역학 시뮬레이션 패키지인 LAMMPS에 서브루틴으로 탑재하였음.

기법 검증
- 탑재된 가속포텐셜을 검증하기 위해 Chignolin 단백질 구조 변화에 대한 벤치마크 테스크 결과 기존 분자동역학 시뮬레이션과 동일한 언폴딩 과정을 나타냄에도 불구하고 계산 속도가 약 10배 가량 향상된 것을 확인할 수 있었음.

□ 연구개발결과의 중요성
- 제안된 가속분자동역학 기법에서는 에너지 장벽을 극복하기 위해 추가 포텐셜을 가함으로써 계산량을 획기적으로 감소시키는 동시에 임계값 q를 통해 에너지 장벽의 크기는 직접적으로 변화 시키지 않음으로써 해석 결과의 물리적 신뢰성도 확보하고자 함. 해석시간 단축은 곧 잉여 컴퓨팅 자원의 확보를 의미하므로 향후 생체고분자 장시간 시뮬레이션뿐만 아니라 대규모 시스템 해석에도 크게 기여할 수 있을 것이라 사료됨.
- 개발된 가속분자동역학 기법은 기존 분자동역학 시뮬레이션의 시간적·공간적 한계를 극복함으로써 비단 생체고분자 해석연구뿐만 아니라 나노기술, 재료과학 등 원자수준에서의 해석을 필요로 하는 다양한 학문 분야에서도 범용적으로 활용 가능하므로 기술 개발에 따른 파급 효과가 상당함.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 연구개발의 필요성 ... 4
• 1-2. 연구개발의 개요 ... 4
• 1-3. 연구범위 ... 4
• 1-4. 최종연구목표 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• 2-1. 본드 부스트 기법을 생체고분자에 적용하기 위한 최적화 진행 ... 5
• 2-2. 가속포텐셜에 따른 힘 수식유도 및 검증 ... 6
• 2-3. AMD 기법을 LAMMPS 내 서브루틴으로 탑재 ... 6
• 2-4. 단백질 폴딩 벤치마크 테스트를 통한 서브루틴 검증 및 성과 ... 7
• 2-5. 공동연구 진행 결과 및 추후 연구 계획 ... 8
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 3-1. 연구개발결과의 의미 ... 8
• 3-2. 연구개발결과의 중요성 ... 8
• 4. 참고문헌 ... 9
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 11