FPGA accelerator for protein structure prediction algorithm

Jain, Abhinav; Gambhir, Pulkit; Jindal, Priyanka; Balakrishnan, M.; Paul, Kolin

doi:10.1109/spl.2009.4914901

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“…Analysis of ProtPred and other methods for PSP have shown that the energy calculations are responsible for 99% of the total run time. The other 1% is used for initialization of population, genetic operations, writing of the results, and others.…”

Section: Genetic Algorithms For Protein Structure Predictionmentioning

confidence: 99%

Enhanced Van der Waals calculations in genetic algorithms for protein structure prediction

Bonetti

Delbem

Travieso³

et al. 2012

Concurrency and Computation

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SUMMARYSeveral ab initio computational methods for protein structure prediction have been designed using full‐atom models and force field potentials to describe interactions among atoms. Those methods involve the solution of a combinatorial problem with a huge search space. Genetic algorithms (GAs) have shown significant performance increases for such methods. However, even a small protein may require hundreds of thousands of energy function evaluations making GAs suitable only for the prediction of very small proteins. We propose an efficient technique to compute the van der Waals energy (the greatest contributor to protein stability) speeding up the whole GA. First, we developed a Cell‐List Reconstruction procedure that divides the tridimensional space into a cell grid for each new structure that the GA generates. The cells restrict the calculations of van der Waals potentials to ranges in which they are significant, reducing the complexity of such calculations from quadratic to linear. Moreover, the proposal also uses the structure of the cell grid to parallelize the computation of the van der Waals energy, achieving additional speedup. The results have shown a significant reduction in the run time required by a GA. For example, the run time for the prediction of a protein with 147,980 atoms can be reduced from 217 days to 7 h. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

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Section: Genetic Algorithms For Protein Structure Predictionmentioning

confidence: 99%

Enhanced Van der Waals calculations in genetic algorithms for protein structure prediction

Bonetti

Delbem

Travieso³

et al. 2012

Concurrency and Computation

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“…The interactions in the molecule can be represented by a matrix E. Since Eij = Eji, E is an upper triangular matrix. The computation time for both interaction energies corresponds to about 99% of the total EA execution time (Jain et al, 2009). It is therefore interesting to elaborate efficient algorithms and to use parallel processing wherever possible to reducing the total execution time.…”

Section: Computation Of Van Der Waals and Electrostatic Functionsmentioning

confidence: 99%

Some Modeling Issues for Protein Structure Prediction Using Evolutionary Algorithms

Lima¹,

Caliri²,

Silva³

et al. 2009

Evolutionary Computation

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“…Dentre o conjunto de funções de energia utilizadas pelo algoritmo, determinou-se empiricamente que o cálculo da energia de van der Waals e o cálculo da energia eletrostática representam em torno de 99% do tempo total utilizado no cálculo das funções. Isso também pode ser visto no recente trabalho de (Jain et al, 2009).…”

Section: Motivaçãounclassified

Aumento da eficiência do cálculo da energia de van der Waals em algoritmos genéticos para predição de estruturas de proteínas

Bonetti¹

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A todos os meus familiares que deram todo o tipo de apoio, em especial, meu pai, minha mãe e minha irmã, que acreditaram na realização deste trabalho. A minha namorada, Vanessa Cerignoni Benites, que esteve ao meu lado em todos os momentos, exercendo um papel especial na realização deste trabalho, apoiando-me de todas as maneiras possíveis garantindo que fosse possível desenvolver de forma agradável um trabalho com qualidade. Ao meu orientador prof. Alexandre Cláudio Botazzo Delbem, pelo apoio, amizade e enorme dedicação à este trabalho, o qual sempre esteve preocupado em realizar uma boa pesquisa e ao mesmo tempo garantir meu aprendizado. Ao prof. Paulo Sérgio Lopes de Souza, pela dedicação e oportunidade de compartilhar seus conhecimentos, fundamentais para este trabalho e o desenvolvimento intelectual. Ao prof. Gonzalo Travieso do IFSC, pela dedicação e grande contribuição para que fosse possível alcançar o objetivo deste trabalho. À amiga Telma Woerle de Lima, que contribuiu com a base deste trabalho, bem como mantevese disposta o tempo todo em esclarecer as eventuais dúvidas surgidas. Aos amigos do laboratório LCR, Bruno Franciscon Mazzotti e Francisco de Souza Junior, pela amizade e por estarem sempre dispostos a me ajudar em alguns processos de implementação. À Christiane Regina Soares Brasil, pela amizade e cooperação em algumas etapas deste trabalho. Ao amigo Paulo Henrique Ribeiro Gabriel, pela presença e amizade, ajudando no desenvolvimento do projeto. Ao Vinícius Veloso Melo, pela amizade e esclarecimentos de dúvidas que contribuíram para gerar os gráficos deste trabalho. Ao Felipe Brunelli de Andrade, por fornecer o ambiente de execução dos experimentos. Aos meus grandes amigos de Piracicaba, José Carlos Libardi Junior, Danilo Vendemiatti, Bruno Vêneri Neto, Adriano Spolidori e Larissa Cerignoni Benites, que me forneceram momentos de alegria em suas companhias. Aos pais da minha namorada, pela amizade e auxílio na permanência em São Carlos. Ao amigo William Oliveira, pelos momentos divertidos e de distração. Ao programa de pós-graduação do ICMC, pela oportunidade de participar deste mestrado. Aos funcionários do ICMC, pelo empenho em suas funções. Ao CNPq, pelo fundamental suporte financeiro destinado à execução desta pesquisa. Lista de Abreviaturas e Siglas ABP Algoritmo Básico Paralelo ABP-1 Algoritmo Básico Paralelo sem enviar átomos ABP-2 Algoritmo Básico Paralelo enviando átomos ABS Algoritmo Básico Sequencial ABSO Algoritmo Básico Sequencial Otimizado ACR Aproveitamento do Cálculo pela Recombinação AG Algoritmo Genético COF Cálculo Off-Line CRX Cristalografia de Raio-X DM Dinâmica Molecular G1 Grupo de 10 máquinas do cluster com processador AMD G2 Grupo de 4 máquinas do cluster com processador Intel LC Lista de Células LCP Lista de Células em Paralelo LCP-1 Lista de Células em Paralelo sem enviar átomos LCP-2 Lista de Células em Paralelo enviando átomos LCP-2a Lista de Células em Paralelo enviando todos os átomos LCP-2b Lista de Células em Paralelo enviando átomos específicos LCP-3 Lista de Cél...

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Some Modeling Issues for Protein Structure Prediction Using Evolutionary Algorithms

Aumento da eficiência do cálculo da energia de van der Waals em algoritmos genéticos para predição de estruturas de proteínas

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