Alessandro Venturini* e Stefano Ottani ISOF – CNR Area della Ricerca di Bologna

CNR Consiglio Nazionale delle Ricerche 11 Dipartimenti Dipartimento Progettazione Molecolare 7 Progetti Progetto 7 Modelling predittivo delle funzionalità in sistemi nanostrutturati di interesse biologico e tecnologico

Serve: Ad interpretare e comprendere i dati sperimentali. A fare previsioni sulla reattività e sulle proprietà di molecole ancora non note e a progettare la sintesi di nuove specie chimiche. A confrontare e verificare i modelli teorici in senso più vasto. La chimica computazionale è la branca della chimica teorica che si occupa dello sviluppo di modelli matematici, basati sia sulla meccanica classica che sulla meccanica quantistica, in grado di simulare sistemi chimici, con lo scopo di calcolarne le grandezze fisiche caratteristiche e prevederne le proprietà chimiche Che cosa è la Chimica Computazionale?

Le grandezze che si possono calcolare sono ad esempio: Superfici di energia potenziale Grandezze termodinamiche Grandezze cinetiche Spettro NMR Spettro EPR Spettro IR Spettro rotazionale Affinità elettronica Energia di ionizzazione Spettri XAS, sia EXAFS sia XANES Il supporto teorico per la formulazione dei modelli matematici è pronto dall’ inizio del XX secolo, però il grande sviluppo della chimica computazionale si è avuto solo negli ultimi 30 anni, perché si è iniziato a disporre di sistemi hardware sufficientemente potenti. Velocità e memoria determinano la possibilità di eseguire simulazioni in tempi ragionevoli.

Ieri Calcoli di routine: Oggi MetanoDNA

Membrane Cellulari

Biosensors Embedding in a lipid bilayer Bioengineered receptor is linked to an ion channel Allosteric binding of analyte X induces conformational changes in the receptor, yielding measurable changes in channel gating Nature 1997, 387, 580–583

Nanoelectronic transistor combined with biological machine. PNAS 2009, 106, Lawrence Livermore National Laboratory researchers have devised a versatile hybrid platform that uses lipid-coated nanowires to build prototype bionanoelectronic devices

Preparazione e avvio di una simulazione ( Dinamica Molecolare ) Definizione configuraz. iniziale Derivata sperimentalmente Calcolata Assegnazione delle velocità Inizio della simulazione Fase di equilibrazione Controllo della temperatura Fase di produzione Acquisizione dei dati

Dinamica Molecolare di una membrana lipidica sotto l’ effetto di un campo elettrico Z External field of 0.35, 0.5 and 1.0 V/nm was applied parallel to the membrane normal z,

A lipid translocation by switching on and than off the electric field. Time evolution of the position of the centre of mass of four lipids.

NAMD (Dinamica e Meccanica Molecolare) NAMD è un software di dinamica molecolare che è stato studiato per simulazioni ad alta prestazione su molecole di grandi dimensioni. Usa le librerie MPI per il calcolo parallelo e può usare l’ accelerazione CUDA GPU. Software

Quad-Core Intel 64 bit Tempi di calcolo su un bi-processore Quad-Core Intel 64 bit di tipo tradizionale (senza le GPU): – 42 giorni di cpu 1.Equilibrazione – 20ns su bi-processore – 42 giorni di cpu 2.60ns di produzione (campo elettrico attivo) – circa 120 giorni di cpu. 3.10ns di produzione con un campo elettrico diverso – 21 giorni di cpu. 4.Totale: circa 160 giorni di cpu (più di 5 mesi).

NAMD Performance xeon 4 CPUs quad-core (16 cores) 3 GPU Fermi 24GB RAM