Frontiers in high-performance, large-scale molecular dynamics. 35 years of molecular-dynamics simulations of biological systems

Acta Chimica Sinica

Volumn 71, Issue 2, 2013, Pages 159-168

  Cai, Wensheng ^a   Chipot, Christophe ^b,c  

^a NANKAI UNIVERSITY   (China)

^b UNIVERSITY OF ILLINOIS AT URBANA CHAMPAIGN   (United States)

^c UNIVERSITÉ DE LORRAINE   (France)

Author keywords

Biological systems; High performance and large scale calculations; Molecular dynamics simulations; Theory and algorithms; Time and size scales

Indexed keywords

EID: 84876346452     PISSN: 05677351     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.6023/A12110930     Document Type: Article

References (114)

1. Lee, E. H.; Hsin, J.; Sotomayor, M.; Comellas, G.; Schulten, K. Structure 2009, 17, 1295.
2. Dror, R. O.; Jensen, M. ø.; Borhani, D. W.; Shaw, D. E. J. Gen. Physiol. 2010, 135, 555.
3. Alder, B. J.; Wainwright, T. E. J. Chem. Phys. 1957, 27, 1208.
4. Chipot, C. In Nanoscience: Nanobiotechnology and Nanobiology, Eds: Boisseau, P.; Lahmani, M.; Houdy, P., Springer, Heidelberg, Dordrecht, London, New York, 2009.
5. Verlet, L. Phys. Rev. 1967, 159, 98.
6. Brooks, B. R.; Bruccoleri, R. E.; Olafson, B. D.; States, D. J.; Swaminathan, S.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 1983, 4, 187.
7. Weiner, S. J.; Kollman, P. A.; Case, D. A.; Singh, U. C.; Ghio, C.; Alagona, G.; Profeta Jr., S.; Weiner, P. J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 765.
8. Izvekov, S.; Voth, G. A. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 2469.
9. Marrink, S. J.; Risselada, H. J.; Yefimov, S.; Tieleman, D. P.; de Vries, A. H. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 7812.
10. Klein, M. L.; Shinoda, W. Science 2008, 321, 798.
11. Villa, E.; Sengupta, J.; Trabuco, L. G.; LeBarron, J.; Baxter, W. T.; Shaikh, T. R.; Grassucci, R. A.; Nissen, P.; Ehrenberg, M.; Schulten, K.; Frank, J. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009, 106, 1063.
12. Allen, M. P.; Tildesley, D. J. Computer Simulation of Liquids, Clarendon Press, Oxford, 1987.
13. Frenkel, D.; Smit, B. Understanding Molecular Simulations: From Algorithms to Applications, Academic Press, San Diego, CA, 1996.
14. Nosé, S. Mol. Phys. 1984, 52, 255.
15. Hoover, W. G. Phys. Rev. 1985, A31, 1695.
16. Andersen, H. C. J. Chem. Phys. 1980, 72, 2384.
17. De Leeuw, S. W.; Perram, J. W.; Smith, E. R. Proc. R. Soc. London 1980, A373, 27.
18. Darden, T. A.; York, D. M.; Pedersen, L. G. J. Chem. Phys. 1993, 98, 10089.
19. Toukmaji, A. Y.; Board Jr., J. A. Comput. Phys. Commun. 1996, 95, 73.
20. Tuckerman, M. E.; Berne, B. J.; Martyna, G. J. J. Phys. Chem. B 1992, 97, 1990.
21. Izaguirre, J. A.; Reich, S.; Skeel, R. D. J. Chem. Phys. 1999, 110, 9853
22. Ryckaert, J.; Ciccotti, G.; Berendsen, H. J. C. J. Comput. Phys. 1977, 23, 327.
23. Andersen, H. C. J. Comput. Phys. 1983, 52, 24.
24. Miyamoto, S.; Kollman, P. A. J. Comput. Chem. 1992, 13, 952.
25. Brown, D.; Clarke, J. H. R.; Okuda, M.; Yamazaki, T. Comput. Phys. Commun. 1993, 74, 67.
26. Chipot, C.; Ángyán, J. G. New J. Chem. 2005, 29, 411.
27. Sagui, C.; Pedersen, L. G.; Darden, T. A. J. Chem. Phys. 2004, 120, 73.
28. Engle, R. D.; Skeel, R. D.; Drees, M. J. Comput. Phys. 2005, 206, 432.
29. Grubmüller, H.; Heller, H.; Schulten, K. MC-Computermagazin 1988, 11, 48.
30. Heller, H.; Grubmüller, H.; Schulten, K. Mol. Simul. 1990, 5, 133.
31. Couturier, R.; Chipot, C. Comput. Phys. Commun. 2000, 124, 49.
32. Bhandarkar, M.; Kalé, L. V.; de Sturler, E.; Hoeflinger, J. In Computational Science-ICCS 200, Proceedings part 2, Eds.: Alexandrov, V. N.; Dongarra, J. J.; Juliano, B. A.; Renner, R. S.; Tan, C. J. K., vol. 2074, 2001, pp. 108-117.
33. Phillips, J. C.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, L.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781.
34. Plimpton, S. J. Comput. Phys. 1995, 117, 1.
35. Bowers, K. J.; Chow, E.; Xu, Huafeng; Dror, R. O.; Eastwood, M. P.; Gregersen, B. A.; Klepeis, J. L.; Kolossvary, I.; Moraes, M. A.; Sacerdoti, F. D.; Salmon, J. K.; Shan, Y. B.; Shaw, D. E. In Proceedings of the 2006 ACM/IEEE Conference on Supercomputing, 2006.
36. Hess, B.; Kutzner, C.; van der Spoel, D.; Lindahl, E. J. Chem. Theor. Comput. 2008, 4, 435.
37. Javadi, B.; Kondo, D.; Vincent, J. M.; Anderson, D. P. IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems 2011, 22, 1896.
38. Richards, W. G. Nature Rev. Drug Discov. 2002, 1, 551.
39. Shirts, M.; Pande, V. Science 2000, 290, 1903.
40. Markoff, J. The New York Times 2003.
41. Stone, J. E.; Phillips, J. C.; Freddolino, P. L.; Hardy, D. J.; Trabuco, L. G.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2007, 28, 2618.
42. Anderson, J. A.; Lorenz, C. D.; Travesset, A. J. Comp. Phys. 2008, 227, 5342.
43. Shaw, D. E.; Deneroff, M. M.; Dror, R. O.; Kuskin, J. S.; Larson, R. H.; Salmon, J. K.; Young, C.; Batson, B.; Bowers, K. J.; Chao, J. C.; Eastwood, M. P.; Gagliardo, J.; Grossman, J. P.; Ho, C. R.; Ierardi, D. J.; Kolossváry, I.; Klepeis, J. L.; Layman, T.; McLeavey, C.; Moraes, M. A.; Mueller, R.; Priest, E. C.; Shan, Y.; Spengler, J.; Theobald, M.; Towles, B.; Wang, S. C. SIGARCH Comput. Archit. News 2007, 35, 1.
44. Shaw, D. E.; Maragakis, P.; Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Dror, R. O.; Eastwood, M. P.; Bank, J. A.; Jumper, J. M.; Salmon, J. K.; Shan, Y.; Wriggers, W. Science 2010, 330, 341.
45. Dror, R. O.; Arlow, D. H.; Maragakis, P.; Mildorf, T. J.; Pan, A. C.; Xu, H.; Borhani, D. W.; Shaw, D. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 18684.
46. Wriggers, W.; Stafford, K. A.; Shan, Y. B.; Piana, S.; Maragakis, P.; Lindorff-Larsen, K.; Miller, P. J.; Gullingsrud, J.; Rendleman, C. A.; Eastwood, M. P.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. J. Chem. Theor. Comput. 2009, 5, 2595.
47. Freddolino, P. L.; Harrison, C. B.; Liu, Y.; Schulten, K. Nature Phys. 2010, 6, 751.
48. Gumbart, J.; Trabuco, L. G.; Schreiner, E.; Villa, E.; Schulten, K. Structure 2009, 17, 1453.
49. Arkhipov, A.; Freddolino, P. L.; Schulten, K. Structure 2006, 14, 1767.
50. 2012, The simulation of the AIDS virus capsid, representing about 12.5 million atoms, is one of the six projects selected for the launch of the petascale supercomputer Blue Waters, which harbors over 380, 000 cores.
51. Mei, C.; Sun, Y.; Zheng, G.; Bohm, E. J.; Kalé, L. V.; Phillips, J. C.; Harrison, C. In Proceedings of the 2011 ACM/IEEE Conference on Supercomputing, 2011, p. 12.
52. Bowman, G. R.; Voelz, V. A.; Pande, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 664.
53. Liu, Y.; Strümpfer, J.; Freddolino, P. L.; Gruebele, M.; Schulten, K. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 1117.
54. Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. Science 2011, 334, 517.
55. Duan, Y.; Kollman, P. A. Science 1998, 282, 740.
56. Freddolino, P. L.; Schulten, K. Biophys. J. 2009, 97, 2338.
57. Rajan, A.; Freddolino, P. L.; Schulten, K. PLoS One 2010, 5, e9890.
58. Bowman, G. R.; Pande, V. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 10890.
59. Beauchamp, K. A.; Ensign, D. L.; Das, R.; Pande, V. S. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 12734.
60. Freddolino, P. L.; Liu, F.; Gruebele, M.; Schulten, K. Biophys. J. 2008, 94, L75.
61. Ensign, D. L.; Pande, V. S. Biophys. J. 2009, 96, L53.
62. Lane, T. J.; Bowman, G. R.; Beauchamp, K.; Voelz, V. A.; Pande, V. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18413.
63. Freddolino, P. L.; Park, S.; Roux, B.; Schulten, K. Biophys. J. 2009, 96, 3772.
64. Lindorff-Larsen, K.; Piana, S.; Palmo, K.; Maragakis, P.; Klepeis, J. L.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. Proteins: Struct. Funct. Bioinfo. 2010, 78, 1950.
65. Kollman, P.; Dixon, R.; Cornell, W.; Fox, T.; Chipot, C.; Pohorille, A. In Computer Simulation of Biomolecular Systems: Theoretical and Experimental Applications, Eds.: Van Gunsteren, W. F.; Weiner, P. K., Escom, The Netherlands, 1997, p. 83.
66. Le, L.; Lee, E. H.; Hardy, D. J.; Truong, T. N.; Schulten, K. PLoS Comput. Biol. 2010, 6.
67. Wang, Y.; Tajkhorshid, E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2008, 105, 9598.
68. Dehez, F.; Pebay-Peyroula, E.; Chipot, C. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 12725.
69. Krammer, E. M.; Ravaud, S.; Dehez, F.; Frelet-Barrand, A.; Pebay-Peyroula, E.; Chipot, C. Biophys. J. 2009, 97, L25.
70. Ravaud, S.; Bidon-Chanal, A.; Blesneac, I.; Machillot, P.; Juillan-Binard, C.; Dehez, F.; Chipot, C.; Pebay-Peyroula, E. ACS Chem. Biol. 2012, 7, 1164.
71. Jensen, M. ø.; Jogini, V.; Borhani, D. W.; Leffler, A. E.; Dror, R. O.; Shaw, D. E. Science 2012, 336, 229.
72. Nury, H.; Poitevin, F.; Van Renterghem, C.; Changeux, J. P.; Corringer, P. J.; Delarue, M.; Baaden, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 6275.
73. Dror, R. O.; Pan, A. C.; Arlow, D. H.; Borhani, D. W.; Maragakis, P.; Shan, Y.; Xu, H.; Shaw, D. E. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 13118.
74. Buch, I.; Giorgino, T.; Fabritiis, G. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 10184.
75. Eds.: Chipot, C.; Pohorille, A., Free Energy Calculations. Theory and Applications in Chemistry and Biology, Springer Verlag, 2007.
76. Hénin, J.; Forin, G.; Chipot, C.; Klein, M. L. J. Chem. Theor. Comput. 2010, 6, 35.
77. Lelièvre, T.; Stoltz, G.; Rousset, M., Free Energy Computations: A Mathematical Perspective, Imperial College Press, London, 2010.
78. Sugita, Y.; Okamoto, Y. Chem. Phys. Lett. 1999, 314, 141.
79. Sugita, Y.; Kitao, A.; Okamoto, Y. J. Chem. Phys. 2000, 113, 6042.
80. Fukunishi, H.; Watanabe, O.; Takada, S. J. Chem. Phys. 2002, 116, 9058.
81. Dellago, C.; Bolhuis, P. G.; Csajka, F. S.; Chandler, D. J. Chem. Phys. 1998, 108, 1964.
82. Weinan, E.; Ren, W. Q.; Vanden-Eijnden, E. Phys. Rev. B 2002, 66, 052301.
83. Maragliano, L.; Vanden-Eijnden, E. Chem. Phys. Lett. 2006, 426, 168.
84. Faradjian, A. K.; Elber, R. J. Chem. Phys. 2004, 120, 10880.
85. Bolhuis, P. G.; Chandler, D.; Dellago, C.; Geissler, P. Ann. Rev. Phys. Chem. 2002, 59, 291.
86. Torrie, G. M.; Valleau, J. P. J. Chem. Phys. 1977, 66, 1402.
87. Roux, B. Comput. Phys. Commun. 1995, 91, 275.
88. Huber, T.; Torda, A. E.; van Gunsteren, W. F. J. Comput. Aided Mol. Des. 1994, 8, 695.
89. Grubmüller, H. Phys. Rev. E 1995, 52, 2893.
90. Laio, A.; Parrinello, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 12562.
91. Darve, E.; Pohorille, A. J. Chem. Phys. 2001, 115, 9169.
92. Hénin, J.; Chipot, C. J. Chem. Phys. 2004, 121, 2904.
93. Carter, E.; Ciccotti, G.; Hynes, J. T.; Kapral, R. Chem. Phys. Lett. 1989, 156, 472.
94. Rosso, L.; Tuckerman, M. E. Mol. Simul. 2002, 28, 91.
95. Chipot, C.; Lelièvre, T. SIAM J. Appl. Math. 2011, 71, 1673.
96. Minoukadeh, K.; Chipot, C.; Lelièvre, T. J. Chem. Theor. Comput. 2010, 6, 1008.
97. Brooks, B. R.; Brooks, C. L.; Mackerell, A. D.; Nilsson, L.; Petrella, R. J.; Roux, B.; Won, Y.; Archontis, G.; Bartels, C.; Boresch, S.; Caflisch, A.; Caves, L.; Cui, Q.; Dinner, A. R.; Feig, M.; Fischer, S.; Gao, J.; Hodoscek, M.; Im, W.; Kuczera, K.; Lazaridis, T.; Ma, J.; Ovchinnikov, V.; Paci, E.; Pastor, R. W.; Post, C. B.; Pu, J. Z.; Schaefer, M.; Tidor, B.; Venable, R. M.; Woodcock, H. L.; Wu, X.; Yang, W.; York, D. M.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 2009, 30, 1545.
98. Jarzynski, C. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 2690.
99. Crooks, G. E. Phys. Rev. E 1999, 60, 2721.
100. Jensen, M. ø.; Park, S.; Tajkhorshid, E.; Schulten, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2002, 99, 6731.
101. Fu, D.; Libson, A.; Miercke, L. J.; Weitzman, C.; Nollert, P.; Krucinski, J.; Stroud, R. M. Science 2000, 290, 481.
102. Hénin, J.; Tajkhorshid, E.; Schulten, K.; Chipot, C. Biophys. J. 2008, 94, 832.
103. Bernèche, S.; Roux, B. Nature 2001, 414, 73.
104. Doyle, D. A.; Cabral, J. M.; Pfuetzner, R. A.; Kuo, A. L.; Gulbis, J. M.; Cohen, S. L.; Chait, B. T.; MacKinnon, R. Science 1998, 280, 69.
105. Gumbart, J. C.; Chipot, C.; Schulten, K. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7602.
106. Gumbart, J. C.; Chipot, C.; Schulten, K. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011, 108, 3596.
107. Dorairaj, S.; Allen, T. W. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007, 104, 4943.
108. Hessa, T.; Kim, H.; Bihlmaier, K.; Lundin, C.; Boekel, J.; Andersson, H.; Nilsson, I.; White, S. H.; von Heijne, G. Nature 2005, 433, 377.
109. Trabuco, L. G.; Villa, E.; Mitra, K.; Frank, J.; Schulten, K. Structure 2008, 16, 673.
110. Trabuco, L. G.; Villa, E.; Schreiner, E.; Harrison, C. B.; Schulten, K. Methods 2009, 49, 174.
111. McCammon, J. A.; Gelin, B. R.; Karplus, M. Nature 1977, 267, 585.
112. Schulten, K.; Phillips, J. C.; Kalé, L. V.; Bhatele, A. In Petascale Computing: Algorithms and Applications, Ed.: Bader, D., Chapman and Hall/CRC Press, Taylor and Francis Group, New York, 2008, p. 165.
113. van Gunsteren, W. F.; Bakowies, D.; Baron, R.; Chandrasekhar, I.; Christen, M.; Daura, X.; Gee, P.; Geerke, D. P.; Glättli, A.; Hünenberger, P. H.; Kastenholz, M. A.; Oostenbrink, C.; Schenk, M.; Trzesniak, D.; van der Vegt, N. F. A.; Yu, H. B. Angew. Chem., Int. Ed. Engl. 2006, 45, 4064.
114. Karplus, M. Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 2006, 35, 1.