Distributed all-atom simulations of intrinsically unstructured proteins

The Computational Biophysics Group at the Universitat Pompeu Fabra (GRIB-UPF) hosts two unique computational resources dedicated to the execution of large scale molecular dynamics (MD) simulations: (a) the ACMD molecular-dynamics software, used on standard personal computers with graphical processing units (GPUs); and (b) the GPUGRID. net computing network, supported by users distributed worldwide that volunteer GPUs for biomedical research. We leveraged these resources and developed studies, protocols and open-source software to elucidate energetics and pathways of a number of biomolecular systems, with a special focus on flexible proteins with many degrees of freedom. First, we characterized ion permeation through the bactericidal model protein Gramicidin A conducting one of the largest studies to date with the steered MD biasing methodology. Next, we addressed an open problem in structural biology, the determination of drug-protein association kinetics; we reconstructed the binding free energy, association, and dissaciociation rates of a drug like model system through a spatial decomposition and a Makov-chain analysis. The work was published in the Proceedings of the National Academy of Sciences and become one of the few landmark papers elucidating a ligand-binding pathway. Furthermore, we investigated the unstructured Kinase Inducible Domain (KID), a 28-peptide central to signalling and transcriptional response; the kinetics of this challenging system was modelled with a Markovian approach in collaboration with Frank Noe’s group at the Freie University of Berlin. The impact of the funding includes three peer-reviewed publication on high-impact journals; three more papers under review; four MD analysis components, released as open-source software; MD protocols; didactic material, and code for the hosting group.

rDock: A Fast, Versatile and Open Source Program for Docking Ligands to Proteins and Nucleic Acids

Identification of chemical compounds with specific biological activities is an important step in both chemical biology and drug discovery. When the structure of the intended target is available, one approach is to use molecular docking programs to assess the chemical complementarity of small molecules with the target; such calculations provide a qualitative measure of affinity that can be used in virtual screening (VS) to rank order a list of compounds according to their potential to be active. rDock is a molecular docking program developed at Vernalis for high-throughput VS (HTVS) applications. Evolved from RiboDock, the program can be used against proteins and nucleic acids, is designed to be computationally very efficient and allows the user to incorporate additional constraints and information as a bias to guide docking. This article provides an overview of the program structure and features and compares rDock to two reference programs, AutoDock Vina (open source) and Schrodinger's Glide (commercial). In terms of computational speed for VS, rDock is faster than Vina and comparable to Glide. For binding mode prediction, rDock and Vina are superior to Glide. The VS performance of rDock is significantly better than Vina, but inferior to Glide for most systems unless pharmacophore constraints are used; in that case rDock and Glide are of equal performance. The program is released under the Lesser General Public License and is freely available for download, together with the manuals, example files and the complete test sets, at http://rdock.sourceforge.net/

Desarrollo de una tienda virtual en una arquitectura distribuída

Al llarg d'aquest treball es presenten les tecnologies i els processos que s'han fet servir en la construcció de l'esmentada botiga virtual i el seu gestor. L'objectiu és crear un programari flexible, portable, reutilitzable, d'alt rendiment i intel·ligible

Avaluació de vitamines i antioxidants en aliments vegetals mitjançant tècniques HPLC-DAD i UPLC-MS/MS

El programa experimental s’ha portat a terme dins el marc de les activitats del projecte TRUEFOOD, finançat per la UE per als anys 2007-2010. L’objectiu principal d’aquesta activitat ha estat l’avaluació dels continguts en àcid ascòrbic (vitamina C), polifenols totals, àcids fenòlics i flavonoides en mostres de tomàquet i enciam, produïts sota diferents condicions de camp (producció ecològica i convencional). Per aconseguir els resultats s’han utilitzat mètodes analítics basats en tècniques de cromatografia líquida d’alta eficàcia (HPLC) i d’ultra-alta eficàcia (UHPLC) acoblades a sistemes de detecció de diode array (DAD) i espectrometria de masses (MSn). Per a l’àcid ascòrbic, s’ha desenvolupat un mètode ràpid que ha permès la determinació d’aquest compost en diferents matrius vegetals amb el mínim pretractament de les mostres, utilitzant una fase estacionària HILIC (Fluorinated Stationary Phase). Els mètodes desenvolupats d’anàlisi de compostos fenòlics han permès realitzar les anàlisi de forma ràpida, a fi de processar el màxim nombre de mostres per a obtenir resultats representatius. S’ha realitzat una completa caracterització dels extractes de tomàquet i enciam, ampliant el coneixement descrit en la bibliografia sobre la seva composició fenòlica. En el cas de l’enciam, s’ha identificat quatre compostos fenòlics que mai abans han estat descrits i quantificats en aquesta hortalissa. La definició, amb precisió, dels continguts en vitamina C i compostos fenòlics en les mostres analitzades ha permès comparar els efectes de diferents tècniques de cultiu sobre les característiques nutricionals dels vegetals objecte de l’estudi. Els mètodes d’anàlisi desenvolupats i els resultats derivats del projecte seran publicats properament en revistes científiques de reconegut prestigi.

Exploring Cross-layer power management for PGAS applications on the SCC platform

Technological limitations and power constraints are resulting in high-performance parallel computing architectures that are based on large numbers of high-core-count processors. Commercially available processors are now at 8 and 16 cores and experimental platforms, such as the many-core Intel Single-chip Cloud Computer (SCC) platform, provide much higher core counts. These trends are presenting new sets of challenges to HPC applications including programming complexity and the need for extreme energy efficiency.In this work, we first investigate the power behavior of scientific PGAS application kernels on the SCC platform, and explore opportunities and challenges for power management within the PGAS framework. Results obtained via empirical evaluation of Unified Parallel C (UPC) applications on the SCC platform under different constraints, show that, for specific operations, the potential for energy savings in PGAS is large; and power/performance trade-offs can be effectively managed using a cross-layerapproach. We investigate cross-layer power management using PGAS language extensions and runtime mechanisms that manipulate power/performance tradeoffs. Specifically, we present the design, implementation and evaluation of such a middleware for application-aware cross-layer power management of UPC applications on the SCC platform. Finally, based on our observations, we provide a set of recommendations and insights that can be used to support similar power management for PGAS applications on other many-core platforms.

Porting and performance analysis of EC-Earth System on the BSC-MareNostrum Supercomputer

Earth System Models (ESM) have been successfuly developed over past few years, and are currently beeing used for simulating present day-climate, seasonal to interanual predictions of climate change. The supercomputer performance plays an important role in climate modeling since one of the challenging issues for climate modellers is to efficiently and accurately couple earth System components on present day computers architectures. At the Barcelona Supercomputing Center (BSC), we work with the EC- Earth System Model. The EC- Earth is an ESM, which currently consists of an atmosphere (IFS) and an ocean (NEMO) model that communicate with each other through the OASIS coupler. Additional modules (e.g. for chemistry and vegetation ) are under development. The EC-Earth ESM has been ported successfully over diferent high performance computin platforms (e.g, IBM P6 AIX, CRAY XT-5, Intelbased Linux Clusters, SGI Altix) at diferent sites in Europ (e.g., KNMI, ICHEC, ECMWF). The objective of the first phase of the project was to identify and document the issues related with the portability and performance of EC-Earth on the MareNostrum supercomputer, a System based on IBM PowerPC 970MP processors and run under a Linux Suse Distribution. EC-Earth was successfully ported to MareNostrum, and a compilation incompatibilty was solved by a two step compilation approach using XLF version 10.1 and 12.1 compilers. In addition, the EC-Earth performance was analyzed with respect to escalability and trace analysis with the Paravear software. This analysis showed that EC-Earth with a larger number of IFS CPUs (<128) is not feasible at the moment since some issues exists with the IFS-NEMO balance and MPI Communications.

Cumulative dominance and heuristic performance in binary multi-attribute choice

Several studies have reported high performance of simple decision heuristics multi-attribute decision making. In this paper, we focus on situations where attributes are binary and analyze the performance of Deterministic-Elimination-By-Aspects (DEBA) and similar decision heuristics. We consider non-increasing weights and two probabilistic models for the attribute values: one where attribute values are independent Bernoulli randomvariables; the other one where they are binary random variables with inter-attribute positive correlations. Using these models, we show that good performance of DEBA is explained by the presence of cumulative as opposed to simple dominance. We therefore introduce the concepts of cumulative dominance compliance and fully cumulative dominance compliance and show that DEBA satisfies those properties. We derive a lower bound with which cumulative dominance compliant heuristics will choose a best alternative and show that, even with many attributes, this is not small. We also derive an upper bound for the expected loss of fully cumulative compliance heuristics and show that this is moderateeven when the number of attributes is large. Both bounds are independent of the values ofthe weights.

Performance evaluation of MPEG-4 Video encoder on Adres

Actualment un típic embedded system (ex. telèfon mòbil) requereix alta qualitat per portar a terme tasques com codificar/descodificar a temps real; han de consumir poc energia per funcionar hores o dies utilitzant bateries lleugeres; han de ser el suficientment flexibles per integrar múltiples aplicacions i estàndards en un sol aparell; han de ser dissenyats i verificats en un període de temps curt tot i l’augment de la complexitat. Els dissenyadors lluiten contra aquestes adversitats, que demanen noves innovacions en arquitectures i metodologies de disseny. Coarse-grained reconfigurable architectures (CGRAs) estan emergent com a candidats potencials per superar totes aquestes dificultats. Diferents tipus d’arquitectures han estat presentades en els últims anys. L’alta granularitat redueix molt el retard, l’àrea, el consum i el temps de configuració comparant amb les FPGAs. D’altra banda, en comparació amb els tradicionals processadors coarse-grained programables, els alts recursos computacionals els permet d’assolir un alt nivell de paral•lelisme i eficiència. No obstant, els CGRAs existents no estant sent aplicats principalment per les grans dificultats en la programació per arquitectures complexes. ADRES és una nova CGRA dissenyada per I’Interuniversity Micro-Electronics Center (IMEC). Combina un processador very-long instruction word (VLIW) i un coarse-grained array per tenir dues opcions diferents en un mateix dispositiu físic. Entre els seus avantatges destaquen l’alta qualitat, poca redundància en les comunicacions i la facilitat de programació. Finalment ADRES és un patró enlloc d’una arquitectura concreta. Amb l’ajuda del compilador DRESC (Dynamically Reconfigurable Embedded System Compile), és possible trobar millors arquitectures o arquitectures específiques segons l’aplicació. Aquest treball presenta la implementació d’un codificador MPEG-4 per l’ADRES. Mostra l’evolució del codi per obtenir una bona implementació per una arquitectura donada. També es presenten les característiques principals d’ADRES i el seu compilador (DRESC). Els objectius són de reduir al màxim el nombre de cicles (temps) per implementar el codificador de MPEG-4 i veure les diferents dificultats de treballar en l’entorn ADRES. Els resultats mostren que els cícles es redueixen en un 67% comparant el codi inicial i final en el mode VLIW i un 84% comparant el codi inicial en VLIW i el final en mode CGA.

Performance evaluation of MPEG-4 Video encoder on Adres

Actualment un típic embedded system (ex. telèfon mòbil) requereix alta qualitat per portar a terme tasques com codificar/descodificar a temps real; han de consumir poc energia per funcionar hores o dies utilitzant bateries lleugeres; han de ser el suficientment flexibles per integrar múltiples aplicacions i estàndards en un sol aparell; han de ser dissenyats i verificats en un període de temps curt tot i l’augment de la complexitat. Els dissenyadors lluiten contra aquestes adversitats, que demanen noves innovacions en arquitectures i metodologies de disseny. Coarse-grained reconfigurable architectures (CGRAs) estan emergent com a candidats potencials per superar totes aquestes dificultats. Diferents tipus d’arquitectures han estat presentades en els últims anys. L’alta granularitat redueix molt el retard, l’àrea, el consum i el temps de configuració comparant amb les FPGAs. D’altra banda, en comparació amb els tradicionals processadors coarse-grained programables, els alts recursos computacionals els permet d’assolir un alt nivell de paral•lelisme i eficiència. No obstant, els CGRAs existents no estant sent aplicats principalment per les grans dificultats en la programació per arquitectures complexes. ADRES és una nova CGRA dissenyada per I’Interuniversity Micro-Electronics Center (IMEC). Combina un processador very-long instruction word (VLIW) i un coarse-grained array per tenir dues opcions diferents en un mateix dispositiu físic. Entre els seus avantatges destaquen l’alta qualitat, poca redundància en les comunicacions i la facilitat de programació. Finalment ADRES és un patró enlloc d’una arquitectura concreta. Amb l’ajuda del compilador DRESC (Dynamically Reconfigurable Embedded System Compile), és possible trobar millors arquitectures o arquitectures específiques segons l’aplicació. Aquest treball presenta la implementació d’un codificador MPEG-4 per l’ADRES. Mostra l’evolució del codi per obtenir una bona implementació per una arquitectura donada. També es presenten les característiques principals d’ADRES i el seu compilador (DRESC). Els objectius són de reduir al màxim el nombre de cicles (temps) per implementar el codificador de MPEG-4 i veure les diferents dificultats de treballar en l’entorn ADRES. Els resultats mostren que els cícles es redueixen en un 67% comparant el codi inicial i final en el mode VLIW i un 84% comparant el codi inicial en VLIW i el final en mode CGA.