Biomolecular electrostatics is key in protein function and the chemical processes affecting it. Implicit-solvent models via the Poisson-Boltzmann (PB) equation provide insights with less computational cost than atomistic models, making large-system studies -- at the scale of viruses -- accessible to more researchers. Here we present a high-productivity and high-performance linear PB solver based on Exafmm, a fast multipole method library, and Bempp, a Galerkin boundary element method package. The workflow integrates an easy-to-use Python interface with optimized computational kernels, and can be run interactively via Jupyter notebooks, for faster prototyping. Our results show the capability of the software, confirm code correctness, and assess performance with between 8,000 and 2 million elements. Showcasing the power of this interactive computing platform, we study the conditioning of two variants of the boundary integral formulation with just a few lines of code. Mesh-refinement studies confirm convergence as $1/N$, for $N$ boundary elements, and a comparison with results from the trusted APBS code using various proteins shows agreement. Our binding energy calculations using 9 various complexes align with the results from using five other grid-based PB solvers. Performance results include timings, breakdowns, and computational complexity. Exafmm offers evaluation speeds of just a few seconds for tens of millions of points, and $\mathcal{O}(N)$ scaling. The trend observed in our performance comparison with APBS demonstrates the advantage of Bempp-Exafmm in applications involving larger structures or requiring higher accuracy. Computing the solvation free energy of a Zika virus, represented by 1.6 million atoms and 10 million boundary elements, took 80-min runtime on a single compute node (dual 20-core).


翻译:生物分子电阻是蛋白质功能和影响它的化学过程的关键。 通过 Poisson-Boltzmann (PB) 方程式的隐性溶解模型可以提供比原子模型更低的计算成本的洞察力, 使更多的研究人员能够以病毒规模进行大型系统研究。 我们在这里展示了一个基于Exafmm( 快速多极方法库) 的高生产率和高性能线性线性 PB 解析器, 以及一个 Galerkin 边界元素的组合。 工作流程将一个容易使用的 Python 界面与优化的计算内核内核内核, 并且可以通过 Jupyter 笔记本进行互动的比较, 以便更快的原型模型。 我们的结果显示软件的能力, 校正正确性, 并评估这个交互式计算机平台的能量, 我们用少量代码来研究边界组合的两种变式组合的调节。 Exsh- ref- referation 观测观察到的精度为 $( $) 的精确度界面, 的平价比值, 的平面元素的精度, 可以交互比较。

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