[논문 리뷰] Virtual Laboratory: Enabling On-Demand Drug Design with the World Wide Grid

Rajkumar Buyya, Kim Branson외 2명|ArXiv.org|2001. 11. 17.

Distributed and Parallel Computing Systems참고 문헌 11인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 약물 설계를 위한 즉각적이고 고처리량의 분자 도킹을 가능하게 하기 위해 월드와이드 그리드를 활용하는 가상 실험실 프레임워크를 제시한다. Nimrod-G를 통한 작업 스케줄링과 화합물 기반 데이터 브로커를 통한 화합물 기반 데이터베이스에 대한 원격 액세스를 통합함으로써, 수백만 개의 분자를 단백질 표적에 대해 대규모 스크리닝하는 것을 자동화하며, 분산 자원에서 효율적이고 확장 가능하며 사용자 친화적인 실행을 입증한다.

ABSTRACT

Computational Grids are emerging as a popular paradigm for solving large-scale compute and data intensive problems in science, engineering, and commerce. However, application composition, resource management and scheduling in these environments is a complex undertaking. In this paper, we illustrate the creation of a virtual laboratory environment by leveraging existing Grid technologies to enable molecular modeling for drug design on distributed resources. It involves screening millions of molecules of chemical compounds against a protein target, chemical database (CDB) to identify those with potential use for drug design. We have grid-enabled the molecular docking process by composing it as a parameter sweep application using the Nimrod-G tools. We then developed new tools for remote access to molecules in CDB small molecule database. The Nimrod-G resource broker along with molecule CDB data broker is used for scheduling and on-demand processing of jobs on distributed grid resources. The results demonstrate the ease of use and suitability of the Nimrod-G and virtual laboratory tools.

연구 동기 및 목표

• 대규모 분자 도킹의 계산 복잡성을 약물 발견의 맥락에서 분산 그리드 자원을 활용하여 해결하기 위해.
• 이질적이고 지리적으로 산재한 컴퓨팅 환경에서 응용 프로그램 조합과 작업 스케줄링을 단순화하기 위해.
• 그리드 기술을 활용하여 단백질 표적에 대해 수백만 개의 화합물에 대한 실시간 즉각적 스크리닝을 가능하게 하기 위해.
• 그리드 실행 프레임워크 내에서 화합물 기반 데이터베이스(CDB)에 대한 원격으로 확장 가능한 액세스를 위한 도구를 개발하기 위해.
• 계산 기반 약물 설계를 위한 가상 실험실 환경의 실현 가능성과 사용성에 대한 실증을 위해.

제안 방법

• 작업 오chestration 및 자원 브로커링을 위한 Nimrod-G 툴킷을 사용하여 분자 도킹 과정을 파라미터 스위프트 응용 프로그램으로 모델링하였다.
• 그리드 전역에서 소분자 데이터베이스에 대한 원격 즉각적 액세스를 가능하게 하기 위해 전용 CDB 데이터 브로커를 개발하였다.
• Nimrod-G 자원 브로커가 이질적인 하위수준 특성을 추상화하여 분산된 그리드 자원 간의 작업 스케줄링과 실행을 조율하였다.
• 시스템은 분산된 병렬 계산으로서 분자 도킹 워크플로우를 구성하여 고처리량 스크리닝을 가능하게 하였다.
• 대규모 시뮬레이션에서 동적 자원 할당과 장애 내성 보장을 지원하기 위해 기존의 그리드 미들웨어를 통합하였다.
• 상호운용성과 확장성을 보장하기 위해 개방형 표준과 모듈식 구성 요소를 사용하여 가상 실험실 환경을 구현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 월드와이드 그리드를 활용하여 즉각적이고 대규모의 약물 설계를 지원할 수 있는 가상 실험실 환경을 구성할 수 있는가?
• RQ2 기존의 그리드 기술을 어떻게 조합하여 분자 도킹 워크플로우의 자동화 및 확장성을 달성할 수 있는가?
• RQ3 이질적이고 분산된 컴퓨팅 환경에서 화합물 기반 데이터베이스에 대한 원격 액세스를 어느 정도 실현할 수 있는가?
• RQ4 단백질 표적에 대해 수백만 개의 분자를 스크리닝하기 위한 그리드 기반 시스템의 사용성과 성능은 어떠한가?
• RQ5 Nimrod-G와 전용 데이터 브로커의 통합이 복잡한 바이오정보학 워크로드의 투명하고 확장 가능하며 효율적인 실행을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 분산된 그리드 자원을 활용하여 단백질 표적에 대해 수백만 개의 분자를 즉각적으로 스크리닝하는 데 성공하였다.
• Nimrod-G와 CDB 데이터 브로커의 통합은 이질적인 컴퓨팅 환경에서 작업 스케줄링과 데이터 액세스를 투명하게 가능하게 하였다.
• 가상 실험실 프레임워크는 높은 사용성과 함께 연구자들이 저수준의 시스템 관리 없이 대규모 분자 도킹을 시작할 수 있도록 하였다.
• 기존 방법에 비해 대규모 약물 설계 워크플로우를 실행하는 데 소요되는 시간과 복잡도를 크게 감소시켰다.
• 결과는 그리드 기술이 계산 집약적인 작업을 계산 생물학 및 약물 발견 분야에서 가속화하는 데 적합하다는 것을 확인하였다.
• 시스템은 확장성과 견고성을 입증하였으며, 분산 실행에서 동적 자원 할당과 장애 내성을 지원하였다.