Náročné simulace a zpracování dat ve vědě Jiří Filipovič fila@ics.muni.cz Ústav výpočetní techniky, MU 8. listopadu 2023 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Osnova simulace a modelování – co to je, proč nás zajímá výpočetní náročnost – kdy potřebujeme zkušeného informatika rekonstrukce dat z cryo-elektronové mikroskopie simulace transportních procesů v proteinech obecné úvahy o tom, co jsme se naučili společný příběh: co může informatik udělat pro léčbu COVID19? J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 2 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Něco málo o virech Virus cizopasník na pomezí mezi živým a neživým objektem „špatná zpráva v obálce” Napadnutí buňky (zjednodušeně) navázání viru na buňku (její specifický receptor) penetrace do buňky (buňka virus „pozře”, nebo sfúzují membrány) replikace (buňka vyrobí kopie viru) uvolnění viru z buňky J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 3 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Napadnutí buňky J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 4 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Něco málo o virech Jak bojovat s viry můžeme napadnout jeden z kroků v šíření viru (např. mu neumožnit navázat se na buňku) pro vývoj léčiv a vakcín musíme o viru něco vědět: sekvence struktura proteinů mechanismus interakce s buňkou toto nelze jen tak pozorovat pod mikroskopem ke všem krokům potřebujete počítač J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 5 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Něco málo o virech SARS-CoV-2 objeven v roce 2019 ve Wu-chanu rychle se začal šířit do celého světa chceme tomu zabránit v této přednášce se dozvíte (nikoliv kompletní výčet) využití informačních technologií proti tomuto viru J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 6 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Vymezení pojmů Model fyzická či mentální náhrada reálného systému, vždy zjednodušená hliněná maketa karoserie automobilu idealizovaná představa voliče matematická reprezentace molekuly napodobuje chování systému, o které se zajímáme Modelování proces vytváření a zdokonalování modelu Simulace proces, při kterém používáme model za účelem studia jeho vlastností ... a ideálně i vlastností reálného systému J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 7 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklady využití simulací Model interiéru automobilu testujeme pohodlí a ergonomii, automobil nemusí jezdit, prvky v interiéru nemusí plnit svou funkci pokud je něco špatně, snižuje náklady na vývoj a výrobu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 8 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklady využití simulací Model interiéru automobilu testujeme pohodlí a ergonomii, automobil nemusí jezdit, prvky v interiéru nemusí plnit svou funkci pokud je něco špatně, snižuje náklady na vývoj a výrobu Simulace konfliktu se zákazníkem v bezpečném prostředí vytvoříme situaci, jejíž zvládnutí chceme natrénovat snižuje riziko nevhodné reakce v reálné situaci J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 8 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklady využití simulací Model interiéru automobilu testujeme pohodlí a ergonomii, automobil nemusí jezdit, prvky v interiéru nemusí plnit svou funkci pokud je něco špatně, snižuje náklady na vývoj a výrobu Simulace konfliktu se zákazníkem v bezpečném prostředí vytvoříme situaci, jejíž zvládnutí chceme natrénovat snižuje riziko nevhodné reakce v reálné situaci Simulace protržení přehrady zjišťujeme, které oblasti budou zaplaveny (a jak rychle), jako podklad k evakuačnímu plánu zde je cena reálného experimentu nepřípustná J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 8 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklady využití simulací Model interiéru automobilu testujeme pohodlí a ergonomii, automobil nemusí jezdit, prvky v interiéru nemusí plnit svou funkci pokud je něco špatně, snižuje náklady na vývoj a výrobu Simulace konfliktu se zákazníkem v bezpečném prostředí vytvoříme situaci, jejíž zvládnutí chceme natrénovat snižuje riziko nevhodné reakce v reálné situaci Simulace protržení přehrady zjišťujeme, které oblasti budou zaplaveny (a jak rychle), jako podklad k evakuačnímu plánu zde je cena reálného experimentu nepřípustná Předpověď počasí bez simulace není předpověď možná, můžeme jen čekat J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 8 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklady využití simulací Model interiéru automobilu testujeme pohodlí a ergonomii, automobil nemusí jezdit, prvky v interiéru nemusí plnit svou funkci pokud je něco špatně, snižuje náklady na vývoj a výrobu Simulace konfliktu se zákazníkem v bezpečném prostředí vytvoříme situaci, jejíž zvládnutí chceme natrénovat snižuje riziko nevhodné reakce v reálné situaci Simulace protržení přehrady zjišťujeme, které oblasti budou zaplaveny (a jak rychle), jako podklad k evakuačnímu plánu zde je cena reálného experimentu nepřípustná Předpověď počasí bez simulace není předpověď možná, můžeme jen čekat Modelování procesů v molekulách se současnými metodami nelze pozorovat simulace je jedinou cestou, jak tyto procesy přímo zkoumat J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 8 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Role výpočetní techniky Některé simulace se zcela obejdou bez počítačů model interiéru automobilu počítačová simulace je možná, ale může být méně vhodná (dražší, méně přesná), než fyzický model Počítače můžou zvýšit přesnost předpověď počasí lidské schopnosti překonány numerickým modelem syntéza obrovského množství dat nerealizovatelná člověkem Některé simulace prakticky neproveditelné bez počítače interakce molekul obrovské množství výpočtů i pro jednoduché modely J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 9 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Komplexnost výpočtů u simulací Zvládnutelné s tužkou a papírem, či tabulkovým procesorem „v březnu někdo přišel s matematickým modelem” malé množství dat, jednoduchý model V určitém momentě začaly požadavky na model převyšovat lidské síly kosmické lety vývoj nukleární bomby Komplikovanější modely snadno přesáhnou možnosti dnešních počítačů využívají se clustery/cloudy/superpočítače nestačí jen zapojit hodně procesorů, obvykle je za tím velký kus informatiky interdisciplinární oblast, kde musí spolupracovat doménoví experti s informatiky v přednášce se zaměříme především na tuto oblast J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 10 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Šíření tepla Šíčení tepla v materiálu lze popsat pomocí parciální diferenciální rovnice analyticky prakticky neřešitelná pro komplikovanější systémy (nepravidelný tvar tělesa, kde se teplo šíří, nehomogenní materiál) lze aproximovat pomocí metody konečných diferencí – jednoduchá metoda, ale vyžaduje výpočetní výkon vizualizace viz https://www.youtube.com/watch?v=TvlIfSlLB0c Metoda konečných diferencí aproximuje derivace pomocí konečných diferencí prostorovou (popř. i časovou) doménu rozbijeme na konečně malé prvky, sousední hodnoty aproximují derivace Co to teda znamená v případě výpočtu šíření tepla? J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 11 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Šíření tepla pomocí konečných diferencí Prostor, ve kterém simulujeme šíření tepla, rozbijeme pomocí pravidelné mřížky v čase t + 1 nastavíme teplotu v každé buňce mřížky na základě její teploty a teploty sousedních buněk v čase t: pro jednorozměrný problém ut+1 j = (1 − 2r)ut j + rut j−1 + rut j+1, r ≤ 1/2 typicky provádíme tak dlouho, dokud se teplota neustálí (změny v teplotě každé buňky jsou pod definované minimum) okraje mřížky představují okolní teplotu (mimo naši simulaci), v nejjednodušším případě nastavena konstantní teplota J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 12 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Prvních 10 iterací J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 13 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Příklad: šíření tepla v jednorozměrném prostoru Pro zrychlení skákejme po 10 iteracích... J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 14 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Výpočetní náročnost Simulujme šíření tepla v bloku motoru o rozměrech 1m × 1m × 1m, v rozlišení 1mm potřebujeme celkem 1 000 000 000 buněk nejméně 3 000 iterací je zapotřebí jen k tomu, abychom přenesli nějaké teplo z jednoho rohu do druhého řádově alespoň bilióny aktualizací teploty v buňkách, jednotky GB paměti Dokážeme být obecní? nechť n značí počet buněk (rozlišení) v každé dimenzi a i počet iterací výpočtu pro jednoduchost uvažujme stejný počet buněk v každém rozměru pro třírozměrný objekt vyžaduje O(n3 i) výpočtů důsledek: zdvojnásobení rozlišení vede při zachování počtu iterací k osminásobné výpočetní náročnosti J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 15 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Výpočetní náročnost Předpokládejme, že na našem počítači zvládneme zpracovat miliardu buněk za sekundu. Zamysleme se, jak velké problémy zvládneme vyřešit. J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 16 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Výpočetní náročnost Předpokládejme, že na našem počítači zvládneme zpracovat miliardu buněk za sekundu. Zamysleme se, jak velké problémy zvládneme vyřešit. n i čas 1 000 10 000 2 hodiny 47 minut J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 16 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Výpočetní náročnost Předpokládejme, že na našem počítači zvládneme zpracovat miliardu buněk za sekundu. Zamysleme se, jak velké problémy zvládneme vyřešit. n i čas 1 000 10 000 2 hodiny 47 minut 2 000 20 000 44 hodin 27 minut J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 16 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Výpočetní náročnost Předpokládejme, že na našem počítači zvládneme zpracovat miliardu buněk za sekundu. Zamysleme se, jak velké problémy zvládneme vyřešit. n i čas 1 000 10 000 2 hodiny 47 minut 2 000 20 000 44 hodin 27 minut 10 000 100 000 3 roky 62 dní J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 16 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Předpověď počasí Obdobné výpočty provádíme i v předpovědi počasí potřebujeme relativně jemné rozlišení pro zachycení malých, ale signifikantních jevů mřížka přes celou planetu je fakt velká extrémní množství výpočtů problém se vstupními daty: pro predikci budoucnosti potřebujeme rozumně přesně znát současnost na příkladě výše je zřejmé, že nemůžeme úplně snadno zvyšovat rozlišení J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 17 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Co s výpočetní náročností Když nám počítač nestačí pořídíme dva počítače (či dva tisíce počítačů, dva miliony počítačů...) Jak bychom řešili výpočet šíření tepla na více počítačích? zkuste si představit, že řešíte dvourozměrný problém „ručně” na čtverečkovaném papíru J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 18 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Distribuce mezi více počítačů Metoda konečných diferencí se paralelizuje snadno počítače zpracovávají každý svou část prostoru, musí si vyměňovat hranice ne všechny výpočty se paralelizují tak snadno J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 19 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Řazení čísel Uvažujme problém seřazení posloupnosti čísel zkuste navádět přednášejícího, jak to udělat a následně problém zobecnit J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 20 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Řazení čísel Má více možných řešení, zde si představíme jednoduché (ne nejrychlejší) mějmě vstupní posloupnost čísel velikosti n a výstupní posloupnost (na začátku prázdnou) opakujme n× odstraň nejvyšší (nejnižší) číslo se vstupní posloupnosti vlož jej na konec výstupní posloupnosti celkově n2 kroků (lze lépe, ale jako ilustrace stačí) J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 21 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Řazení čísel Jak zrychlit takovéto řazení na více počítačích? zkuste navádět dva přednášející, jak to udělat :-) hledejte způsob, který by fungoval pro hodně dlouhé posloupnosti a velký počet přednášejících J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 22 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Řazení čísel Jak zrychlit takovéto řazení na více počítačích? zkuste navádět dva přednášející, jak to udělat :-) hledejte způsob, který by fungoval pro hodně dlouhé posloupnosti a velký počet přednášejících Řešení rozdělíme vstup na dvě části, každou seřadíme zvlášť tyto seřazené části spojíme tak, aby aby byl výsledek opět seřazený (do výsledné posloupnosti přihazujeme vždy vyšší (nižší) prvek z obou struktur) bonusová otázka – kolik to stojí operací? nenarazili jsme náhodou na rychlejší algoritmus? J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 22 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Studium struktury biomolekul Pro porozumění mnoha biologických procesů je zapotřebí znát molekulární strukturu látek, které se na procesech podílí zobrazení molekul lze realizovat pomocí krystalografie, NMR a elektronové mikroskopie jednotlivé metody mají své omezení Zobrazení částic v přirozeném prostředí pro spoustu biologicky relevantních částic (proteiny, viry) je přirozené prostředí voda pokud bychom je studovali mimo vodu, jejich struktura se zhroutí pokud bychom je studovali v tekuté vodě, budou se hýbat cryo-elektronová mikroskopie zobrazuje částice v tenké vrstvě ledu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 23 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Cryo-elektronová mikroskopie J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 24 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI A teď zpět k COVIDu Jedním z potenciálních terčů terapie je spike-glykoprotein, kterým se virus váže na lidskou buňku (ACE2 receptor) spike protein můžeme zablokovat, aby se na ACE2 receptor nevázal můžeme naučit imunitní systém spike protein rozeznávat (a likvidovat) zajímá nás tedy, jak tento protein vypadá a jak se chová využijeme cryo-elektronovou mikroskopii J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 25 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Cryo-elektronová mikroskopie Velké množství exemplářů studovaného vzorku zmrazíme v tenké vrstvě ledu a vložíme do elektronového mikroskopu získáme velmi zašuměný obraz (pouhým okem nedokážeme rozlišit jednotlivé částice) chceme získat 3D strukturu vzorku Proč je to komplikované vidíme atomy vzorku obklopeného atomy tvořícími vodu vysoký podíl přirozeného šumu (elektronový paprsek je velmi slabý, jinak by nám zničil vzorek) nedokonalá data (mikroskop se třese, optika není dokonalá a má vady) studované částice jsou v neznámé orientaci, mohou být kontaminovány J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 26 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Cryo-elektronová mikroskopie Hrubá data, která získáme z mikroskopu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 27 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Cryo-elektronová mikroskopie Výstup, který očekáváme J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 28 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Rekonstrukce dat Jak získáme smysluplná data z šumu? šum je náhodný, vzorek stále stejný pokud sečteme velké množství zašuměných obrázků, šum se potlačí a získáme signál Analogie: roj včel představte si, že mezi vámi a přednášejícím létá hustý roj včel pokud uděláte jednu fotku, vidíte v podstatě jen včely, velmi malé procento obrazu obsahuje kousky přednášejícího opravdu velké množství fotek bude dohromady obsahovat celého přednášejícího, který bude vždy stejný, zatímco včely budou vždy na lehce jiné pozici pokud fotky spojíte, začne být přednášející zřetelný J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 29 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Rekonstrukce dat Opravdu je to tak jednoduché? v mikroskopu se nedíváme s různým šumem na jednu částici, ale na mnoho jejich kopií každá kopie může být jinak otočená v analogii s rojem včel: představte si, že se přednášející při každé fotce otočí do jiné pozice či poodejde J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 30 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Rekonstrukce dat Hlavní kroky v cryo-EM vytvoření movies: sloučení více fotek stejného kusu ledu (potlačení šumu daného slabým proudem elektronů) vybrání a kategorizace částic: vyřazení kontaminace, nalezení částic zachycených ze stejného úhlu 3D rekonstrukce: vytvoření 3D objektu z jednotlivých projekcí částice J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 31 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Vytváření movies J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 32 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Vytváření movies J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 33 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Vytvoření 2D projekcí J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 34 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI 3D rekonstrukce J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 35 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Kde je informatika? Máme velké množství dat, model, a hledáme jeho parametry vytvoření movies: model deformace v mikroskopu (parametry jsou posun a vzdouvání obrazu) vybrání a kategorizace částic: metrika podobnosti jednotlivých částic (parametry jsou translace a rotace) 3D rekonstrukce: 3D model projekcí částic (parametry jsou úhly částic) J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 36 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Kde je informatika? Hlavní výpočetně náročné části zpracování obrazu vytvoření movies: sloučení více fotek stejného kusu ledu (potlačení šumu daného slabým proudem elektronů) vybrání a kategorizace částic: vyřazení kontaminace, nalezení částic zachycených ze stejného úhlu 3D rekonstrukce: vytvoření 3D objektu z jednotlivých projekcí částice Práce s velkým množstvím dat z mikroskopu dostaneme TB identifikujeme stovky tisíc částic iterativní rozdělování částic do tříd, zpřesňování 3D modelu atp. J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 37 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Kde je informatika? Zrychlování výpočtu matematicky odlišné metody chytřejší algoritmy paralelizace a GPU akcelerace Proč potřebujeme rychlost? menší rekonstrukce zvládnutelné na desktopu či malém clusteru proces je částečně interaktivní rozdíl, jestli vidíte změnu parametru za 30 minut, nebo druhý den J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 38 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Zpět k COVIDu První struktura spike proteinu byla zjištěna pomocí cryo-EM Ismail, A.M., Elfiky, A.A. SARS-CoV-2 spike behavior in situ: a Cryo-EM images for a better understanding of the COVID-19 pandemic. Sig Transduct Target Ther 5, 252 (2020). J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 39 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Zpět k COVIDu Co nám struktura prozrazuje? trimer se na konci rozevírá (získal přezdívku Demogorgon), na ACE2 se váže v otevřeném stavu (viz https://www.youtube.com/watch?v=ieF7ER1wvT0&t=1s) díky znalosti struktury vazebné domény lze hledat léčiva, co ji zablokují spike protein se vyskytuje i v postfúzním tvaru (možná ochrana proti imunitní reakci) J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 40 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Transportní procesy v proteinech Proteiny jsou velké biomolekuly stavební prvky živých organizmů biologická funkce založená na interakci s malými molekulami (ligandy) či jinými proteiny Transport ligandů ligand může upravit funkci proteinu, či tuto funkci zablokovat v případě enzymů naopak protein (enzym) katalyzuje přeměnu ligandu studium reakcí protein-ligand důležité mimo jiné při vývoji léčiv (inhibice funkce nežádoucího proteinu) u části proteinů musí ligand projít tunelem, než dojde k interakci – nezajímá nás jen výsledná poloha ligandu, ale i cesta proteinem J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 41 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Cesty v proteinu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 42 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Hledání cest v proteinech Chceme najít cestu z venkovního prostředí na specifické místo v proteinu působení různých chemických sil ligand i protein jsou flexibilní tělesa, můžou se měnit Možné přístupy molekulový docking: rychlý, ignoruje cestu, hledá nejlepší polohu v cílovém místě geometrický: rychlý, ignoruje chemické síly molekulová dynamika: simuluje systém protein-ligand v čase, výpočetně nárořný hybridní: jednodušší výpočetní model, ale stále zahrnuje síly J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 43 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Analogie Zaveďme si analogii představte si, že máte hospodu a chcete najít vhodný typ zákazníků, kteří do ní budou chodit zákazníkům se musí líbit na místě (musí jim chutnat nabízené pivo) zákazníkům se musí chtít do hospody chodit (jeden zákazník bude preferovat hospodu v centru města, druhý v lese, třetí na kopci) J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 44 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI V naší analogii Molekulový docking víme, jak se bude zákazníkům líbit v hospodě, ale nevíme, jestli jsou spokojení s cestou Geometrický přístup víme, zda zákazník projde dveřmi Molekulová dynamika kompletně simuluje zákazníky, včetně spánku, cesty do práce atp. J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 45 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI CaverDock Na ÚVT se ve spolupráci s PřF zabýváme vývojem hybridní metody, implementované v software CaverDock molekulový docking upravený tak, aby dokoval postupně podél tunelu až do místa, které nás zajímá ligand „chytneme” za jeden atom a táhneme jej přes tunel (v každém kroku hledáme nejlepší ne příliš vzdálenou polohu) oproti molekulové dynamice nižší náročnost: simulujeme jen cestu, která nás zajímá, oproti geometrické metodě známe chemické síly V naší analogii vezmeme zákazníka do hospody, po cestě a na místě měříme, jak je spokojený J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 46 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI CaverDock https://www.fi.muni.cz/~xfilipov/caverdock/linb-wt-p1-wiew1.mp4 J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 47 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Časová náročnost Jak velké množství voleb cesty pro ligand máme? v každém kroku se můžeme posunout ve třech dimenzích, rotovat dle tří os a ohýbat vazby v ligandu: celkově n dimenzí, typicky n > 10 abychom došli z venkovního prostředí na místo, musíme udělat m kroků, kde m je typicky několik desítek celkově bez detekce dualit O(nm ) možných cest Můžeme zkontrolovat všechny cesty? řekněme, že máme 10 dimenzí (a pro jednoduchost v každé můžeme provést jen dva možné posuny), 50 kroků a zvládneme spočítat pozici a energii pro 1 000 000 kroků za sekundu při jednoduché implementaci (bez sjednocování duplicit) bychom potřebovali více než 1036 let (odhadované stáří vesmíru je 1010 let) exponenciální algoritmus: 10 kroků zvládneme za 3 hodiny zde nás nespasí rychlejší počítač, potřebujeme chytřejší algoritmus J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 48 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Chytřejší algoritmus Budeme akceptovat jen některé polohy ligandu takové, které jsou v energetickém minimu a zároveň dostatečně blízko předešlé polohy namísto hrubého prohledávání se jedná o matematickou optimalizaci při pohybu tunelem vycházíme z nejlepší dosud známé cesty, ostatní ignorujeme pokud se dostaneme do pozice s příliš vysokou energií, zkusíme najít jinou polohu (bez požadavku na blízkost) a couvat J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 49 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu Můžeme detekovat, že ligand neprojde J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 50 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu Můžeme detekovat, že ligand neprojde J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 50 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu Můžeme detekovat, že ligand neprojde J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 50 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu Můžeme detekovat, že ligand neprojde J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 50 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu Můžeme detekovat, že ligand neprojde J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 50 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu V některých případech lze nalezenou překážku překonat změnou pozice ligandu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 51 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu V některých případech lze nalezenou překážku překonat změnou pozice ligandu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 51 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu V některých případech lze nalezenou překážku překonat změnou pozice ligandu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 51 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu V některých případech lze nalezenou překážku překonat změnou pozice ligandu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 51 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu V některých případech lze nalezenou překážku překonat změnou pozice ligandu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 51 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Pohyb ligandu V některých případech lze nalezenou překážku překonat změnou pozice ligandu J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 51 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Časová náročnost Kolik včetních kroků udělá chytřejší algoritmus? tunel délky m, v každém kroku se můžeme vracet až na začátek jsme omezeni na O(m2 ) spuštění matematické optimalizace Srovnání s prohledáváním předpokládejme, že matematická optimalizace je 100000× pomalejší než prostý výpočet energie pro příklad s 10 dimenzemi a 50 kroky v tunelu: nejhůře 250 sekund (naivní algoritmus 1036 let) J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 52 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI A zase k tomu COVIDu Útok na spike protein koronaviru aby došlo na navázání na lidský ACE2 receptor, musí se vazebné domény otevřít pokud bychom našli léčivo, co zapadne do spike proteinu a podrží vazebné domény u sebe, virus nedokáže buňky napadat (zalepíme Demogorgonovi pusu) chceme nalézt takovou molekulu, která nasedne do vnitřní dutiny spike proteinu a bude v ní silně držet navrhli jsme několik schválených léčiv, které by mohly spike protein blokovat1 1G. Pinto et al. Screening of world approved drugs against highly dynamical spike glycoprotein of SARS-CoV-2 using CaverDock and machine learning. Computational and Structural Biotechnology Journal, Vol. 19, 2021. J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 53 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Druhy modelů Statistický vs. výpočetní model výsledky vs. procesy nalezení vlastností vs. predikce chování účinnost léčiva vs. simulace interakce léčiva s relevantními proteiny rekonstrukce cryo-EM dat vs. transportní procesy v proteinech obě metody trpí na garbage in – garbage out J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 54 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Stabilita výpočetního modelu Stabilní systémy cena-poptávka populace kořisti a dravců Nestabilní systémy epidemie známost celebrit Golfový míček ve stabilní a nestabilní pozici J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 55 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Umělá inteligence Co to je umělá inteligence? intuitivní (vágní) definice: uměle vytvořený systém, který dokáže provádět nějakou kognitivní funkci typickou pro inteligentní bytost (člověka) přesnější definice: uměle vytvořený systém, který se dokáže v daném prostředí chovat tak, že maximalizuje své šance dosáhnout stanoveného úkolu Strojové učení schopnost systému zlepšovat sebe sama bez explicitních instrukcí od tvůrce systému podmnožina umělé inteligence J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 56 / 57 Simulace a zpracování dat J. Filipovič Úvod Osnova O virech Modelování a simulace Náročné simulace Šíření tepla Paralelizace cryo-EM Motivace Jak funguje Práce pro informatika COVID Transport v proteinech Motivace Výpočetní model COVID Další úvahy Vlastnosti modelů AI Umělá inteligence Aniž bychom to zmiňovali, AI se vyskytuje i v dnes probraných případech CaverDock: hledání cesty pro ligand v proteinu patří do kategorie umělé inteligence, nikoliv však strojového učení (algoritmus nedokáže vylepšovat sám sebe) cryo-EM: jistá forma umělé inteligence je parametrizace modelu, navíc při kategorizaci částic lze využít neuronové sítě: např. pro naučení, jak zhruba vypadá hledaná částice z určitého úhlu, následně taková síť rozpoznává částice ze stejné kategorie strojové učení vytváří statistický model: nemusí rozumět procesům stojícím za chováním modelu, ale dokáže model zlepšit na základě pozorování výsledků procesů J. Filipovič ·Simulace a zpracování dat ·8. listopadu 2023 57 / 57