Optimización de procesos de ajuste en microscopia electrónica y cribado virtual de proteínas mediante arquitecturas gráficas

Resumen

En el campo de la bioinformática existe un elevado número de procesos que requieren de una alta capacidad computacional. Entre ellos se encuentran el alineamiento de imágenes de microscopía electrónica y el cribado virtual de proteínas. El alineamiento de imágenes es un subproceso empleado en la reconstrucción de volúmenes tridimensionales de moléculas observadas con el microscopio electrónico. Su propósito es el de ajustar las imágenes experimentales en una misma posición y orientación para luego promediarlas y así reducir el ruido que poseen y mejorar la cantidad de señal. Normalmente este proceso implica realizar millones de alineamientos entre imágenes. Por otra parte, el cribado virtual de proteínas es un proceso clave en el descubrimiento de nuevos fármacos. Su objetivo es filtrar los compuestos químicos que interaccionan con cierta proteína objetivo de los que no. Cada compuesto puede evaluarse en millones de posiciones y orientaciones diferentes. Además, sobre una misma proteína objetivo se prueban típicamente del orden de millones de compuestos químicos diferentes. Actualmente se dispone de una gran variedad de dispositivos capaces de hacer cómputo de altas prestaciones mediante los cuales se pueden resolver de forma eficiente los problemas planteados. En concreto las tarjetas gráficas actuales ofrecen un alto rendimiento a un coste reducido en comparación con los tradicionales supercomputadores. Este trabajo de tesis se centra en la adaptación de los dos procesos expuestos a arquitecturas gráficas. Con respecto al alineamiento de imágenes de microscopía electrónica se propone la adaptación de un nuevo método denominado Fast Bessel Matching. Por otra parte, para realizar el cribado virtual de proteínas de un modo más eficiente se propone la adaptación de un nuevo método denominado FRODRUG. De cada procedimiento se han realizado tres adaptaciones: una secuencial para CPUs, otra paralela para GPUs y por último una para sistemas de memoria distribuida. De la investigación realizada en esta tesis se ha podido concluir que Fast Bessel Matching es capaz de realizar alineamientos correctos con un error subpixel. La versión GPU de este método alinea casi 50 veces más rápido que su correspondiente versión secuencial. Por otra parte, FRODRUG es capaz de realizar el cribado virtual de proteínas con éxito, identificando muchos de los ligandos que se unen a una proteína dada y desechando gran cantidad de los que no lo hacen. La versión paralela en GPU de FRODRUG lleva a cabo el cribado hasta 30 veces más rápido con respecto a su adaptación secuencial.