RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)能量計(jì)算加速器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、生物大分子的結(jié)構(gòu)對(duì)藥物設(shè)計(jì)起著重要作用。對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)的預(yù)測是生物信息學(xué)中很重要的一個(gè)研究領(lǐng)域。RNA作為生物大分子核酸的一種，其結(jié)構(gòu)在蛋白質(zhì)的合成過程中具有重要的作用。由于常規(guī)的生物實(shí)驗(yàn)方法預(yù)測RNA三級(jí)結(jié)構(gòu)的成本較高，人們常使用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算方法來預(yù)測其二級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而用來研究三級(jí)結(jié)構(gòu)。一般認(rèn)為自由能值最小的那個(gè)RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的。隨著RNA序列長度變長，預(yù)測二級(jí)結(jié)構(gòu)的計(jì)算復(fù)雜度變得越來越大、所需要的計(jì)算資源變得越來越多。進(jìn)行

2、RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)最小自由能值的高速并行計(jì)算變得尤為重要。
　　本文以加速RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)能量計(jì)算為主線。RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)能量計(jì)算加速器的輸入是RNA序列。而RNA和蛋白質(zhì)之間是有很大關(guān)聯(lián)的。本文首先研究了由蛋白質(zhì)序列轉(zhuǎn)換到mRNA序列的算法。其次RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)能量計(jì)算加速器的輸出為RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)和其自由能值。因此本文在預(yù)測RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)部分首先研究了遺傳算法，然后針對(duì)遺傳算法的缺陷結(jié)合了模擬退火算法的優(yōu)勢，最終RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)能量計(jì)算加速

3、器運(yùn)用了基于OpenCL的大規(guī)模種群并行遺傳模擬退火算法來實(shí)現(xiàn)。本文的主要工作及貢獻(xiàn)包括：
　?。?）研究了蛋白質(zhì)表達(dá)方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OpenCL的蛋白質(zhì)到RNA序列轉(zhuǎn)換的并行算法；
　?。?）本文分析了傳統(tǒng)遺傳算法中的主要制約因素，如種群規(guī)模、時(shí)間成本等，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于OpenCL的大規(guī)模種群并行遺傳算法、并進(jìn)行了測試。最終對(duì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行比較分析，驗(yàn)證了算法的加速效果。通過和已知RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)比較分析,驗(yàn)證了該算法

4、隨著種群規(guī)模的增加準(zhǔn)確率有所提高。同時(shí)用Vienna RNA軟件包測試RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)自由能值；
　?。?）深入研究分析了模擬退火算法的優(yōu)勢，在大規(guī)模種群并行遺傳算法的基礎(chǔ)上結(jié)合了模擬退火算法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于OpenCL的大規(guī)模種群并行遺傳模擬退火算法。測試驗(yàn)證了該混合算法減慢了達(dá)到收斂的速度、提升了預(yù)測的準(zhǔn)確率。通過和串行遺傳模擬退火算法運(yùn)行時(shí)間相比，該算法得到了加速。最后用Vienna RNA軟件包測試RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)自由能值。