Адаптация оптимизационного алгоритма дифференциальной эволюции для моделировании нелинейного оптического отклика фотосинтетических пигмент-белковых комплексов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-21-00905

НазваниеАдаптация оптимизационного алгоритма дифференциальной эволюции для моделировании нелинейного оптического отклика фотосинтетических пигмент-белковых комплексов

Руководитель Пищальников Роман Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-205 - Математические модели в науках о живом

Ключевые слова высокопроизводительные вычисления, генетические алгоритмы, дифференциальная эволюция, экситоны френкеля, теория Редфилда, пигмент-белковые комплексы, хлорофилл, каротиноид, фотосинтез, светособирающая антенна, нелинейная оптика

Код ГРНТИ27.35.43

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Современное развитие вычислительных мощностей позволяет по-новому взглянуть на классические проблемы фундаментальной науки, особенно если эти проблемы касаются теоретического и экспериментального исследования биофизики и биохимии живых систем. Эффективная обработка больших объёмов информации и использование суперкомпьютеров для моделирования физических и химических процессов вдохнули новую жизнь в изучение одного из базовых феноменов живой природы - фотосинтеза. Данный термин объединяет достаточно широкий спектр явлений: от "сверхбыстрых" элементарных актов поглощения квантов света, до "медленных" химических реакций образования полисахаридов. Характерные времена "сверхбыстрых" физических процессов оцениваются диапазоном пико- и фемто-секунд, тогда как "медленные" химические процессы происходят в микро и нано временных масштабах. Миллиарды лет эволюции и естественного отбора позволили довести КПД фотосинтеза, как процесса преобразования солнечной энергии в энергию химических связей, практически до 90%, что является недостижимым показателем эффективности для большинства современных устройств и агрегатов. Поэтому, изучение особенностей устройства фотосинтетического аппарата живых организмов и его функционирования крайне важно как для понимания фундаментальных принципов, лежащих в его основе, так и для широкого спектра практических приложений. Методы оптической спектроскопии являются основными физическим методами исследования фотосинтетических пигмент-белковых комплексов или, как их ещё называют, светособирающих антенн. Современное развитие лазерных технологий позволяет получать сверхкороткие импульсы (порядка десяток фемтосекунд), с помощью которых возможно отследить динамику возбуждённых состояний с высоким временным разрешением, тем самым определяя оптимальные пути миграции энергии в антенных комплексах. За последние двадцать лет в исследованиях фотосинтеза произошли революционные изменения, и связано это с открывшейся возможностью кристаллизовать пигмент-белковые комплексы, и получать рентгеноструктурные данные с высоким разрешением. Наличие пространственной структуры позволило создавать квантовые модели сверхбыстрых процессов фотосинтеза, позволяющие интерпретировать большое количество экспериментальных данных. Однако, существуют несколько проблем, требующих отдельного рассмотрения и анализа, и на решение которых направлен проект. Прежде всего, необходимо отметить, что спектроскопия кристаллов органических молекул и пигмент-белковых комплексов необычайно сложна для интерпретации. Как следствие однородного и неоднородного уширений, линии поглощения таких объектов исследования необычно широки, по сравнению с неорганическими кристаллами и металлами. Контур полосы почти всегда является суммой вкладов различных компонент, а белковое окружение и индивидуальные аминокислоты в случае фотосинтетических антенных комплексов еще и возмущают величины энергий электронных переходов в молекулах. Количество свободных параметров может достигать сотен и, поэтому проблема поиска единственного решения, для подобных квантовых систем необычайно актуальна, так как большинство современных исследований даже не пытаются обсуждать единственность предлагаемых механизмов переноса энергии и разделения зарядов. Именно в этом случае ключевую роль могут сыграть параллельное программирование и генетические оптимизационные алгоритмы. Для моделирования экспериментальных данных оптических измерений, снятых на образцах фотосинтетических антенных комплексов, необходимо решать квантовую задачу взаимодействия системы с электромагнитным возмущением. При этом система квантуется (т.е. для неё решается задача на собственные значения), а внешнее поле рассматривается в квазиклассическом приближении. При таком подходе мы можем одновременно моделировать результаты разных спектроскопических измерений на одном и том же образце, тем самым увеличивая шансы найти параметры системы, с помощью которых возможно предсказывание оптического отклика при разных схемах эксперимента. Для достижения поставленных целей мы собираемся использовать многопараметрический оптимизационный метод из семейства генетических алгоритмов, называемый дифференциальная эволюция. Идея метода была предложена двадцать лет назад и к сегодняшнему дню накоплен достаточный опыт использования в различных приложениях. Его основное преимущество над другими генетическими алгоритмами - это возможность непрерывной вариации свободных параметров и, что самое главное, способность алгоритма обходить локальные минимумы, а при правильной настройке находить глобальный минимум. Более того, дифференциальная эволюция очень хорошо параллелизуется и обладает большим потенциалом при использовании на кластерах. Разумеется, что при адаптации к задачам нелинейной оптики необходима модификация основного кода, а также разработка уникальных стратегий поиска глобального минимума. Основным результатом работы предполагается создание программного пакета, позволяющего моделировать линейный и нелинейный оптический отклик как от одиночных молекул, так и от кристаллов и пигмент-белковых комплексов. Данный программный продукт можно будет использовать как консольное приложение, так и запускать на вычислительных кластерах. Интерфейс и процедуры обработки полученных данных должны позволять пользователю эффективно работать над созданием квантовой модели пигмент-белковых комплексов, моделируя одновременно результаты нескольких оптических экспериментов. С помощью разработанного программного обеспечения мы планируем создать квантовые модели фотосинтетических светосибирающих комплексов содержащих десятки и сотни молекул пигментов: такие как хлоросомы, фикобилисомы, фотоситема 1 и фотоситема 2. Предполагается, что помимо фотосинтетических антенных комплексов данное программное обеспечение может быть использовано при моделировании оптических свойств любой, наперёд заданной пространственной конфигурации молекул, в частности при моделировании оптических свойств кристаллов красителей. Также данная программа может быть полезной для создания искусственных фотосинтезирующих систем.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Чесалин Д.Д., Максимов Е.Г., Пищальников Р.Ю. The role of overtones of effective vibronic frequencies in modeling of the linear optical response of carotenoids Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., ThSYC-46 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840175

2. Пищальников Р.Ю., Ярошевич И.А., Зленко Д.В., Цораев Г.В., Осипов Е.М., Лазаренко В.А., Паршина Е.Ю., Чесалин Д.Д., Случанко Н.Н., Максимов Е.Г. The role of the local environment on the structural heterogeneity of carotenoid β-ionone rings Springer Science and Business Media B.V., 10.1007/s11120-022-00955-2 (год публикации - 2022)
10.1007/s11120-022-00955-2

3. Курков В.А., Чесалин Д.Д., Разживин А.П., Ашихмин А.А., Пищальников Р.Ю. The unified approach to simulate absorption spectra of photosynthetic pigments: the combination of artificial intelligence and stochastic theory of optical response Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., ThSYC-45 (год публикации - 2022)
10.1109/ICLO54117.2022.9840184

4. Чесалин Д.Д., Разживин А.П., Дорохов А.С., Пищальников Р.Ю. Monte Carlo simulation affects convergence of differential evolution: a case of optical response modeling Algorithms, 16, 1, 3 (год публикации - 2022)
10.3390/a16010003

5. Разживин А.П., Козловский В.С., Ашихмин А.А., Пищальников Р.Ю. Gaussian Decomposition vs. Semiclassical Quantum Simulation: Obtaining the High-Order Derivatives of a Spectrum in the Case of Photosynthetic Pigment Optical Properties Studying MDPI, Switzerland, 23, 19, 8248 (год публикации - 2023)
10.3390/s23198248

6. Чесалин Д.Д., Курков В.А., Пищальников Р.Ю. Solvent effects on the optical properties of photosynthetic pigments evaluated by evolutionary optimization IOP Publishing (год публикации - 2023)

7. Чесалин Д.Д., Пищальников Р.Ю. Peculiarities of electron-phonon interaction in photosynthetic pigments revealed in optical response modeling Springer, 15, 5, 1608 (год публикации - 2023)
10.1007/s12551-023-01150-w

8. Курков В.А., Чесалин Д.Д., Разживин А.П., Пищальников Р.Ю. A novel method for the determination of the optical spectral density of pigments; modelling of the absorption of carotenoids and porphyrinic dyes Springer, 15, 5, 1624 (год публикации - 2023)
/10.1007/s12551-023-01150-w

9. Пищальников Р.Ю. Optical properties, energy transfer and charge separation in photosynthetic reaction centers Springer, 15, 5, 1643 (год публикации - 2023)
10.1007/s12551-023-01150-w

10. Курков В.А., Чесалин Д.Д.,Разживин А.П., Шкирина У.А., Пищальников Р.Ю. Универсальный метод определения интенсивности электрон-фононного взаимодействия в фотосинтетических пигментах с помощью эволюционного алгоритма оптимизации Химическая физика (год публикации - 2024)

Публикации