Virtual Research Environment for Molecular Dynamics Simulation Experiments

Bc. Filip Krása

Bachelor's thesis

Abstract:

Simulace molekulární dynamiky (MD) jsou klíčové pro počítačový návrh léčiv a biologický výzkum. Jejich každodenní využití přesto naráží na čtyři omezení. Prvním je absence systematického ladění výkonu. Druhým je orientace dominantních simulačních nástrojů na příkazovou řádku. Třetím je chybějící standardizovaná správa dat. Čtvrtým je odtržení analýzy od zbytku pracovního postupu. Tato práce představuje MDDash, virtuální výzkumné prostředí sjednocující životní cyklus MD simulace do jediné webové platformy. Experiment lze inicializovat pomocí struktury z databáze Protein Data Bank (PDB), z lokálně nahraného souboru nebo z dříve publikovaného záznamu. Systém poté provede uživatele pětifázovým průvodcem. Jednotlivé fáze pokrývají (1) přípravu simulace pomocí reprodukovatelných Jupyter notebooků, (2) automatické ladění výkonu krátkými benchmarkovými běhy, (3) produkční spuštění v naladěné konfiguraci, (4) integrovanou analýzu a vizualizaci a (5) přímou publikaci do MDRepo. MDRepo je doménově specifický repozitář postavený na frameworku InvenioRDM, do něhož se metadata extrahují automaticky. Platforma byla vyhodnocena dvěma způsoby. Prvním byly kvalitativní zpětnovazební rozhovory s doménovými výzkumníky. Druhým byl srovnávací experiment proti tradičnímu pracovnímu postupu v příkazové řádce a proti knihovně BioExcel Building Blocks na referenčním systému lysozymu. Měření ukázalo výrazné snížení času oproti oběma referenčním postupům. MDDash je nasazen a zveřejněn jako open-source projekt.

Abstract:

Molecular dynamics (MD) simulations are essential for computational drug discovery and biological research. Their day-to-day use is nevertheless constrained by four limitations: the absence of systematic performance tuning, the command-line nature of the dominant simulation engines, the lack of standardized data stewardship, and the disconnection of analysis from the rest of the workflow. This thesis presents MDDash, a virtual research environment that unifies the MD simulation lifecycle within a single web-based platform. After an experiment is initialized from a Protein Data Bank (PDB) structure, local upload, or previously published record, the system guides users through a five-stage wizard. The stages cover (1) simulation preparation via reproducible Jupyter notebooks, (2) automatic performance tuning through short benchmark runs, (3) production execution in the tuned configuration, (4) integrated analysis and visualization, and (5) direct publication to MDRepo, a domain-specific repository built on the InvenioRDM framework, with automatically extracted metadata. The platform was evaluated through qualitative feedback sessions with domain researchers and a comparative experiment against the traditional command-line workflow and the BioExcel Building Blocks library on a reference lysozyme system. The comparison showed a substantial reduction in active wall-clock time relative to both baselines. MDDash is deployed and released as an open-source project.

Keywords

Molecular Dynamics, MDDash, GROMACS, AMBER, GROMACS Tuner, BioBB, Mol*, JupyterHub, Kubernetes, MDRepo, InvenioRDM, e-INFRA CZ

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 21. 5. 2026

Thesis defence

• Date of defence: 23. 6. 2026
• Supervisor: Mgr. Adrián Rošinec
• Reader: Mgr. Samuel Gorta

Masaryk University

Faculty of Informatics

Bachelor programme / field:
Programming and development / Programming and development