Undersøgelse afslører fejl i længe accepteret tilnærmelse brugt i vandsimuleringer

Beregningsforskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har offentliggjort en undersøgelse i Journal of Chemical Theory and Computation der sætter spørgsmålstegn ved en længe accepteret faktor i simuleringen af ​​vands molekylære dynamik:tidstrinnet på 2 femtosekund (en kvadrilliontedel af et sekund). Femtosekundet er en tidsskala, der bruges af forskere til at måle de ultrahurtige processer af atomer og molekyler.

Ifølge holdets resultater kan brug af noget større end et 0,5 femtosekunds tidstrin – det tidsinterval, som en computersimulering analyseres med – introducere fejl i både dynamikken og termodynamikken, når man simulerer vand ved hjælp af en stiv kropsbeskrivelse.

Fordi vand er den mest udbredte komponent i biomolekylære simuleringer - fra proteinensembler til nukleinsyrer - kan holdets anbefaling om et 0,5 femtosekunds tidstrin for bedre nøjagtighed forårsage nogle bølger i det videnskabelige samfund. Tidstrinnet på 2 femtosekunder har været accepteret som standard i vandsimuleringer i næsten 50 år.

"Dette har brede implikationer, fordi vand er den aktive bestanddel i cellebiologi. Vand er livets matrix, og alle de simuleringer, vi laver på biologiske systemer, er altid i vand. Men hvis du simulerer den væske på en måde, der bryder en grundlæggende princip om statistisk ligevægtsmekanik, det er et problem," sagde medforfatter Dilip Asthagiri, en senior biomedicinsk computerforsker i ORNL's Advanced Computing for Life Sciences and Engineering-gruppe.

Molekylære simuleringer løser Newtonske bevægelsesligninger for at belyse, hvordan molekylerne udvikler sig over tid. Af særlig interesse for forskere, der udfører sådanne beregninger, er bestemmelsen af ​​de resulterende systemtemperaturer.

En af grundsætningerne i statistisk mekanik er, at hvis et system er i ligevægt, så skal temperaturerne forbundet med dets translationelle bevægelse (bevægelse langs en linje) og rotationsbevægelse være de samme. Hvis disse to temperaturer er forskellige, er simuleringen ikke i ligevægt. Ifølge holdets resultater er det det væsentlige problem med at bruge tidstrin længere end 0,5 femtosekunder til at simulere vand.

Brugen af ​​tidstrinnet på 2 femtosekunder i simuleringer opstod fra et papir udgivet i 1977, hvor beregningstiden var langt dyrere beregningsmæssigt. Fordi den fleksible binding mellem ilt og brint vibrerer hurtigt, er de tidstrin, der er nødvendige for nøjagtigt at beregne denne vibration, meget små, hvilket kræver mere computertid til at fange nok intervaller til at studere. Fordi den bevægelse er den hurtigste, er det tidstrin det, der skal bruges i evolutionen for at få det rigtige svar.

Avisens forfattere ønskede at vide, om der var en måde at bruge længere tidstrin og give mulighed for færre intervaller og længere simuleringer. Disse forskere foreslog en stiv kropsbeskrivelse af vand for at gøre netop det.

"Arbejdet fra 1977 sagde grundlæggende, at vibrationerne fra ilt-brint-bindingen kan afkobles fra translation og rotation, og derfor burde frysning af vibrationerne ved at behandle vand som en stiv krop give en mulighed for at tage et stort skridt," sagde Asthagiri. "Siden den tid er den stive bindingsmodel blevet standarden - den kanoniske måde, som videnskabsmænd ser på dette på."

Men Asthagiri opdagede, at brugen af ​​denne metode kan forårsage uoverensstemmelser i temperaturerne mellem vandmolekylernes translationelle og roterende bevægelser, hvilket betyder, at simuleringen kan give forkerte resultater.

"Det, Dilip fandt ud af, er, at hvis man går med et for langt tidstrin, har man en tendens til at få unøjagtige værdier for både termodynamikken og dynamikken i vandets bevægelse, som er det medium, som alle disse molekyler bevæger sig i. Faktisk kan man få en falsk friktion, enten for stor eller for lille, på grund af denne tilnærmelse af et for langt tidstrin, Og hvis du har friktionen af, betyder det, at bevægelsen af ​​disse molekyler også vil være slukket," sagde co-. forfatter Tom Beck, sektionsleder for Science Engagement i National Center for Computational Sciences på ORNL.

Asthagiri bemærkede først denne forskel i temperaturer som forskningsprofessor ved Rice University i 2021. Han og en kandidatstuderende simulerede vand i det superkølede regime og fandt ud af, at gennemsnitstemperaturen i logfilen var lavere end den indstillede temperatur.

"Det var en forskel på 1 Kelvin, og du kan sagtens ignorere det, men det blev systematisk set ved forskellige temperaturer. Og det var fingerpeg om, at der var noget galt - okay, måske én temperatur, men flere temperaturer med samme adfærd? Der Der må være noget galt," sagde Asthagiri.

Efter at have tilsluttet sig ORNL i 2022 begyndte Asthagiri at undersøge rotation og translation separat i stedet for at bruge stedets koordinater og hastigheder, som er standardmængder, som biomolekylære simuleringskoder producerer. Formulering af ligningerne for disse bevægelser separat var i øvrigt den tilgang, der blev brugt af forfatterne til det allerførste papir nogensinde skrevet om simulering af vand i 1971. Disse forfattere anbefalede et tidstrin på 0,4 femtosekunder.

"Vi er nødt til at gå tilbage til det oprindelige arbejde med hensyn til at være forsigtige. Der er ikke noget galt med at lave site-hastigheder, men hvis du gør det som site-hastigheder, så skal du tage et tidstrin, der er lille nok til at temperaturer mellem oversættelse og rotation er den samme i gennemsnit," sagde Asthagiri.

Beregningsforskere kan nemt foretage ændringen til trin på 0,5 femtosekund, hvis de vælger at gøre det, selvom det også ville resultere i kortere simuleringer på grund af længere beregningstider.

"Det er kun ét flag i input-scriptet - 2 til 0,5. Det er en meget simpel switch, men nu er problemet, at du skal bruge mere computertid, det er alt. Men computerkraften er tilgængelig nu," sagde Asthagiri.

Asthagiri har præsenteret undersøgelsens resultater for kolleger ved Telluride Science &Innovation Center og online-serien Statistical Thermodynamics &Molecular Simulations Seminar Series.

"Da jeg præsenterede værket for en online seminarserie om statistisk termodynamik, var den første reaktion lidt af et chok. Det kommer til at tage tid at synke ind," sagde Asthagiri.

Asthagiri vil præsentere resultaterne på en anden workshop arrangeret af Beck for Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire den 6.-8. maj i Pisa, Italien.

Flere oplysninger: Dilipkumar N. Asthagiri et al., MD Simulering af vand ved hjælp af en stiv kropsbeskrivelse kræver et lille tidstrin for at sikre equipartition, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c01153

Leveret af Oak Ridge National Laboratory