Hvordan har du prøvet at slukke og tænde den igen? arbejder for kemi, ikke kun computere

En ny undersøgelse fra Tel Aviv University har opdaget, at en kendt praksis inden for informationsteknologi også kan anvendes til kemi. Forskere fandt ud af, at for at forbedre prøvetagningen i kemiske simuleringer, skal du blot stoppe og genstarte.

Forskningen blev ledet af ph.d. studerende Ofir Blumer, i samarbejde med professor Shlomi Reuveni og Dr. Barak Hirshberg fra Sackler School of Chemistry ved Tel Aviv Universitet. Undersøgelsen blev offentliggjort i Nature Communications .

Forskerne forklarer, at simuleringer af molekylær dynamik er som et virtuelt mikroskop. De sporer bevægelsen af ​​alle atomer i kemiske, fysiske og biologiske systemer, såsom proteiner, væsker og krystaller. De giver indsigt i forskellige processer og har forskellige teknologiske anvendelser, herunder lægemiddeldesign.

Disse simuleringer er dog begrænset til processer, der er langsommere end en milliontedel af et sekund og kan således ikke beskrive langsommere processer såsom proteinfoldning og krystalkernedannelse. Denne begrænsning, kendt som tidsskalaproblemet, er en stor udfordring i marken.

Ph.D. studerende Ofir Blumer siger:"I vores nye undersøgelse viser vi, at tidsskalaproblemet kan overvindes ved stokastisk nulstilling af simuleringerne. Det virker kontraintuitivt ved første øjekast - hvordan kan simuleringerne ende hurtigere, når de genstartes? Alligevel viser det sig, at reaktionen tider varierer betydeligt mellem simuleringer. I nogle simuleringer forekommer reaktioner hurtigt, men andre simuleringer forsvinder i mellemtilstande i lange perioder. Nulstilling forhindrer simuleringer i at sidde fast i sådanne mellemprodukter og forkorter den gennemsnitlige simuleringstid."

Forskerne kombinerede også stokastisk nulstilling med Metadynamics, en populær metode til at fremskynde simuleringer af langsomme kemiske processer. Kombinationen tillader større acceleration end hver metode separat. Desuden er Metadynamics afhængig af forudgående viden:reaktionskoordinaterne skal være kendt for at fremskynde simuleringen.

Kombinationen af ​​Metadynamics med nulstilling reducerer afhængigheden af ​​forudgående viden betydeligt, hvilket sparer tid for udøvere af metoden. Endelig viste forskerne, at kombinationen giver mere præcise forudsigelser af hastigheden af ​​langsomme processer. Den kombinerede metode blev brugt til at forbedre simuleringer af et proteinfoldning i vand med succes, og det forventes at blive anvendt på flere systemer i fremtiden.

Flere oplysninger: Ofir Blumer et al., Kombination af stokastisk nulstilling med metadynamics for at fremskynde simuleringer af molekylær dynamik, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44528-w

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Tel-Aviv University