Volgens de bevindingen van het team kan het gebruik van een tijdstap groter dan 0,5 femtoseconde (het tijdsinterval waarmee een computersimulatie wordt geanalyseerd) fouten introduceren in zowel de dynamiek als de thermodynamica bij het simuleren van water met behulp van een beschrijving van een star lichaam.

Omdat water het meest voorkomende onderdeel is van biomoleculaire simulaties – van eiwitensembles tot nucleïnezuren – zou de aanbeveling van het team van een tijdstap van 0,5 femtoseconde voor een betere nauwkeurigheid voor wat golven in de wetenschappelijke gemeenschap kunnen zorgen. De tijdstap van 2 femtoseconden wordt al bijna 50 jaar als standaard geaccepteerd in watersimulaties.

‘Dit heeft brede implicaties omdat water het actieve bestanddeel is in de celbiologie. Water is de matrix van het leven, en alle simulaties die we doen op biologische systemen vinden altijd in water plaats. Maar als je die vloeistof simuleert op een manier die een breuk verbreekt, fundamentele principe van evenwichtsstatistische mechanica, dat is een probleem", zegt co-auteur Dilip Asthagiri, een senior computationeel biomedisch wetenschapper in de Advanced Computing for Life Sciences and Engineering-groep van ORNL.

Moleculaire simulaties lossen Newtoniaanse bewegingsvergelijkingen op om te verduidelijken hoe de moleculen in de loop van de tijd evolueren. Van bijzonder belang voor onderzoekers die dergelijke berekeningen uitvoeren, is de bepaling van de resulterende systeemtemperaturen.

Een van de principes van de statistische mechanica is dat als een systeem in evenwicht is, de temperaturen die verband houden met de translatiebeweging (beweging langs een lijn) en de rotatiebeweging hetzelfde moeten zijn. Als die twee temperaturen verschillen, is de simulatie niet in evenwicht. Volgens de bevindingen van het team is dat het essentiële probleem bij het gebruik van tijdstappen langer dan 0,5 femtoseconden om water te simuleren.

Het gebruik van de tijdstap van 2 femtoseconden in simulaties kwam voort uit een artikel dat in 1977 werd gepubliceerd, toen de rekentijd rekenkundig veel duurder was. Omdat de flexibele binding tussen zuurstof en waterstof snel trilt, zijn de tijdstappen die nodig zijn om die trilling nauwkeurig te berekenen erg klein, waardoor er meer rekentijd nodig is om voldoende intervallen vast te leggen om te kunnen bestuderen. Omdat die beweging het snelst is, is die tijdstap degene die gebruikt moet worden in de evolutie om het juiste antwoord te verkrijgen.

De auteurs van het artikel wilden weten of er een manier was om langere tijdstappen te gebruiken en minder intervallen en langere simulaties mogelijk te maken. Om precies dat te doen, stelden die onderzoekers een starre lichaamsbeschrijving van water voor.

"Het werk uit 1977 zei feitelijk dat de trillingen van de zuurstof-waterstofbinding kunnen worden losgekoppeld van translatie en rotatie, en daarom zou het bevriezen van de trillingen door water als een stijf lichaam te behandelen het mogelijk moeten maken om een ​​grote stap in de tijd te zetten," zei Asthagiri. "Sinds die tijd is het rigide-obligatiemodel de standaard geworden – de canonieke manier waarop wetenschappers hiernaar kijken."

Maar Asthagiri ontdekte dat het gebruik van deze methode discrepanties kan veroorzaken in de temperaturen tussen de translatie- en rotatiebewegingen van de watermoleculen, wat betekent dat de simulatie mogelijk onjuiste resultaten oplevert.

‘Wat Dilip ontdekte is dat als je met een te lange tijdstap gaat, je de neiging hebt om onnauwkeurige waarden te krijgen voor zowel de thermodynamica als de dynamiek van de beweging van water, het medium waarin al deze moleculen bewegen. krijg een valse wrijving, te groot of te klein, als gevolg van deze benadering van een te lange tijdstap. En als je de wrijving uitschakelt, betekent dit dat de beweging van deze moleculen ook zal afwijken, "zei co-. auteur Tom Beck, sectiehoofd van Science Engagement in het National Center for Computational Sciences bij ORNL.

Asthagiri merkte dit temperatuurverschil voor het eerst op als onderzoeksprofessor aan de Rice University in 2021. Hij en een afgestudeerde student simuleerden water in het onderkoelde regime en ontdekten dat de gemiddelde temperatuur in het logbestand lager was dan de ingestelde temperatuur.

"Het was een verschil van 1 Kelvin, en je kunt het gemakkelijk negeren, maar het werd systematisch waargenomen bij verschillende temperaturen. En dat was de aanwijzing dat er iets niet klopte:oké, misschien één temperatuur, maar meerdere temperaturen met hetzelfde gedrag? Daar Er moet iets mis zijn", zei Asthagiri.

Nadat hij in 2022 bij ORNL kwam, begon Asthagiri rotatie en translatie afzonderlijk te onderzoeken in plaats van de coördinaten en snelheden van de locatie te gebruiken, wat standaardgrootheden zijn die biomoleculaire simulatiecodes produceren. Overigens was het afzonderlijk formuleren van de vergelijkingen van die bewegingen de aanpak die werd gebruikt door de auteurs van het allereerste artikel dat ooit werd geschreven over het simuleren van water in 1971. Die auteurs adviseerden een tijdstap van 0,4 femtoseconden.

"We moeten teruggaan naar het oorspronkelijke werk als het gaat om voorzichtigheid. Er is niets mis met het uitvoeren van locatiesnelheden, maar als je het doet als locatiesnelheden, dan moet je een tijdstap nemen die zo klein is dat de temperatuur tussen de vertalingen en rotatie zijn gemiddeld hetzelfde,' zei Asthagiri.

Computationele wetenschappers kunnen gemakkelijk de overstap maken naar tijdstappen van 0,5 femtoseconde, als ze daarvoor kiezen, hoewel dit vanwege de langere rekentijden ook zou resulteren in kortere simulaties.

"Het is slechts één vlag in het invoerscript:2 tot 0,5. Het is een heel eenvoudige omschakeling, maar het probleem is dat je meer rekentijd moet gebruiken, dat is alles. Maar de rekenkracht is nu beschikbaar", zei Asthagiri.

Asthagiri heeft de bevindingen van het onderzoek gepresenteerd aan collega's van het Telluride Science &Innovation Center en de online Statistical Thermodynamics &Molecular Simulations Seminar Series.

"Toen ik het werk presenteerde tijdens een online seminarreeks over statistische thermodynamica, was de eerste reactie een beetje een schok. Het zal tijd kosten om door te dringen", zei Asthagiri.

Asthagiri zal de resultaten presenteren tijdens een andere workshop, mede georganiseerd door Beck voor het Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire, op 6 en 8 mei in Pisa, Italië.

Meer informatie: Dilipkumar N. Asthagiri et al, MD Simulatie van water met behulp van een stijf lichaam Beschrijving vereist een kleine stap om equipartitie te garanderen, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c01153

Geleverd door Oak Ridge National Laboratory