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多尺度大分子模拟:演变集合体的作用。

Multiscale macromolecular simulation: role of evolving ensembles.

机构信息

Center for Cell and Virus Theory, Department of Chemistry, Indiana University, Bloomington, Indiana 47405, USA.

出版信息

J Chem Inf Model. 2012 Oct 22;52(10):2638-49. doi: 10.1021/ci3002952. Epub 2012 Sep 28.

DOI:10.1021/ci3002952
PMID:22978601
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3721968/
Abstract

Multiscale analysis provides an algorithm for the efficient simulation of macromolecular assemblies. This algorithm involves the coevolution of a quasiequilibrium probability density of atomic configurations and the Langevin dynamics of spatial coarse-grained variables denoted order parameters (OPs) characterizing nanoscale system features. In practice, implementation of the probability density involves the generation of constant OP ensembles of atomic configurations. Such ensembles are used to construct thermal forces and diffusion factors that mediate the stochastic OP dynamics. Generation of all-atom ensembles at every Langevin time step is computationally expensive. Here, multiscale computation for macromolecular systems is made more efficient by a method that self-consistently folds in ensembles of all-atom configurations constructed in an earlier step, history, of the Langevin evolution. This procedure accounts for the temporal evolution of these ensembles, accurately providing thermal forces and diffusions. It is shown that efficiency and accuracy of the OP-based simulations is increased via the integration of this historical information. Accuracy improves with the square root of the number of historical timesteps included in the calculation. As a result, CPU usage can be decreased by a factor of 3-8 without loss of accuracy. The algorithm is implemented into our existing force-field based multiscale simulation platform and demonstrated via the structural dynamics of viral capsomers.

摘要

多尺度分析为大分子组装的高效模拟提供了一种算法。该算法涉及准平衡原子构型概率密度和描述纳米尺度系统特征的空间粗粒变量(即序参数,OP)的朗之万动力学的共同演变。在实践中,概率密度的实现涉及原子构型的恒定 OP 集合的生成。这些集合用于构建热力和扩散因子,从而介导随机 OP 动力学。在每个朗之万时间步长生成全原子集合在计算上是昂贵的。在这里,通过一种方法使大分子系统的多尺度计算更加高效,该方法在朗之万演化的早期步骤“历史”中自洽地折叠全原子构象的集合。该过程考虑了这些集合的时间演变,准确地提供了热力和扩散。结果表明,通过整合此历史信息,基于 OP 的模拟的效率和准确性得到提高。准确性随计算中包含的历史时间步长的平方根而提高。因此,在不损失准确性的情况下,CPU 使用率可以降低 3-8 倍。该算法已被实现到我们现有的基于力场的多尺度模拟平台中,并通过病毒衣壳子的结构动力学进行了演示。