En ny studie från Tel Aviv University har upptäckt att en känd praxis inom informationsteknologi också kan tillämpas på kemi. Forskare fann att allt du behöver göra för att förbättra provtagningen i kemiska simuleringar är att stoppa och starta om.
Forskningen leddes av Ph.D. student Ofir Blumer, i samarbete med professor Shlomi Reuveni och Dr Barak Hirshberg från Sackler School of Chemistry vid Tel Aviv University. Studien publicerades i Nature Communications .
Forskarna förklarar att simuleringar av molekylär dynamik är som ett virtuellt mikroskop. De spårar rörelsen av alla atomer i kemiska, fysikaliska och biologiska system, såsom proteiner, vätskor och kristaller. De ger insikter i olika processer och har olika tekniska tillämpningar, inklusive läkemedelsdesign.
Dessa simuleringar är dock begränsade till processer som är långsammare än en miljondels sekund och kan således inte beskriva långsammare processer som proteinveckning och kristallkärnbildning. Denna begränsning, känd som tidsskalaproblemet, är en stor utmaning på fältet.
Ph.D. student Ofir Blumer säger, "I vår nya studie visar vi att tidsskaleproblemet kan övervinnas genom stokastisk återställning av simuleringarna. Det verkar kontraintuitivt vid första anblicken - hur kan simuleringarna sluta snabbare när de startas om? Ändå visar det sig att reaktionen tiderna varierar avsevärt mellan simuleringar. I vissa simuleringar sker reaktioner snabbt, men andra simuleringar försvinner i mellanlägen under långa perioder. Återställning förhindrar att simuleringarna fastnar i sådana intermediärer och förkortar den genomsnittliga simuleringstiden."
Forskarna kombinerade också stokastisk återställning med Metadynamics, en populär metod för att påskynda simuleringarna av långsamma kemiska processer. Kombinationen tillåter större acceleration än båda metoderna separat. Dessutom bygger Metadynamics på förkunskaper:reaktionskoordinaterna måste vara kända för att påskynda simuleringen.
Kombinationen av Metadynamics med återställning minskar beroendet av förkunskaper avsevärt, vilket sparar tid för utövare av metoden. Slutligen visade forskarna att kombinationen ger mer exakta förutsägelser om hastigheten för långsamma processer. Den kombinerade metoden användes för att framgångsrikt förbättra simuleringar av proteinveckning i vatten, och den förväntas tillämpas på fler system i framtiden.
Mer information: Ofir Blumer et al, Kombinera stokastisk återställning med metadynamics för att påskynda simuleringar av molekylär dynamik, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44528-w
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Tel-Aviv University
