En la dinámica molecular biológica (MD), ¿para qué se usa el conjunto NVE (número constante, volumen y energía)?

Gracias por el A2A.

Como ya dijeron Bingqing y Robin, el conjunto NVE está más alejado de las condiciones experimentales bioquímicas típicas que los conjuntos NVT o NPT. La mayoría de las simulaciones de dinámica molecular de biomoléculas utilizan un termostato computacional (y un baróstato) para imponer la temperatura y la presión constantes, idealmente con las fluctuaciones correctas.

Dicho esto, esto es para lo que uso las simulaciones NVE.

La configuración de NVE corresponde esencialmente a integrar únicamente las ecuaciones de movimiento, utilizando el integrador de velocidad-Verlet o una de sus variantes. La energía total del sistema debe conservarse con muy buena precisión. Ahora, algo que nos gusta hacer en las simulaciones moleculares es jugar con restricciones armónicas para forzar al sistema a hacer cosas, como forzar una transición conformacional, romper una interacción específica, etc. Si la constante de fuerza es demasiado alta, el período vibratorio asociado se acorta que el tiempo de integración y el integrador deja de conservar energía.

Si intentas hacerlo en NVE, verás que aumenta la energía total del sistema, lo que indica que debes reducir la fuerza constante y / o el paso de tiempo.

Ahora aquí está el truco con las simulaciones NVT: en NVT, está configurando la energía promedio en un valor constante. Significa que si tiene una restricción armónica con una fuerza demasiado alta constante, puede perder la falla de la conservación de energía porque la está forzando artificialmente (en un sentido estadístico) con el termostato. Tales casos pueden conducir a un comportamiento no físico del sistema, no necesariamente fácil de detectar. Gracias a mi compañera de laboratorio Simone Conti por señalarme este efecto. Sucede con el termostato Langevin (que es el procedimiento que utilizamos en nuestro grupo para termostato del sistema), no sé acerca de los otros termostatos.

Entonces , utilizo simulaciones cortas de NVE para asegurarme de que las simulaciones restringidas armónicamente todavía exhiben conservación de energía .

Además, recuerdo haber visto el conjunto NVE para simulaciones publicadas en un caso:

Acoplamiento mecánico en miosina V: un estudio de simulación

Ovchinnikov, Trout & Karplus, JMB, 2010

Hicieron simulaciones NVE no espesas de larga duración de miosina V solvatada para evaluar la estabilidad de sus modelos como preludio de corridas de dinámica molecular específicas. Este es probablemente un ejemplo entre muchos, aunque está claro que las simulaciones NVT y NPT son la norma en la MD biológica.

Entre NVE, NVT y NPT, NVE es el menos poderoso pero tiene la menor cantidad de artefactos. Por lo tanto, NVE se utiliza con fines de referencia o para evitar artefactos.

NVE no es útil la mayor parte del tiempo, porque cada sistema en la naturaleza tiene intercambios de energía con su entorno. Además, muchas cantidades termodinámicas y distribuciones estadísticas se formulan mucho mejor en condiciones de temperatura constante (T) y presión (P). Por lo tanto, la mayoría de las veces realmente necesitas T y P.

T y P son las cantidades termodinámicas importantes para describir el calor y el baño de baro que rodea el sistema. Sin embargo, no describen todo sobre el baño. Físicamente hablando, el baño está compuesto de átomos. y cada bit de información sobre esos átomos afecta cómo se comporta el baño. Por ejemplo, estar de pie en el aire helado durante 30 segundos está bien para mí, pero sumergirme en agua helada es otra historia.

¿Qué baño usamos en simulaciones de MD en conjuntos NVT / NPT? No es un baño real, por supuesto. Para imitar el baño físico, utilizamos algoritmos simples como Nose-Hoover, GLE, Anderson, Parrinello-Rahman, etc. para controlar la temperatura y la presión del sistema. Estos algoritmos generalmente no se parecen en nada al baño físico y funcionan de manera distintiva. En muchos casos, estos algoritmos de termostato y barostato pueden tener algún artefacto en las cantidades calculadas. A veces es bastante difícil seleccionar un “baño” que tenga un artefacto insignificante para el problema particular. Y en algunos casos, incluso el “baño” más suave es demasiado agresivo para interrumpir el sistema.

Hay algunos ejemplos en los que es posible que desee renunciar al termostato y al barostato a cambio de menos artefactos. Por lo tanto, NVE se usa a menudo en los siguientes casos.

1) Calcular las propiedades dinámicas del sistema utilizando el teorema de fluctuación-disipación. Por ejemplo, calcular la viscosidad, la difusividad y el espectro de vibración.

2) Observar cómo se produce una reacción química durante el tiempo de simulación.

3) Hacer una evaluación comparativa de un nuevo potencial interatómico o probar qué tan bien funciona una restricción.

Grandes respuestas aquí ya. Pocos puntos adicionales:

  • Como otros han mencionado, el MD biológico generalmente se realiza en T constante en lugar de E constante ( que no es realista) , donde Se produce un intercambio de energía entre el sistema de interés y el medio ambiente. Es por eso que incluso el gran conjunto canónico ([matemática] \ mu VT) [/ matemática] (aparte de NVT y NPT) a menudo se usa en estudios que involucran bicapas lipídicas / fusión de membrana, etc.
  • Si nos fijamos en la literatura, hay muchos documentos bio-MD con NVE. Muchos de estos estudios son de los años 80/90, con CHARMM o en estudios de interacción proteína-membrana lipídica [1] [2] [3] [4]. El algoritmo de termostato Berendsen de velocidades de reescalado salió en 84 [5], por lo que claramente algunas personas estaban usando NVE incluso después de que los algoritmos de termostato estaban en su lugar [6]. Una razón potencial que se me ocurre es que simular NVE es computacionalmente más barato, lo que a su vez significa menos errores numéricos y podría haber sido una buena alternativa en los primeros años del desarrollo de MD.
  • También hay algunos estudios de cinética de plegamiento de proteínas con NVE [7] [8], ya que los mecanismos / algoritmos de control de temperatura utilizados para el muestreo canónico pueden afectar la dinámica del sistema.
  • Cualquier algoritmo MD asegura la conservación aproximada de energía, sin deriva, en una simulación NVE larga, si se elige un paso de tiempo apropiado y una función de energía potencial suave. Por lo tanto, la primera prueba con un nuevo algoritmo será con el conjunto NVE para determinar la estabilidad del esquema de integración y el paso de integración más grande que se pueda usar. Esto se usa en el desarrollo de casi todos los modelos de grano grueso para determinar el mayor paso de tiempo (o aceleración) que se puede usar con el campo de fuerza desarrollado.

Mis primeras pruebas con un nuevo modelo de CG siempre son MD microcanónicos, para ver cuánta aceleración puedo lograr y la mejor manera de optimizar mis parámetros de integración.

Notas al pie

[1] http://www.sciencedirect.com/sci

[2] http://www.sciencedirect.com/sci

[3] http://www.sciencedirect.com/sci

[4] Dinámica molecular de alfa-hélices individuales de bacteriorrodopsina en dimyristol fosfatidilocolina. I. Estructura y dinámica.

[5] Dinámica molecular con acoplamiento a un baño externo.

[6] Métodos para simulaciones de dinámica molecular de plegamiento / desplegamiento de proteínas en solución

[7] Simulación de la dinámica molecular de intercambio de réplica microcanónica de proteínas

[8] Describiendo la cinética de plegamiento de proteínas mediante simulaciones de dinámica molecular. 1. Teoría †

Por defecto, existen simulaciones MD en el conjunto microcanónico (NVE), lo que significa que la simulación mantendrá un número de partículas constante (N), un volumen constante (V) y una energía constante (E). Esto da como resultado un sistema aislado que no puede intercambiar ninguna energía (o partículas) con el entorno, con cada microestado posible dentro de un rango de E existente con la misma probabilidad.

La energía constante del conjunto microcanónico descuida los efectos importantes de un sistema que está en equilibrio térmico con su entorno. Esto es diferente a un sistema biológico, por lo que a menudo se describen utilizando el conjunto canónico (NVT) o isotérmico-isobárico (NPT).

Nunca he visto un estudio en biología en el que los autores hayan usado el conjunto NVE, y luchan por imaginar cómo sería útil. Tal vez si estuviera interesado en explorar una superficie de energía constante, o quisiera evitar los efectos de un baño de calor, esto podría ser útil.

¿Quizás uno de nuestros estimados colegas de Quora ha utilizado el conjunto NVE en su trabajo o lo ha visto en acción?

Gracias por el A2A, lo siento, no podría ser de más utilidad.