向元动力学中添加炼金变量以增强自由能计算中的采样
统计力学
2023-12-15 v2
摘要
执行炼金变换（将一个分子系统非物理地变为另一系统）是用于执行与各种生物物理过程（如蛋白质-配体结合或分子在环境间转移）相关的自由能计算的流行方法。尽管以并行（如哈密顿副本交换）或串行（如扩展系综）方式对炼金中间态采样可桥接感兴趣的两个末端态在构型空间中的高概率区域，但当构型空间中最重要的慢自由度在很大程度上正交于炼金变量，或系统陷入在构型与炼金空间中均延伸的深势阱时，炼金方法可能失效。为缓解这些问题，我们提出将炼金变量作为元动力学中的附加维度，增强对集体变量的采样能力并提升自由能计算中的采样。本研究中，我们在PLUMED中验证了炼金元动力学的实现，测试系统及炼金过程具有不同复杂度和集体变量空间维度，包括玩具系统扭转亚稳态间的互变，以及核苷在孤立形式和双链中两者的甲基化。我们表明多维炼金元动力学可应对上述挑战，并通过引入构型集体变量进一步加速采样。该方法可平凡地与PLUMED中实现的其他基于元动力学的算法结合。必要的PLUMED代码更改已发布供PLUMED 2.8中通用。
引用
@article{arxiv.2206.01329,
title = {Adding alchemical variables to metadynamics to enhance sampling in free energy calculations},
author = {Wei-Tse Hsu and Valerio Piomponi and Pascal T. Merz and Giovanni Bussi and Michael R. Shirts},
journal= {arXiv preprint arXiv:2206.01329},
year = {2023}
}