将Hamiltonian副系交换与扩散生成模型及重要抽样相结合以评估生物分子构象滞留与势垒
统计力学
2025-10-22 v2 生物物理
化学物理
数据分析、统计与概率
摘要
增强抽样技术对于探索超出常规分子动力学（MD）模拟可及时间尺度的生物分子构象动力学至关重要。本研究引入一种框架，将Hamiltonian副系交换（REST2）与solute tempering结合，融合去噪扩散概率模型（DDPM）和重要抽样，以提升构象自由能图谱的映射。基于先前将DDPM应用于温度副系交换（TREM）的工作，本研究提出两项关键改进。第一项改进是将该方法适用于REST2， treating potential energy as a fluctuating variable。这种改进在大型生物分子系统中实现更高效抽样。第二项改进是开发一种迭代方案，将副系交换、DDPM和重要抽样along known collective variables结合，以进一步提升高势垒区域的分辨率。以mini蛋白CLN025为基准测试，DDPM精炼的REST2在所需副系数量更少的情况下实现了与TREM相当的精度。应用于酶PTP1B时，发现其环态转换路径与先前复杂偏置模拟结果一致，展示了该方法在相对于常规副系交换方法具有最小计算开销的情况下，能够发现高势垒转换。总体而言，这种混合策略实现了更高效的自由能图谱探索，拓展了生成模型在增强抽样模拟中的实用性。
引用
@article{arxiv.2505.08357,
title = {Hamiltonian replica exchange augmented with diffusion-based generative models and importance sampling to assess biomolecular conformational basins and barriers},
author = {Zakarya Benayad and Guillaume Stirnemann},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.08357},
year = {2025}
}