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而成员引力学模拟作为生物分子成效剖析的强硬工具和商量手腕,进步了分块方法对带电种类的简政放权精度(J.

24 4月 , 2020  

我校化学化工学院、介观化学教育部重点实验室、理论与计算化学研究所黎书华教授、李伟副教授、马晶教授在美国化学会综述期刊Accounts
of Chemical Research上发表题为“Generalized Energy-Based Fragmentation
Approach and Its Applications to Macromolecules and Molecular
Aggregates”(推广的基于能量的分块方法及其在大分子和分子聚集体中的应用)的特邀综述(Shuhua
Li, Wei Li, and Jing Ma, Acc. Chem. Res. 2014, Articles ASAP. DOI:
10.1021/ar500038z)。

在凝聚态物理领域,利用第一性原理计算研究凝聚态体系基态的物理性质已经较为成熟,然而对于激发态性质的描述,尤其是激发态载流子动力学,仍然存在很大的挑战。最近,中国科学技术大学物理学院与合肥微尺度物质科学国家研究中心国际功能材料量子设计中心赵瑾教授研究组在激发态动力学及相关能量转换的微观机理方面取得了一系列重要进展,相关研究成果相继发表在权威学术期刊《J.Am.Chem.Soc.》,《NanoLett.》和《NaturePhotonics》上。

随着生物大分子实验技术的飞速发展,越来越巨大和复杂的分子体系被发现和鉴定出来,凸显了生物分子体系本身特有的多尺度特性,而分子动力学模拟作为生物分子功能解析的强有力工具和研究手段,已经必不可少。但是由于这些体系包含的原子数目巨大,从几千到上百万,行使功能所涉及到的时间尺度从皮秒到毫秒,解析他们行使功能的分子机制和微观机理非常困难。

2013年,美国三位科学家Karplus,
Levitt和Warshel由于“为复杂化学系统创立了多尺度模型”而获得了诺贝尔化学奖。在各种多尺度模型中,组合量子力学/分子力学方法目前已经广泛应用于大体系(如生物分子和纳米粒子)的研究。然而,有些重要的化学问题,如分子聚集体的自组装、生物大分子的结构和动力学,需要对整个体系进行量子力学处理才能获得定量准确的描述。但传统的量子化学计算方法由于计算标度较高,难以应用于大体系的计算。2005年黎书华教授课题组提出了计算大分子基态能量的基于能量的分块方法,其基本思想是通过计算一系列子体系的能量从而组装得到大体系的能量(J.
Am. Chem. Soc. 2005, 127,
7215)。2006年,马晶教授课题组在子体系的计算中采用点电荷描述带电基团间的长程静电相互作用,提高了分块方法对带电体系的计算精度(J.
Chem. Phys. 2006, 124,
114112)。2007年,李伟和黎书华教授等进一步提出了Generalized Energy-Based
Fragmentation
方法,在子体系外其余所有原子位置都引入背景点电荷,准确地考虑了极化和长程静电作用,从而实现了对含带电或极化基团的大体系的基态能量和偶极矩等性质的精确计算(J.
Phys. Chem. A 2007, 111,
2193)。随后,黎书华教授课题组在GEBF方法框架下发展了几何构型优化和振动光谱的算法、实现了体系分块和子体系构建的自动化、改进了构建子体系的算法从而进一步提高了精度(J.
Phys. Chem. A 2008, 112, 10864; 2010, 114, 8126; ChemPhysChem 2013, 14,
108)。马晶教授课题组发展了GEBF-QM/MM动力学模拟方法、基于分块的振动圆二色光谱计算与可极化的粗粒化模型方法(J.
Phys. Chem. B 2008, 112, 7061; 2011, 115, 2801; J. Chem. Phys. 2012,
136,
134105)。李伟副教授等将GEBF与明确相关F12方法相结合,实现了一些复杂体系在基组极限下的高精度计算,同时构建了多层次GEBF计算模型
(J. Chem. Phys. 2013, 138, 014106; J. Chem. Theory Comput. 2014, 10,
1546)。

针对凝聚态体系中激发态动力学问题,赵瑾研究小组开发了原创性的非绝热分子动力学计算软件程序包Hefei-NAMD,能够同时从时间、空间、动量与能量等多个尺度对激发态载流子的动力学进行描述,同时可以用来研究激发态载流子与声子、极化子、缺陷、边界等的相互作用。2016年,他们利用该方法模拟了CH3OH/TiO2界面的空穴动力学过程,揭示了该界面分子捕获空穴的关键因素。该研究成果发表在J.Am.Chem.Soc.上[J.Am.Chem.Soc.,138,13740],博士生褚维斌为第一作者,郑奇靖博士与赵瑾教授为共同通讯作者。

现有的全原子分子模拟研究手段和方法还无法对这样的体系进行高精度和长时间动力学模拟。自2009年以来,中国科学院大连化学物理研究所分子模拟与设计研究组着眼于上述问题,针对生物体系自身独有的多尺度特性,开展了多精度分子模型的建立和动力学模拟方法发展。

本综述文章系统地总结了近十年来黎书华教授、李伟副教授、马晶教授及其合作者在基于能量的分块方法的发展及应用研究方面的一系列进展。GEBF方法已经被成功应用于研究多种大体系的结构和稳定性,理解多肽二级结构中的合作效应的根源、计算超分子自组装的驱动力等。基于GEBF的从头算动力学方法已经能用于研究生物大分子的超快动力学行为。对于凝聚相体系中的分子聚集体,则可用基于GEBF的多尺度方法来进行研究。例如,利用该方法已研究了溶液中溶质分子与溶剂的相互作用和蛋白质构象的变化过程。这些工作表明,GEBF方法及其相关的动力学模拟、多尺度方法有望被广泛地用于研究分子簇、生物大分子和超分子体系的结构和动力学行为。

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通过巧妙结合全原子可极化分子力场的高精度与粗粒化和刚体动力学模拟的计算速度快两大优势,该研究组创新性地提出和发展了可描述非球形粒子之间广义范德华相互作用的Gay-Berne势、可高精度描述粒子之间静电相互作用的多极距展开势EMP、新型高精度粗粒化分子模型GBEMP;针对组成蛋白质的20种标准氨基酸、DNA、RNA和细胞膜磷脂等一系列生物分子体系都进行了详细的理论模型构建以及参数化;利用这一高精度粗粒化分子模型的生物分子动力学模拟在精度上与全原子模型高度一致,同时,计算速度却快10-100倍,实现了精度与速度的优化匹配。相应的系列文章分别发表于J.Chem.Phys.
2011,J. Mol. Model. 2012,J. Chem. Theory Comp. 2014,J. Comp.
Chem.
2015,J. Chem. Theory Comp.2016。

该系列研究得到了国家自然科学基金、国家科技部973项目、教育部博士点基金等的资助。(理论与计算化学研究所)

针对高精度理论模型计算速度耗时这一生物分子模拟关键理论问题,该研究组提出和发展了增强型采样算法与计算机图形芯片GPU相结合的软硬件加速计算方案,在国际上率先实现了高精度、高效率生物分子模拟计算程序,比之前的计算速度提高了5至10倍。作为中国大陆地区唯一的受邀者于2015年7月在美国Snowmass召开的生物分子模拟与自由能计算国际会议上作邀请报告,文章近期以封面形式发表在J.
Comp. Chem
2016。

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大连化物所生物分子模拟理论方法研究取得系列进展


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