Metadynamika

Metadynamika

Szeroka klasa metod, które wykorzystują dodatkowy potencjał, który pozwala na szybszą eksplorację przestrzeni konfiguracyjnej. Pierwsze użycie nazwy "metadynamika" pojawiło się w pracy [1], w 2002 roku, a więc jest to stosunkowo nowa metodologią. Elementem łączącym rozmaite wcielenia metadynamiki (zobacz [1,2,3,4]) jest założenie o dobrze zdefiniowanym parametrze porządku. Wybór parametru porządku jest kluczowy, ponieważ przestrzeń konfiguracyjna będzie eksplorowana ze względu na tzw. "pokrycie" zakresu wartości tego parametru, które zwiększa się wraz z upływem kroków symulacji. Przykładowo, w przypadku wiązania ligandu przez enzym rozsądnym parametrem porządku jest odległość środka masy ligandu od środka masy miejsca aktywnego. Wielu autorów uznaje metodę ABF za odmianę metadynamiki (ze względu na przykładany dodatkowy potencjał i istotność parametru porządku).

Główną zaletą metadynamiki są bardzo niskie wymogi co do naszej wiedzy odnośnie układu (poza koniecznością zdefiniowania parametru porządku). W odróżnieniu do US nie potrzebujemy a priori wiedzieć, które obszary należy przepróbkować dokładniej, a które nie - metadynamika podejmie najlepszą decyzję za nas, na podstawie danych gromadzonych w trakcie symulacji.

Podstawową wadą metadynamiki (ale też i wielu innych metod, jak ABF, US) jest konieczność zdefiniowania parametru porządku. Wydaje się, jednak, że o ile w innych metodach parametr porządku jest nieodzowny, w metadynamice istnieje możliwość pozbycia się go [5].

Jednak metadynamika ma szereg pomniejszych wad. Po pierwsze, niejednokrotnie pojawiają się problemy związane z wyborem odpowiedniej współrzędnej reakcji, co często prowadzi do konieczności wypróbowania kilku parametrów porządku, zanim uzyskamy zadowalające wyniki. Po drugie, większość algorytmów stosowanych w metadynamice nie dysponuje formalizmem pozwalającym wyznaczyć błąd statystyczny. Po trzecie, trajektoria układu uzyskana z symulacji jest niefizyczna. Jest to szczególnie dotkliwy mankament, gdyż nie jesteśmy w stanie "zobaczyć" na ile wiarygodne są informacje uzyskane z symulacji.

Literatura

1. Escaping free-energy minima. Proceedings of the National Academy of Sciences 99.20 (2002) 12562--12566, A. Laio, M. Parrinello.
2. Stabilization of resonance states by an asymptotic Coulomb potential. J. Chem. Phys. 128 (2008) 134101/1--134101/7, V. Babin, C. Roland, C. Sagui.
3. Free Energies from Adaptive Reaction Coordinate Forces (FEARCF): An application to ring puckering.
4. Using the local elevation method to construct optimized umbrella sampling potentials: Calculation of the relative free energies and interconversion barriers of glucopyranose ring conformers in water. J. Comput. Chem. 31 (2010) 1--23. H.S. Hansen, P.H. Hünenberger.
5. Approaching a parameter-free metadynamics. Phys. Rev. E 84 (2011) 37701--37703, B.M. Dickson.