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奋斗1s

金虫 (正式写手)

[交流] 分子模拟时间越长越好吗？

如题，在对蛋白质做分子动力学模拟的时候，我用Gromacs先进行了3ns的MD运算，然后又进行了2ns，对接结果发现后者不如前者，但通过蛋白质评价发现后者的各项指标要好一些，请各位高手讨论一下MD多长时间比较好呢？
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ChemiAndy

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1楼2011-06-30 16:00:04
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ChemiAndy

木虫 (正式写手)
★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★
zh1987hs(金币+10, 模拟EPI+1): 谢谢！ 2011-07-01 19:48:29
引用回帖:
Originally posted by 奋斗1s at 2011-06-30 19:27:56:
我是模拟方面的新手，有很多地方不懂。您的回帖对我帮组很大，不知可不可以麻烦您给我介绍一下这方面比较实用的书籍或是传给我一些相关的资料呢？邮箱：xieyunfeng110@yahoo.cn

不知道你说的“实用”是指什么，不过我知道国内出版的书都死气沉沉，就是简单的知识摘抄和堆积。因此我建议你在学习的早期从国外的经典教材入手。

搞计算模拟研究，有3个层次的东西需要分清，即Science上的，Method和technique。每个层次都要有最好的教材在手！

- Science是你要解决的问题，比如蛋白质构象理论，离子水合理论，或者是材料设计理论，化学反应，能量存储等。它在你的研究中往往是个背景性的东西。抓住你的研究和本领域最前沿的概念，理论的关系，非常重要。一般来说，我们搞的东西往往仅仅是对它们其中某一个方面的验证，或应用，或拓展。这方面的书也因人而异。不过，所有的问题大体上可以分为热力学和动力学两大类。而物理化学就是你需要的东西。

- Method，或theoretical method是指分子模拟方法，是我们用于研究Science问题的工具。包括结构-能量理论（量子力学和分子力场）和模拟方法理论两大块。其中模拟方法（MD, MC）根源于统计热力学的系综理论。我们正在经历一个从经典唯象热力学方法向分子热力学方法过渡的时代，分子模拟是其中最重要的工具之一；如果能搞清为什么能把模拟结果转化为宏观观测结果，如何设计一个新的系综来模拟一个具体的问题，你就走在了历史的最前沿。不过，对于我们大多数人来说，并不搞方法，而是应用而已。方法已经在软件里了，我们跟在人家屁股后头混个文凭就好。有时候甚至懒得弄清这些方法是怎么回事。

- Technique是操作软件的技巧。怎么用MaterialsStudio, Gromacs, NAMD， 怎么用Gaussian，怎么搭盒子，怎么画图；它是其中最不重要的方面，却是耗费了我们95%时间的东西。以至于我们根本没有时间去考虑Science的问题，有木有？！！

回到你的问题上，我给你推荐几本经典教材。

(1) Introduction to statistical mechanics, David Chandler, 搞清系综理论以后，方知啥是分子模拟；这本书87年出版以后没动过。为什么？字字经典。现在做分子模拟的青年们都是看着本书成长起步的。

(2) Computer simulation of liquid, M.P. Alen 分子模拟的理论，算法，思想，数据处理，此书为圣经，不可不膜拜；常备一本，常伴一生。

(3) 其实最重要的我觉得还是一本好的物理化学书，能把热力学，动力学，量子化学，和光谱贯穿讲透，可惜我一直没有找到。国外的书我看的是Peter Atkins的，已经到了第8版。国内的物理化学教材，以复旦范康年的最好，可以最大程度上给你一个很全面的视野。但是国内物化书的通病是化学有余，物理不足；经典有余，统计不足。并且不下功夫再版。(不要看傅献彩的物化，它在我当年初次接触物化的时候投向我内心深处一个恐惧的阴影。多年以后我一直思考一个问题，傅老师，你为何在没有实际例子的情况下用一堆熵和焓的抽象概念去谋害一个个渴望学习的幼小心灵？您懂不懂平衡态与非平衡态，理想态与实际状态的区别？历史上提出可逆过程的根本目的是什么？物理化学方法看待世界的本质思想是什么？悲摧啊青年们)

从热力学到统计分子热力学，可以帮助我们从宏观走到微观，而光谱又帮助我们从微观回到宏观统计现象。所以统计和光谱很重要。光谱学，我并非指简单的红外选律，拉曼活性这些表面的东西，而是指原子的电子结构与外界电磁场（光子）的作用和响应，以及简洁无比的Fermi-Golden rule. 这个定律正是从分子原子运动的微观可测量的相关函数-傅立叶变换得到宏观观测结果的精髓。要充分理解，最好实际做一下这方面的模拟。但是这方面的教程很少。好在在Alen的书里面有提及。

Good luck!

PS: 上面提到的两本书(1)(2)在小木虫上应该很容易下载到。[ Last edited by ChemiAndy on 2011-7-2 at 00:26 ]
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15楼2011-07-01 11:23:12
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yahoohoo

铁杆木虫 (著名写手)
★
奋斗1s(金币+1):谢谢参与
奋斗1s(金币+5): 2011-07-01 08:07:24
引用回帖:
Originally posted by 奋斗1s at 2011-06-30 16:00:04:
如题，在对蛋白质做分子动力学模拟的时候，我用Gromacs先进行了3ns的MD运算，然后又进行了2ns，对接结果发现后者不如前者，但通过蛋白质评价发现后者的各项指标要好一些，请各位高手讨论一下MD多长时间比较好呢？

“对接结果发现后者不如前者”

如何判断结果的好与坏呢？难道模拟的结果是我们主观预期的就是好的，否则就不是好的？

比如说你从两个不同的初始构象出发，运行相同时间的MD，一个观测到对接，而另一个没有对接。那么，你的结论是第一个模拟比第二个结果要好？
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2楼2011-06-30 17:08:06
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leimiao_hit

木虫之王 (文学泰斗)
★
奋斗1s(金币+1):谢谢参与
分子模拟时间越长越好
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3楼2011-06-30 17:34:47
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ChemiAndy

木虫 (正式写手)
★
奋斗1s(金币+1):谢谢参与
奋斗1s(金币+10): 很详细，谢谢这位兄弟的指点呀！ 2011-07-01 08:21:38
平衡态模拟的时间长度取决于所感兴趣的性质的弛豫周期。获得感兴趣性质的的统计平均值，需要在不同的弛豫周期采样3-10次。比如，键的振动，振动一次10fs算一个周期，你需要采样至少50fs。分子扩散的数量级在ns，中等肽链loop-closing需要10ns数量级，形成alpha螺旋的弛豫周期在200ns量级，beta结构在1-10微秒，等等。

弛豫周期的长度取决于某种运动的持续多久以后就与先前的状态无关了，或者忘记了。所有的运动都有多个状态，这个运动所要穿越的自由能垒，决定了该运动的弛豫周期。这就是为什么我们可以模拟一个过程（如蛋白质折叠）的平均特征时间，根据阿伦尼乌斯公式，反推自由能垒。

然而，平均特征时间为200ns的过程，并不意味着你跑200ns就一定能模拟到该过程的发生。它能否向你要的最终态跑去，也是个概率问题。可能很快跑过去，也可能很慢，甚至完全跑不过去，即使能垒不高。因为你只有少数几个分子阿。而实验观测的是10^23数量级的分子的统计结果。不过一般来说，采样时间取特征时间的10倍以上，都可能获得感兴趣的性质的良好的平均值。

那么，如何知道一个过程或某个性质的平均驰豫时间呢？以体积弛豫为例，如果你plot整个体积数据随时间变化的曲线，你会看到体积在平均值上下浮动。它受到盒子内分子相互作用，振动，扩散的内在驱动，有多种频率的波动。瞬时的波动是受分子振动驱动的的，而缓慢的，长周期的上下浮动是受到分子聚合，扩散驱动的，但是不容易看出来。怎么估计这种缓慢浮动的周期呢？有几种方法估计：

一是计算相关函数，看看相关函数中，从任一时刻开始，体积数据之间需要多久时间就不再有相互的关联了(相关函数值趋近于0); 这段时间长度，就是特征弛豫时间；该方法适合与考察扩散运动的时间特征，计算自扩散系数，黏度等。

第二种方法是block avergage方法，看看多大的block计算得到的均方偏差RMSD与你取的block size无关。做法是把你的trajectory分成很多等长的小段，每一段称为block， 每段长度称为block size， 有的称window size（e.g., 5ps），对于每一种block size的取法（比如，5ps, 10ps, 15ps, 20ps....），你计算每个block的平均值average，根据所有的block average你可以得到它们的均方偏差RMSD，Plot你的RMSD随block size变化的曲线，你会发现，曲线逐渐升高，但在某个size(比如20ps)之后成为平台区，与window size无关了（再之后会剧烈升降，进入混沌状态），那么该性质的特征弛豫时间为20ps。而20ps block得到的RMSD就是你对该过程或性质的相对误差。（很多人用全部数据的MSD做为误差，是不严密的。因为所谓独立测量，必须是测量结果之间没有相关性。我们MD模拟和实验测量一样，也要从不相关的各个block中间取值阿兄弟们）

第三种方法，计算波动谱。我们知道振动有振动谱，那波动自然也有波动谱。比如体积波动，将体积数据进行自相关计算，并做傅立叶变化，可以得到一个谱图。上面有一系列峰，在不同的频率上。不同频率即反映了波动的时间长短，而峰面积显示了与该频率的运动的相关性。面积最大的峰自然就是其特征峰了。根据其频率可以计算其运动的特征时间。（红外光谱就是这么计算的，它保留整个盒子的dipole，然后分解为很多不同频率的运动，不同频率的运动对应不同模式的振动，它们对盒子的总dipole的变化有贡献，傅立叶一分解就出来了）所以，只要是某种运动对某种性质有贡献，都可以通过对该性质的自相关函数-傅立叶变化分解出其特征频率，继而得到其特征时间。

PS，上面我用到驰豫时间relaxation time这个概念，它其实指的是体系受到特定能量的激发以后，逐渐衰退decay到正常状态所需的时间。因为这个时间是与受到激发的那种运动的运动周期直接相对应的，所以该体系没有受激发的时候，那种运动的周期也可以称relaxation time弛豫时间。

再次回到楼主提出的问题上，模拟时间是否越长越好。可以肯定的说是的，但是没有必要。且不说成本，机时，能量，地球，绿色啥的问题，单说分子动力学模拟本身，是揭示相关运动的时间特征，从而定量估算内在驱动的能量特征。 搞到蛋疼才够酷阿兄弟。

[ Last edited by ChemiAndy on 2011-6-30 at 14:19 ]

需要说明的是，上面的讨论均是指采样阶段，隐含着模拟已达到平衡的要求。而审稿人要求模拟时间加长的，一般是因为担心体系并没有达到平衡，或者说担心体系停留在一个局部最小的亚平衡态。亚平衡态体系可能在几百个纳秒之后突然跳到另外一个亚平衡态。体系在多个亚平衡态之间跳跃是正常的。这样的多态体系很难定义其平衡态，因为很难预知究竟有多少个亚态，也不知道亚态之间的能垒有多高，所以唯一的办法就是尽可能的延长模拟时间。关于多态体系平衡的问题，囿于计算能力和研究周期限制，文献中较少涉及。
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8楼2011-07-01 02:24:58
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zhang73110711楼
2011-07-01 07:56   回复  
奋斗1s(金币+1):谢谢参与
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