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分子模拟时间越长越好吗？
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| 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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奋斗1s(金币+1):谢谢参与
zh1987hs(金币+10, 模拟EPI+1): 非常感谢 2011-07-05 12:47:28
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zh1987hs(金币+10, 模拟EPI+1): 非常感谢 2011-07-05 12:47:28
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这里我要回答ChemiAndy版友的一个小疑问，并讲另外一个关于模拟时间的问题。 关于傅献彩的物化，我们本科时候学习的是另一本，比较偏向化工，习题很多是学校的老师们在做项目时遇到的问题。虽然公式没怎么详细推导，但是让我们觉得学了物化就能干很多事了。我的毕业后在化工设计院工作的同学们确实也是觉得受益匪浅。后来到了南大和山大考察，发现原来老师们虽然用傅献彩的书，但是并不按照书本教。能否把具体的熵焓等概念讲明白就看老师个人功力了。一般是可以的。这也和两校物化课时特别多有关。 做分子动力学模拟，是否模拟时间越长越好？如果计算的模型能够正确反映真实的体系，我觉得是时间越长越好。毕竟理论上，时间系综经过无穷长时间可以遍历相空间中每一个点。但是实际上我们都知道这是不可能的，而且有时候初条件会严重影响模拟的结果。第二点，比如要模拟binding过程或者steered MD，一条轨迹往往也不够。因为如C版友所言，事件的发生有几率性，而MD由于模拟的时间有限（真实世界中1s是很快的时间，但是全原子分子模拟中这几乎是不可能的任务），一条轨迹未必能在有限时间中观测到体系发生想要的变化。 但是还有一点需要注意，MD模拟两大基本问题一是抽样，另一个是力场。 目前的力场我们一般认为它们是行为很好的，可以反应生物大分子的性质。但是某些情况下，比如带电配体的binding，含金属的生物分子，传统的力场很可能不能很好的模拟。用传统力场模拟的话，短时间内体系跟XRD结构接近，但是长时间之后就会变成非自然的构象。比如上世纪90年代Kollman模拟了一个体系，只做了几百ps，但是后来的研究发现这个体系用AMBER力场来做的话在4ns之后会变成非自然构象。这是因为固有的力场中能量最小点不是天然产物的能量最小点。这方面的工作比如 http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja807374x 揭示了用传统的力场本质上是不能正确模拟的，遑论抽样了。 |
26楼2011-07-05 12:37:12
2楼2011-06-30 17:08:06
3楼2011-06-30 17:34:47
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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
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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。 |
8楼2011-07-01 02:24:58
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zhang73110711楼
2011-07-01 07:56
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