molekyylidynamiikkasimulaatiot

Molekyylidynamiikkasimulaatiot (MD) ovat tietokonesimulointimenetelmiä, joilla mallinnetaan atomeiden liikkuminen klassisen mekaniikan avulla. Ne ratkaisevat Newtonin liikeyhtälöt, kun järjestelmän potentiaalinen energia määritellään voimapotentiaalin avulla. Alkutilanteesta saadaan atomien sijainnit ja nopeudet, ja ajastimena käytetään silmukoiduista integraatioalgoritmeja. Tyypillisiä askeleita ovat noin 1–2 femtosekuntia, jolloin voidaan tarkastella nanosekunti- tai pidempiä tapahtumia. MD-simulaation toteutuksessa käytetään termostaattia ja paineistinta tilan vakauden varmistamiseksi (NVT, NPT).

Keskeisiin komponentteihin kuuluvat voima-kenttä, jonka parametrisointi kuvaa kovalenttiset, elektrostaattiset ja van der Waals -vuorovaikutukset, sekä solvointi-tilan valinta. Yleisimmät kentät ovat CHARMM, AMBER, OPLS ja GROMOS. Solutio voi olla eksplisiittinen (vesi ja muut liuottimet) tai implisiittinen; eksplisiittisessä solvatoitumisessa käytetään vesimalleja kuten TIP3P tai SPC/E. Ab initio MD käyttää kvanttimuotoista voimanlaskentaa ja tarjoaa suuremman tarkkuuden, mutta suuremman laskennallisen kustannuksen.

Sovelluksia ovat proteiinien ja nukleiinihappojen dynamiikka, ligandien sitoutuminen ja lääkeaineiden suunnittelu sekä materiaalit ja lipidikalvot. Haasteina ovat voima-kenttien tarkkuus, riittävä näytteenotto ja rajoitettu aikaskaala; harvinaisempiin tapahtumiin ja suuret järjestelmät vaativat tehostettua näytteenottoa, kuten metadynamiikkaa, umbrella-sampelointia tai replica-exchange -menetelmiä.