Estudo revela falha na aproximação há muito aceita usada em simulações de água

Este esquema mostra o movimento rotacional de uma molécula de água específica. No equilíbrio, em média, a energia associada ao movimento rotacional deve ser igual à energia associada à translação da molécula como um todo. Crédito:Dilip Asthagiri/ORNL, Departamento de Energia dos EUA

Cientistas computacionais do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia publicaram um estudo no Journal of Chemical Theory and Computation que questiona um fator há muito aceito na simulação da dinâmica molecular da água:o intervalo de tempo de 2 femtossegundos (um quatrilionésimo de segundo). O femtossegundo é uma escala de tempo usada pelos cientistas para medir os processos ultrarrápidos de átomos e moléculas.

De acordo com as descobertas da equipe, usar qualquer intervalo de tempo superior a 0,5 femtossegundos – o intervalo de tempo em que uma simulação de computador é analisada – pode introduzir erros tanto na dinâmica quanto na termodinâmica ao simular água usando uma descrição de corpo rígido.

Como a água é o componente mais prevalente nas simulações biomoleculares – desde conjuntos de proteínas até ácidos nucleicos – a recomendação da equipe de um intervalo de tempo de 0,5 femtossegundos para melhor precisão pode causar algumas ondas na comunidade científica. O intervalo de tempo de 2 femtossegundos foi aceito como padrão em simulações de água por quase 50 anos.

"Isso tem amplas implicações porque a água é o constituinte ativo da biologia celular. A água é a matriz da vida, e todas as simulações que fazemos em sistemas biológicos são sempre em água. Mas se você estiver simulando esse fluido de uma forma que rompa um princípio fundamental da mecânica estatística de equilíbrio, isso é um problema", disse o coautor Dilip Asthagiri, cientista biomédico computacional sênior do grupo de Computação Avançada para Ciências da Vida e Engenharia do ORNL.

Simulações moleculares resolvem equações de movimento newtonianas para elucidar como as moléculas evoluem ao longo do tempo. De particular interesse para os pesquisadores que realizam tais cálculos é a determinação das temperaturas resultantes do sistema.

Um dos princípios da mecânica estatística é que se um sistema está em equilíbrio, então as temperaturas associadas ao seu movimento de translação (movimento ao longo de uma linha) e ao movimento de rotação devem ser as mesmas. Se essas duas temperaturas diferirem, então a simulação não está em equilíbrio. De acordo com as descobertas da equipe, esse é o problema essencial do uso de intervalos de tempo superiores a 0,5 femtossegundos para simular água.

O uso do passo de tempo de 2 femtossegundos em simulações surgiu de um artigo publicado em 1977, quando o tempo de computação era muito mais caro computacionalmente. Como a ligação flexível entre o oxigênio e o hidrogênio vibra rapidamente, os intervalos de tempo necessários para calcular com precisão essa vibração são muito pequenos, exigindo mais tempo de computação para capturar intervalos suficientes para estudo. Como esse movimento é o mais rápido, esse intervalo de tempo é aquele que deve ser usado na evolução para obter a resposta correta.

Os autores do artigo queriam saber se havia uma maneira de usar intervalos de tempo mais longos e permitir menos intervalos e simulações mais longas. Esses pesquisadores propuseram uma descrição da água de corpo rígido para fazer exatamente isso.

"O trabalho de 1977 dizia basicamente que as vibrações da ligação oxigênio-hidrogênio podem ser dissociadas da translação e da rotação e, portanto, congelar as vibrações tratando a água como um corpo rígido deveria permitir dar um grande passo no tempo", disse Asthagiri. "Desde então, o modelo de vínculo rígido tornou-se o padrão - a forma canônica como os cientistas encaram isso."

Mas Asthagiri descobriu que a utilização deste método pode causar discrepâncias nas temperaturas entre os movimentos de translação e rotação das moléculas de água, o que significa que a simulação pode estar a produzir resultados incorretos.

"O que Dilip descobriu é que com um intervalo de tempo muito longo, você tende a obter valores imprecisos tanto para a termodinâmica quanto para a dinâmica do movimento da água, que é o meio no qual todas essas moléculas se movem. Na verdade, você pode obtenha um falso atrito, muito grande ou muito pequeno, devido a essa aproximação de um passo de tempo muito longo. E se você desligar o atrito, isso significa que o movimento dessas moléculas também estará desligado", disse co-. autor Tom Beck, chefe da seção de Engajamento Científico do Centro Nacional de Ciências Computacionais do ORNL.

Asthagiri observou pela primeira vez esta disparidade nas temperaturas como professor pesquisador na Rice University em 2021. Ele e um estudante de pós-graduação estavam simulando água no regime super-resfriado e descobriram que a temperatura média no arquivo de registro era inferior à temperatura nominal.

"Foi uma diferença de 1 Kelvin, e você pode facilmente ignorá-la, mas foi vista sistematicamente em temperaturas diferentes. E essa foi a pista de que havia algo errado - ok, talvez uma temperatura, mas várias temperaturas com o mesmo comportamento? Houve deve haver algo errado", disse Asthagiri.

Depois de ingressar no ORNL em 2022, Asthagiri começou a examinar a rotação e a translação separadamente, em vez de usar as coordenadas e velocidades do local, que são quantidades padrão produzidas pelos códigos de simulação biomolecular. Aliás, formular as equações desses movimentos separadamente foi a abordagem usada pelos autores do primeiro artigo escrito sobre simulação de água em 1971. Esses autores recomendaram um intervalo de tempo de 0,4 femtossegundos.

"Precisamos voltar ao trabalho original em termos de sermos cuidadosos. Não há nada de errado em calcular as velocidades do local, mas se você fizer isso como velocidades do local, será necessário dar um passo de tempo que seja pequeno o suficiente para que as temperaturas entre a translação e a rotação são iguais, em média", disse Asthagiri.

Os cientistas computacionais podem facilmente fazer a mudança para intervalos de tempo de 0,5 femtossegundos, se assim o desejarem, embora isso também resulte em simulações mais curtas devido a tempos de computação mais longos.

"É apenas um sinalizador no script de entrada - 2 para 0,5. É uma mudança muito simples, mas agora o problema é que você precisa usar mais tempo de computação, só isso. Mas o poder de computação está disponível agora", disse Asthagiri.

Asthagiri apresentou as descobertas do estudo aos colegas do Telluride Science &Innovation Center e da série de seminários on-line sobre termodinâmica estatística e simulações moleculares.

"Quando apresentei o trabalho em uma série de seminários on-line sobre termodinâmica estatística, a primeira reação foi um pouco chocante. Vai levar algum tempo para entender", disse Asthagiri.

Asthagiri apresentará os resultados em outro workshop co-organizado por Beck para o Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire de 6 a 8 de maio em Pisa, Itália.

Mais informações: Dilipkumar N. Asthagiri et al, MD Simulação de água usando uma descrição de corpo rígido requer um pequeno passo de tempo para garantir a equipartição, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c01153
Fornecido pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge

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