Improving interactions between ions and biomolecules in molecular simulations

Abstract

V současnosti jsou jednou z nejčastějších technik molekulárních vypočtů simulace s roz- lišením na úrovni atomů, kde atomy fungují jako interakční centra pro empirické poten- ciály. Takové simulace představují mocný nástroj pro pochopení procesů probíhajících na molekulární úrovni v komplexních materiálech, jako jsou biologické systémy. Přesto je přesnost jejich predikce silně závislá na vhodném popisu těchto meziatomových interakcí, včetně vodného média jako rozpouštědla. Adekvátní popis molekul vody a iontů při relativně nízkých koncentracích je klíčový pro biologické simulace. Významná část této disertační práce je věnována optimalizačním metodám pro vývoj kvalitního interakčního potenciálu pro lehkou i těžkou vodu. Optim- alizace byla provedena podle přístupu shora-dolů, kdy jsme reprodukovali vybraná ex- perimentální data s cílem zahrnout složité interakce způsobené nekonvenčním chováním, jako jsou jaderné kvantové jevy. Výběr cílových vlastností je zásadní pro reprodukci interakce mezi částicemi nebo, jinými slovy, pro popis Potenciálové Energetické Plochy. Tento výběr nám pomohl k přesnému popisu modelů vody s relativní permitivitou (εr) kompatibilní s metodickým rámcem efektivního zahrnutí polarizačních efektů. Navíc je zahrnutí elektronické polar- izace...

Nowadays, one of the most common molecular simulation techniques is represented by all-atom simulations, in which the atoms are interacting centers with empirical potentials. All-atom simulations are a powerful tool for understanding at a molecular level the pro- cesses that occur in complex matter, such as biological systems. Nevertheless, their pre- diction accuracy depends highly on adequately describing these interatomic interactions, including the solvent media. An adequate description of the water molecules and ions at relatively low concentrations is crucial for biological simulations. A significant part of this dissertation is devoted to optimization methods to develop high-quality heavy and light water. The optimization was done following an top-bottom approach, where we re- produced some experimental results to include complex interactions due to non-classical behavior, such as nuclear quantum effects (NQEs). The target property selection is crucial in reproducing the average interaction between particles or, in other words, the Potential Energy Surface (PES). This selection helped us in the accurate description of water models with the relative permittivity (εr) compatible with the Electronic Continuum Correction framework (ECC) with εr ≈ 45. Additionally, including ion polarization is...