增强QM/MM自由能计算效率和精度的方法发展

批准号:
21773066
项目类别:
面上项目
资助金额:
64.0 万元
负责人:
梅晔
依托单位:
学科分类:
B0302.化学模拟与应用
结题年份:
2021
批准年份:
2017
项目状态:
已结题
项目参与者:
刘凤娇、柳维、王美婷、李鹏飞、王晓慧、胡文心
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中文摘要
生命过程和化学过程的驱动力是自由能的降低。定量的理论解释和预测这些过程需要依赖于自由能变的计算。然而自由能的精确计算必须基于大量的相空间采样。这使得高级别的分子模拟方法,比如量子力学和经典力学混合(QM/MM)的动力学模拟方法,难以应用到生物大分子自由能的研究。本项目的研究是建立在本课题组前期工作的基础上,从第一性原理出发,计算分子对外界的响应性质,从而可以快速的计算分子随环境变化而发生的能量和偶极矩变化,显著的加速QM/MM动力学模拟。并且我们将发展依赖于电子结构的范德华参数计算。通过这些研究旨在发展可靠且高效的QM/MM的动力学模拟方法,提高其在相空间采样的效率和精度。并且将这些新的方法应用到酶反应的机理研究中。
英文摘要
The driving force in life and chemical processes is the decreasing of free energy. Quantitative explanation and prediction of these processes from theory require computations of free energy variations. However, accurate free energy calculations depend on sufficient sampling in phase space, which hinders the applications of high level simulation methods such as QM/MM to the free energy calculations for these systems. This proposal is based on our previous work on the acceleration of QM/MM simulations, which is based on the efficient calculations of molecular energies and dipole moments with alternating MM environment utilizing the response kernel from the first principle. Besides, we will also develop a QM/MM compatible van der Waals interaction model, which depends on the instantaneous electronic structure. With these progresses, we wish to build a more efficient and more reliable QM/MM simulation method, which can dramatically enhance phase space sampling. And we will apply this new QM/MM method in the study of a methyltransferase.
酶反应和溶液下有机反应机理的理论研究的挑战之一就是如何精确地计算反应的自由能面。由于溶液中能级间隔小(可以认为是连续的能量分布),计算包括自由能面在内的诸多依赖于系综的性质则需要大量的相空间采样,才能得到可靠地系综平均,即相空间必须有效的遍历。为了能否准确的描述体系的相互作用势,从头算方法往往是不可替代的。然而,从头算方法的计算量十分昂贵。在现有的计算条件下,往往只能进行几十个皮秒的分子动力学模拟。这个短暂的时间根本无法满足相空间遍历的需求。因此,目前大量的针对生物以及凝聚态系统的量子化学/分子力学混合方法的模拟是不可靠的,在此基础上的机理解释也很难让人信服,从而限制了理论和计算化学方法在实际问题中的应用。本项目重点围绕这些问题提出了比较系统的解决方案,形成了一套实用性强的计算方法,并且在一些具体问题的研究中得以实践。具体进展如下。该方法的算法实现非常简单,无需对现有的分子动力学模拟程序做显著改动,易于推广。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.1021/acs.jctc.8b00685
发表时间:2018-10
期刊:Journal of chemical theory and computation
影响因子:5.5
作者:Meiting Wang;Y. Mei;U. Ryde
通讯作者:Meiting Wang;Y. Mei;U. Ryde
Accelerated computation of free energy profile at ab initio quantum mechanical/molecular mechanical accuracy via a semi-empirical reference potential. II. Recalibrating semi-empirical parameters with force matching
通过半经验参考势以从头开始的量子力学/分子力学精度加速计算自由能剖面。
DOI:10.1039/c9cp02593f
发表时间:2019-10-07
期刊:PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS
影响因子:3.3
作者:Pan, Xiaoliang;Li, Pengfei;Shao, Yihan
通讯作者:Shao, Yihan
Influence of the Protein Environment on the Electronic Excitation of Chromophores in the Phycoerythrin 545 Light-Harvesting Complex: A Combined MD-QM/MM Method with Polarized Protein-Specific Charge Scheme
蛋白质环境对藻红蛋白 545 光捕获复合物中发色团电子激发的影响:结合 MD-QM/MM 方法与极化蛋白质特异性电荷方案
DOI:10.1021/acs.jpcb.8b11764
发表时间:2019
期刊:Journal of Physical Chemistry B
影响因子:3.3
作者:Tong Zhengqing;Huai Zhe;Mei Ye;Mo Yan
通讯作者:Mo Yan
DOI:--
发表时间:2018
期刊:Molecules
影响因子:4.6
作者:Li Pengfei;Liu Fengjiao;Jia Xiangyu;Shao Yihan;Hu Wenxin;Zheng Jun;Mei Ye
通讯作者:Mei Ye
Computational Insights into Endo/Exo Selectivity of the Diels-Alder Reaction in Explicit Solvent at Ab Initio Quantum Mechanical/Molecular Mechanical Level
从头算量子力学/分子力学水平计算显式溶剂中 Diels-Alder 反应的 Endo/Exo 选择性
DOI:10.1021/acs.jpcb.9b01989
发表时间:2019
期刊:Journal of Physical Chemistry B
影响因子:3.3
作者:Li Pengfei;Liu Fengjiao;Shao Yihan;Mei Ye
通讯作者:Mei Ye
发展参考势方法框架下的自由能计算方法辅助人工酶设计
- 批准号:--
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:63万元
- 批准年份:2020
- 负责人:梅晔
- 依托单位:
生物大分子结合水的理论研究
- 批准号:21173082
- 项目类别:面上项目
- 资助金额:58.0万元
- 批准年份:2011
- 负责人:梅晔
- 依托单位:
蛋白质专一性极化力场在蛋白质药物相互作用研究中的应用
- 批准号:20803034
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:18.0万元
- 批准年份:2008
- 负责人:梅晔
- 依托单位:
国内基金
海外基金
