一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法，包括：S1，确定哈密顿副本交换动力学方法为REST方法或REST2方法；S2，根据哈密顿副本交换动力学方法为REST方法或REST2方法分别实施不同的自组装体系的哈密顿副本交换动力学变换。还公开对应系统及应用，通过在不同副本间按一定比例降低溶质

【技术实现步骤摘要】
一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法及系统


[0001]本专利技术属于生物基因和胶体自组装的分子动力学模拟
，尤其涉及一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法及系统。

技术介绍

[0002]两性分子特指一类同时具有亲水的头基和亲油的尾联的功能性分子，比如表面活性剂，磷脂分子。当其溶于水，且浓度超过CMC浓度时，由于尾联的疏水作用，该类分子倾向于自发的聚集，形成尺寸大小不一的胶束。胶束自组装过程是决定溶液性质的一个重要因素，因此历来是一个重要的研究方向，同时也在广大的领域得到应用，譬如蛋白质折叠，胶体乳化，药物传输，洗涤工业等等。实验上，使用NMR，SCR等手段可以分析得到胶束的结构，尺寸分布等信息，但是仍然缺乏足够的微观角度的信息。随着近年来计算机硬件性能的提升，GPU并行等技术的日渐成熟，通过分子动力学方法模拟胶束体系的自组装过程，计算不同状态之间的自由能差别，从微观角度考察这些特殊体系的性质已经成为越来越重要的一类方法。
[0003]然而由于体系的特殊性，两性分子的CMC浓度普遍在10
‑3mol/L以下，属于稀溶液范畴，因此其受限于一般稀溶液模拟所面临的最主要问题——过大的空间和时间尺度。假设表面活性剂稀溶液体系可以抽象的分为聚集态和分散态两种状态，则为了准确模拟体系性质，模拟过程必须在两种状态都采到足够多的样本。但是由于溶液的浓度极稀，实际模拟时，如果体系一开始处于分散态，则表面活性剂分子在有限的模拟时间内很难接触到其他表面活性剂，从而难以到达聚集态，反之亦然。本质上，这是由于体系两种状态之间存在巨大的自由能位垒，构象翻越能垒从一个状态转变到另一个状态是一个非常困难的小概率事件。
[0004]为了解决这个小概率事件模拟的问题，一种方法是减少体系自由度，例如采用隐式水模型，粗粒化力场等，从而增大模拟的时间尺度，但这也仅仅能处理一些特定的体系(CMC相对较大)，对于大部分两性分子体系仍不足以满足模拟要求。另一种方法就是采用增强采样法模拟，提高模拟的效率。而这一种方法又大致可以分为两大类，一类是诸如伞形采样，亚稳态动力学，加速分子动力学的有偏模拟，通过在模拟中加入有偏力或势能推动体系翻越能垒，从而达到加速采样效率的目的。但是采用此类方法首先必须定义反应坐标，然后才能沿着反应坐标施加有偏力或势能，然而到目前为止现有技术还没有比较合理的反应坐标能够准确描述表面活性剂自组装。另一类增强采样法可以归为广义系综方法，最常见的就是副本交换动力学。此类方法由于不依赖反应坐标选取，因此对于自组装体系是一个比较好的选择。但是传统的副本交换动力学方法随着体系尺寸的增大，体系总能量的相对涨落会急剧减小，导致副本间的能量重叠不够，副本交换效率降低。为了解决这个问题，Bernerd等人发展了REST方法和REST2方法。这两种方法的基本理念就是有选择的对体系中的溶质(比如蛋白质)升温，同时保持占体系绝大部分的溶液温度不变，因此可以在保证副本交换效率的基础上，极大的加速溶质在溶液中的采样。本质上REST和REST2都是哈密顿副
本交换动力学的变种之一，但是尚未形成针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方案。
[0005]因此，上述的现有技术确实有待提出更佳解决方案的必要性。

技术实现思路

[0006]针对以上现有技术中的不足，提供一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法及系统，通过在不同副本间按一定比例降低溶质
‑
溶质，溶质
‑
溶剂相互作用，从而更有效的模拟得到自组装体系不同胶束分布的样本；通过调节合适的参数因子，使得溶质
‑
溶质，溶质
‑
溶剂相互作用的变化大致匹配，从而保证不同副本之间有足够的相重叠，以及整个模拟过程的可靠性，增强胶体自组装体系模拟的采样效率。
[0007]本专利技术一方面提供了一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法，包括：
[0008]S1，确定哈密顿副本交换动力学方法为REST方法或REST2方法；
[0009]S2，根据哈密顿副本交换动力学方法为REST方法或REST2方法分别实施不同的自组装体系的哈密顿副本交换动力学变换。
[0010]优选的，根据哈密顿副本交换动力学方法为REST方法实施自组装体系的哈密顿副本交换动力学变换，包括：
[0011]S21，确定第m个副本的温度为T
m
，该副本中的有偏势函数：
[0012][0013]其中E
pp
，E
pw
和E
ww
分别代表溶质
‑
溶质，溶质
‑
水以及水
‑
水相互作用，β等于1/kT，k为玻尔兹曼常量，T为温度；β0等于1/kT0，k为玻尔兹曼常量，T0为起始温度；β
m
等于1/kT
m
，k为玻尔兹曼常量，T
m
为第m个副本的温度；
[0014]S22，在不同副本中，确定比例系数λ；分别对相互作用E
pp
和E
pw
乘上比例系数λ和比例f(λ)，从而将第m个副本转换为在温度为T0的条件下，以下式(4)为势函数模拟的体系：
[0015][0016]S23，将REST中每个副本都转化成在同一温度T0下的模拟，不同的仅仅是有偏势函数的区别。
[0017]优选的，λ大于等于0。
[0018]优选的，所述
[0019]优选的，所述比例系数λ为因子从而所述式(4)转换为如下的势函数：
[0020][0021]从而第m个副本同样可以看成是在温度为T0的条件下，以式(2)为势函数模拟的体系。
[0022]优选的，根据哈密顿副本交换动力学方法为REST2方法实施自组装体系的哈密顿副本交换动力学变换，包括：
[0023]S21，，确定第m个副本的温度为T
m
，该副本中的有偏势函数：
[0024][0025]其中E
pp
，E
pw
和E
ww
分别代表溶质
‑
溶质，溶质
‑
水以及水
‑
水相互作用，β等于1/kT，k为玻尔兹曼常量，T为温度；β0等于1/kT0，k为玻尔兹曼常量，T0为起始温度；β
m
等于1/kT
m
，k为玻尔兹曼常量，T
m
为第m个副本的温度；
[0026]S22，，在不同副本中，确定比例系数λ；分别对相互作用E
pp
和E
pw
乘上比例系数λ和比例f(λ)，从而将第m个副本转换为在温度为T0的条件下以下式(5)为势函数模拟的体系：
[0027][0028]S23，，将REST2中每个副本都转化成在同一温度T0下的模拟，不同的仅仅是有偏势函数的区别。
[0029]优选的，λ大于等于0。
[0030]优本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法，其特征在于，包括：S1，确定哈密顿副本交换动力学方法为REST方法或REST2方法；S2，根据哈密顿副本交换动力学方法为REST方法或REST2方法分别实施不同的自组装体系的哈密顿副本交换动力学变换。2.根据权利要求1所述的一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法，其特征在于，根据哈密顿副本交换动力学方法为REST方法实施自组装体系的哈密顿副本交换动力学变换，包括：S21，确定第m个副本的温度为T
m
，该副本中的有偏势函数：其中E
pp
，E
pw
和E
ww
分别代表溶质
‑
溶质，溶质
‑
水以及水
‑
水相互作用，β等于1/kT，k为玻尔兹曼常量，T为温度；β0等于1/kT0，k为玻尔兹曼常量，T0为起始温度；β
m
等于1/kT
m
，k为玻尔兹曼常量，T
m
为第m个副本的温度；S22，在不同副本中，确定比例系数λ；分别对相互作用E
pp
和E
pw
乘上比例系数λ和比例f(λ)，从而将第m个副本转换为在温度为T0的条件下以下式(4)为势函数模拟的体系：S23，将REST中每个副本都转化成在同一温度T0下的模拟，不同的仅仅是有偏势函数的区别。3.根据权利要求2所述的一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法，其特征在于，λ大于等于0。4.根据权利要求3所述的一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法，其特征在于，所述f(λ)为5.根据权利要求4所述的一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方法，其特征在于，所述比例系数λ为因子从而所述式(4)转换为如下的势函数：从而第m个副本同样可以看成是在温度为T0的条件下，以式(2)为势函数模拟的体系。6.根据权利要求1所述的一种针对自组装体系的哈密顿副本交换动力学方...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈喆，
申请(专利权)人：星希尔生物科技上海有限公司，
类型：发明
国别省市：