分子动力学模拟(MD)已成为现代生命科学中普遍使用的工具。在这些模拟中，原子和分子之间的相互作用及其产生的空间运动被迭代地计算和分析。科学家们目前正试图利用这种方法获得生物学相关的长度和时间尺度，以描述蛋白质折叠和蛋白质-药物结合等分子过程，这些对现代药物开发至关重要。Steffen狼博士和博士教授领导的研究小组Gerhard股票从生物分子动态组物理研究所的弗莱堡大学的现在已经成功地预测的动态绑定和释放过程的时间尺度秒半分钟在药物相关的测试系统。研究结果发表在最新一期的《自然通讯》杂志上。
由于需要在飞秒(10-15秒)的时间分辨率下进行原子模拟，研究人员还不能明确地计算需要几秒或更多时间的过程，例如药物与各自靶蛋白的结合和释放。加速模拟的一种可能方法是对整个系统动力学进行粗粒化，这是非平衡统计力学的一个领域。为了实现这种粗粒化，慢过程(如蛋白质配体扩散)和快过程(如蛋白质振动或水波动)必须表现出明显的时间间隔。只有这样，科学家才能使用朗之万方程，这是一个描述物理系统在相关的慢自由度上的动力学的随机微分方程——也就是运动的独立可能性的数量。利用这个方程，它们代表了系统沿反应坐标的动力学，例如配体到结合位点的距离。所有其他更快的运动都被认为是摩擦。
为了实现这种必要的系统动力学简化，弗莱堡物理学家利用来自Tubingen大学的HPC集群BinAC的计算资源开发了耗散校正的目标MD (dcTMD)。通过施加一个约束力，使一个微观系统沿着一个感兴趣的坐标，所需的功可以分解为这个过程的自由能和摩擦场。在目前的出版物中，研究人员已经表明，这些dcTMD场可以用作朗之万方程沿拉坐标的模拟输入。因此，研究人员能够大大降低所需的计算能力。因此，在标准台式计算机的单个计算核心上，一个毫秒的模拟时间可以在几个小时内实现。此外，Langevin fields, Stock解释说，不像原子化描述的蛋白质，在更高的温度下不会改变它们的结构。因此，高温模拟可以产生加速的动力学。我们可以利用这一加速度来推断较低温度下的动力学，其中的磁场来自于目标MD模拟。”
弗莱堡的科学家们使用氯化钠和两个蛋白质配体复合物的分离作为测试系统。在这些实验中，他们成功地在秒到半分钟的时间尺度上预测了结合和解除结合过程的动力学。“虽然朗之万域仅来自于非结合模拟，但他们能够在因子20内预测非结合和结合动力学，在因子4内预测解离常数，这是最好的可实现的结果，”Wolf解释说。同时，新的dcTMD方法只需要其他预测方法十分之一的计算能力。弗莱堡的物理学家说:“最后但并非最不重要的是，摩擦剖面的测定提供了对分子过程的洞察，而这些过程不是由自由能揭示的。”“我们发现，在所有被研究的系统中，由水分子形成的水合外壳似乎是摩擦的主要来源。这使我们能够根据需要的结合和扩散动力学推导出药物设计的新规则。”
