Nicht nur in der Informationstechnologie: Neustart funktioniert auch bei chemischen Simulationen
Die innovative Art, chemische Simulationen zu beschleunigen: Zurücksetzen
Eine neue Studie der Universität Tel Aviv hat herausgefunden, dass ein bekanntes Verfahren aus der Informationstechnologie auch in der Chemie angewendet werden kann. Die Forscher fanden heraus, dass man zur Verbesserung der Probenahme bei chemischen Simulationen nur anhalten und neu starten muss.
(Von links nach rechts): Prof. Shlomi Reuveni, Ph.D. Student Ofir Blumer & Dr. Barak Hirshberg.
Courtesy of Tel Aviv University
Die Forschung wurde von Doktorand Ofir Blumer in Zusammenarbeit mit Professor Shlomi Reuveni und Dr. Barak Hirshberg von der Sackler School of Chemistry der Universität Tel Aviv geleitet. Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Die Forscher erklären, dass Molekulardynamiksimulationen wie ein virtuelles Mikroskop sind. Sie verfolgen die Bewegung aller Atome in chemischen, physikalischen und biologischen Systemen wie Proteinen, Flüssigkeiten und Kristallen. Sie bieten Einblicke in verschiedene Prozesse und haben verschiedene technologische Anwendungen, einschließlich der Entwicklung von Medikamenten. Diese Simulationen sind jedoch auf Prozesse beschränkt, die langsamer als eine Millionstel Sekunde ablaufen, und können daher keine langsameren Prozesse wie die Proteinfaltung und Kristallkeimbildung beschreiben. Diese Einschränkung, die als Zeitskalenproblem bekannt ist, stellt eine große Herausforderung in diesem Bereich dar.
Ph.D. Student Ofir Blumer: "In unserer neuen Studie zeigen wir, dass das Zeitskalenproblem durch stochastisches Zurücksetzen der Simulationen überwunden werden kann. Das scheint auf den ersten Blick kontraintuitiv - wie können die Simulationen schneller enden, wenn sie neu gestartet werden? Es stellt sich jedoch heraus, dass die Reaktionszeiten zwischen den Simulationen erheblich variieren. In einigen Simulationen laufen die Reaktionen schnell ab, während andere Simulationen lange Zeit in Zwischenzuständen verharren. Das Zurücksetzen verhindert, dass die Simulationen in solchen Zwischenzuständen stecken bleiben, und verkürzt die durchschnittliche Simulationszeit."
Die Forscher kombinierten das stochastische Resetting auch mit der Metadynamik, einer beliebten Methode zur Beschleunigung von Simulationen langsamer chemischer Prozesse. Die Kombination ermöglicht eine größere Beschleunigung als jede Methode für sich. Außerdem ist Metadynamik auf Vorwissen angewiesen: Die Reaktionskoordinaten müssen bekannt sein, um die Simulation zu beschleunigen. Durch die Kombination von Metadynamik und Rückstellung wird die Abhängigkeit vom Vorwissen deutlich verringert, was den Anwendern der Methode Zeit spart. Schließlich zeigten die Forscher, dass die Kombination genauere Vorhersagen über die Geschwindigkeit langsamer Prozesse liefert. Die kombinierte Methode wurde erfolgreich zur Verbesserung von Simulationen der Faltung eines Proteins in Wasser eingesetzt, und es wird erwartet, dass sie in Zukunft auf weitere Systeme angewendet wird.
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