Científicos computacionales del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han publicado un estudio en el Journal of Chemical Theory and Computation eso cuestiona un factor aceptado desde hace mucho tiempo en la simulación de la dinámica molecular del agua:el paso de tiempo de 2 femtosegundos (una billonésima de segundo). El femtosegundo es una escala de tiempo utilizada por los científicos para medir los procesos ultrarrápidos de átomos y moléculas.

Según los hallazgos del equipo, utilizar un paso de tiempo superior a 0,5 femtosegundos (el intervalo de tiempo en el que se analiza una simulación por computadora) puede introducir errores tanto en la dinámica como en la termodinámica al simular agua usando una descripción de cuerpo rígido.

Debido a que el agua es el componente más frecuente de las simulaciones biomoleculares (desde conjuntos de proteínas hasta ácidos nucleicos), la recomendación del equipo de un paso de tiempo de 0,5 femtosegundos para una mayor precisión podría causar algunas olas en la comunidad científica. El paso de tiempo de 2 femtosegundos se ha aceptado como estándar en simulaciones de agua durante casi 50 años.

"Esto tiene amplias implicaciones porque el agua es el componente activo en la biología celular. El agua es la matriz de la vida, y todas las simulaciones que hacemos en sistemas biológicos siempre están en agua. Pero si estás simulando ese fluido de una manera que rompe un principio fundamental de la mecánica estadística del equilibrio, eso es un problema", dijo el coautor Dilip Asthagiri, científico biomédico computacional senior en el grupo de Computación Avanzada para Ciencias de la Vida e Ingeniería de ORNL.

Las simulaciones moleculares resuelven ecuaciones de movimiento newtonianas para dilucidar cómo evolucionan las moléculas con el tiempo. De particular interés para los investigadores que realizan tales cálculos es la determinación de las temperaturas resultantes del sistema.

Uno de los principios de la mecánica estadística es que si un sistema está en equilibrio, entonces las temperaturas asociadas con su movimiento de traslación (movimiento a lo largo de una línea) y su movimiento de rotación deberían ser las mismas. Si esas dos temperaturas difieren, entonces la simulación no está en equilibrio. Según los hallazgos del equipo, ese es el problema esencial al utilizar pasos de tiempo superiores a 0,5 femtosegundos para simular el agua.

El uso del paso de tiempo de 2 femtosegundos en simulaciones surgió de un artículo publicado en 1977, cuando el tiempo de computación era mucho más costoso desde el punto de vista computacional. Debido a que el enlace flexible entre el oxígeno y el hidrógeno vibra rápidamente, los pasos de tiempo necesarios para calcular con precisión esa vibración son muy pequeños, lo que requiere más tiempo de cálculo para capturar suficientes intervalos para estudiar. Debido a que ese movimiento es el más rápido, ese paso de tiempo es el que se debe utilizar en la evolución para obtener la respuesta correcta.

Los autores del artículo querían saber si había una manera de utilizar pasos de tiempo más largos y permitir menos intervalos y simulaciones más largas. Esos investigadores propusieron una descripción del agua como cuerpo rígido para hacer precisamente eso.

"El trabajo de 1977 básicamente decía que las vibraciones del enlace oxígeno-hidrógeno se pueden desacoplar de la traslación y la rotación y, por lo tanto, congelar las vibraciones al tratar el agua como un cuerpo rígido debería permitir dar un gran paso en el tiempo", dijo Asthagiri. "Desde entonces, el modelo de enlace rígido se ha convertido en el estándar:la forma canónica en que los científicos ven esto".

Pero Asthagiri descubrió que el uso de este método puede causar discrepancias en las temperaturas entre los movimientos de traslación y rotación de las moléculas de agua, lo que significa que la simulación puede estar produciendo resultados incorrectos.

"Lo que Dilip descubrió es que, con un paso de tiempo demasiado largo, se tienden a obtener valores inexactos tanto para la termodinámica como para la dinámica del movimiento del agua, que es el medio en el que se mueven todas estas moléculas. En efecto, se puede "Obtendremos una fricción falsa, ya sea demasiado grande o demasiado pequeña, debido a esta aproximación de un paso de tiempo demasiado largo. Y si eliminamos la fricción, eso significa que el movimiento de estas moléculas también desaparecerá", dijo el coautor. autor Tom Beck, jefe de sección de Compromiso Científico en el Centro Nacional de Ciencias Computacionales de ORNL.

Asthagiri notó por primera vez esta disparidad en las temperaturas como profesor de investigación en la Universidad Rice en 2021. Él y un estudiante de posgrado estaban simulando agua en el régimen sobreenfriado y descubrieron que la temperatura promedio en el archivo de registro era inferior a la temperatura de referencia.

"Era una diferencia de 1 Kelvin, y puedes ignorarla fácilmente, pero se observó sistemáticamente a diferentes temperaturas. Y esa fue la pista de que algo andaba mal; bueno, tal vez una temperatura, pero ¿varias temperaturas con el mismo comportamiento? Debe haber algo mal", dijo Asthagiri.

Después de unirse a ORNL en 2022, Asthagiri comenzó a examinar la rotación y la traslación por separado en lugar de utilizar las coordenadas y velocidades del sitio, que son cantidades estándar que producen los códigos de simulación biomolecular. Por cierto, formular las ecuaciones de esos movimientos por separado fue el enfoque utilizado por los autores del primer artículo escrito sobre la simulación del agua en 1971. Esos autores recomendaron un paso de tiempo de 0,4 femtosegundos.

"Necesitamos volver al trabajo original en términos de ser cuidadosos. No hay nada de malo en calcular las velocidades del sitio, pero si lo haces como velocidades del sitio, entonces necesitas tomar un paso de tiempo que sea lo suficientemente pequeño como para que las temperaturas entre la traducción y la rotación son las mismas, en promedio", dijo Asthagiri.

Los científicos computacionales pueden hacer fácilmente el cambio a pasos de tiempo de 0,5 femtosegundos, si así lo desean, aunque también daría como resultado simulaciones más cortas debido a tiempos de computación más largos.

"Es sólo un indicador en el script de entrada:2 a 0,5. Es un cambio muy simple, pero ahora el problema es que hay que usar más tiempo de computación, eso es todo. Pero la potencia de computación ya está disponible", dijo Asthagiri. P>

Asthagiri ha presentado los hallazgos del estudio a colegas del Centro de Ciencia e Innovación de Telluride y a la serie de seminarios en línea sobre termodinámica estadística y simulaciones moleculares.

"Cuando presenté el trabajo en una serie de seminarios en línea sobre termodinámica estadística, la primera reacción fue un poco de shock. Tomará tiempo asimilarlo", dijo Asthagiri.

Asthagiri presentará los resultados en otro taller coorganizado por Beck para el Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire del 6 al 8 de mayo en Pisa, Italia.