Convergence and equilibrium in molecular dynamics simulations
Creators
- 1. National University of General San Martín
- 2. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
Description
Abstract Molecular dynamics is a powerful tool that has been long used for the simulation of biomolecules. It complements experiments, by providing detailed information about individual atomic motions. But there is an essential and often overlooked assumption that, left unchecked, could invalidate any results from it: is the simulated trajectory long enough, so that the system has reached thermodynamic equilibrium, and the measured properties are converged? Previous studies showed mixed results in relation to this assumption. This has profound implications, as the resulting simulated trajectories may not be reliable in predicting equilibrium properties. Yet, this is precisely what most molecular dynamics studies do. So the question arises: are these studies even valid?Here, we present a thorough analysis of up to a hundred microseconds long trajectories, of several system with varying size, to probe the convergence of different structural, dynamical and cumulative properties, and elaborate on the relevance of the concept of equilibrium, and its physical and biological meaning. The results show that properties with the most biological interest tend to converge in multi-microsecond trajectories, although other properties–like transition rates to low probability conformations–may require more time.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
الديناميات الجزيئية المجردة هي أداة قوية استخدمت لفترة طويلة لمحاكاة الجزيئات الحيوية. وهو يكمل التجارب، من خلال توفير معلومات مفصلة عن الحركات الذرية الفردية. ولكن هناك افتراضًا أساسيًا وغالبًا ما يتم تجاهله، إذا تُرك دون رادع، يمكن أن يبطل أي نتائج منه: هل المسار المحاكي طويل بما فيه الكفاية، بحيث يصل النظام إلى التوازن الديناميكي الحراري، والخصائص المقاسة متقاربة ؟ أظهرت الدراسات السابقة نتائج متباينة فيما يتعلق بهذا الافتراض. وهذا له آثار عميقة، حيث أن المسارات المحاكاة الناتجة قد لا تكون موثوقة في التنبؤ بخصائص التوازن. ومع ذلك، هذا هو بالضبط ما تفعله معظم دراسات الديناميكا الجزيئية. والسؤال الذي يطرح نفسه: هل هذه الدراسات صحيحة حتى ؟هنا، نقدم تحليلاً شاملاً لمسارات طويلة تصل إلى مائة ميكروثانية، لعدة أنظمة ذات أحجام متفاوتة، للتحقيق في تقارب الخصائص الهيكلية والديناميكية والتراكمية المختلفة، والتوسع في أهمية مفهوم التوازن، ومعناه الفيزيائي والبيولوجي. تظهر النتائج أن الخصائص ذات الأهمية البيولوجية الأكبر تميل إلى التقارب في مسارات متعددة الميكروثانية، على الرغم من أن الخصائص الأخرى - مثل معدلات الانتقال إلى المطابقات منخفضة الاحتمال - قد تتطلب مزيدًا من الوقت.Translated Description (French)
Résumé La dynamique moléculaire est un outil puissant qui a longtemps été utilisé pour la simulation des biomolécules. Il complète les expériences, en fournissant des informations détaillées sur les mouvements atomiques individuels. Mais il existe une hypothèse essentielle et souvent négligée qui, si elle n'est pas vérifiée, pourrait invalider tout résultat : la trajectoire simulée est-elle suffisamment longue pour que le système ait atteint l'équilibre thermodynamique et que les propriétés mesurées convergent ? Des études antérieures ont montré des résultats mitigés par rapport à cette hypothèse. Cela a de profondes implications, car les trajectoires simulées résultantes peuvent ne pas être fiables pour prédire les propriétés d'équilibre. Pourtant, c'est précisément ce que font la plupart des études de dynamique moléculaire. La question se pose donc : ces études sont-elles même valables ?Nous présentons ici une analyse approfondie de trajectoires allant jusqu'à une centaine de microsecondes de long, de plusieurs systèmes de taille variable, pour sonder la convergence de différentes propriétés structurelles, dynamiques et cumulatives, et développer la pertinence du concept d'équilibre, et sa signification physique et biologique. Les résultats montrent que les propriétés présentant le plus d'intérêt biologique ont tendance à converger dans des trajectoires de plusieurs microsecondes, bien que d'autres propriétés, comme les taux de transition vers des conformations à faible probabilité, puissent nécessiter plus de temps.Translated Description (Spanish)
Resumen La dinámica molecular es una poderosa herramienta que se ha utilizado durante mucho tiempo para la simulación de biomoléculas. Complementa los experimentos, proporcionando información detallada sobre los movimientos atómicos individuales. Pero hay una suposición esencial y a menudo pasada por alto que, si no se controla, podría invalidar cualquier resultado: ¿la trayectoria simulada es lo suficientemente larga como para que el sistema haya alcanzado el equilibrio termodinámico y las propiedades medidas sean convergentes? Estudios previos mostraron resultados mixtos en relación con este supuesto. Esto tiene profundas implicaciones, ya que las trayectorias simuladas resultantes pueden no ser confiables para predecir las propiedades de equilibrio. Sin embargo, esto es precisamente lo que hacen la mayoría de los estudios de dinámica molecular. Entonces surge la pregunta: ¿son válidos estos estudios?Aquí, presentamos un análisis exhaustivo de trayectorias de hasta cien microsegundos de duración, de varios sistemas con diferentes tamaños, para sondear la convergencia de diferentes propiedades estructurales, dinámicas y acumulativas, y elaborar sobre la relevancia del concepto de equilibrio, y su significado físico y biológico. Los resultados muestran que las propiedades con mayor interés biológico tienden a converger en trayectorias de varios microsegundos, aunque otras propiedades, como las tasas de transición a conformaciones de baja probabilidad, pueden requerir más tiempo.Files
s42004-024-01114-5.pdf.pdf
Files
(1.6 MB)
Name | Size | Download all |
---|---|---|
md5:17d950f424d1d38ee0eea5a191e5f64f
|
1.6 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التقارب والتوازن في محاكاة الديناميكا الجزيئية
- Translated title (French)
- Convergence et équilibre dans les simulations de dynamique moléculaire
- Translated title (Spanish)
- Convergencia y equilibrio en simulaciones de dinámica molecular
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4391617773
- DOI
- 10.1038/s42004-024-01114-5
References
- https://openalex.org/W1875448123
- https://openalex.org/W1985196112
- https://openalex.org/W2020511782
- https://openalex.org/W2029814263
- https://openalex.org/W2031573489
- https://openalex.org/W2052846767
- https://openalex.org/W2066926304
- https://openalex.org/W2095509648
- https://openalex.org/W2113994268
- https://openalex.org/W2122992893
- https://openalex.org/W2124483575
- https://openalex.org/W2125626635
- https://openalex.org/W2130479394
- https://openalex.org/W2252661420
- https://openalex.org/W2404280981
- https://openalex.org/W2568731469
- https://openalex.org/W2623567486
- https://openalex.org/W2784678839
- https://openalex.org/W2794774007
- https://openalex.org/W2808383683
- https://openalex.org/W2900992634
- https://openalex.org/W3102195158
- https://openalex.org/W3116167503
- https://openalex.org/W4226252537
- https://openalex.org/W4226284620
- https://openalex.org/W4303423568
- https://openalex.org/W4321317585
- https://openalex.org/W4387081039