Moleküler Dinamik Simülasyonları Makromoleküllerin Hareketini ve Yapısını İncelemek İçin Kullanılıyor

Moleküler Dinamiğin Temel Tanımı

Moleküler dinamik (MD), atomların ve moleküllerin fiziksel hareketlerini incelemek için kullanılan bir bilgisayar simülasyon yöntemidir. Bu yöntemde, atomların ve moleküllerin sabit bir süre boyunca etkileşime girmesine izin verilir ve bu da sistemin dinamik evrimi hakkında bilgi verir. En yaygın versiyonda, atomların ve moleküllerin yörüngeleri, parçacıklar ve bunların potansiyel enerjileri arasındaki kuvvetlerin çoğu zaman atomlararası potansiyeller veya moleküler mekanik kuvvet alanları kullanılarak hesaplandığı, etkileşen parçacıkların bir sistemi için Newton’un hareket denklemlerinin sayısal olarak çözülmesiyle belirlenir.

Metot ilk olarak 1950’lerin sonunda teorik fizik alanında geliştirildi, ancak günümüzde çoğunlukla kimyasal fizik, malzeme bilimi ve biyomoleküllerin modellenmesinde uygulanmaktadır.

Karmaşık Sistemlerde Sayısal Çözüm

Moleküler sistemler tipik olarak çok sayıda parçacıktan oluştuğundan, bu tür karmaşık sistemlerin özelliklerini analitik olarak belirlemek mümkün değildir; MD simülasyonu, sayısal yöntemleri kullanarak bu sorunu çözmektedir. Bununla birlikte, uzun MD simülasyonları matematiksel olarak kötü koşullandırılmıştır, yani sayısal entegrasyonda uygun algoritma ve parametrelerin seçimi ile minimize edilebilecek, ancak tamamen ortadan kalkamayan kümülatif hatalar oluştururlar.

Ergodik hipoteze uyan sistemler için, bir moleküler dinamik simülasyonunun evrimi, sistemin makroskopik termodinamik özelliklerini belirlemek için kullanılabilir. Bir ergodik sistemin zaman ortalamaları, mikrokanonik topluluk ortalamalarına karşılık gelir. MD, aynı zamanda doğanın kuvvetlerini canlandırarak ve atomik bir ölçekte moleküler hareketi inceleme şansı sağlayarak “sayılarla istatistiksel mekanik” ve “Laplace’in Newton mekaniğinin vizyonu” olarak da adlandırılmıştır.

Biyomoleküllerde Uygulama

İlk olarak teorik fizikte kullanılan MD yöntemi, malzeme biliminde kısa süre sonra popülerlik kazanmış ve 1970’lerden beri biyokimya ve biyofizikte de yaygındır. MD, X ışını kristalrofisi veya NMR spektroskopisinden elde edilen deneysel kısıtlamalara dayanarak proteinlerin ve diğer makromoleküllerin 3 boyutlu yapılarını geliştirmek/daha iyi hale getirmek için sıklıkla kullanılır.

Biyofizik ve yapısal biyolojide, bu yöntem proteinler ve nukleik asitler gibi makromoleküllerin hareketlerini incelemek için sıkça uygulanır. Buradan elde edilecek veri ligand yerleştirme gibi biyofiziksel deneylerin sonuçlarını yorumlamak ve diğer moleküller ile etkileşimleri modellemek için faydalı olabilir. Prensipte MD, polipeptit zincirinin rastgele katlanmasını simüle ederek protein yapısının ab initio tahmini için kullanılabilir.

Örnek Uygulamalar

Moleküler dinamikler birçok bilim dalında kullanılmaktadır. Basitleştirilmiş bir biyolojik katlama işleminin ilk MD simülasyonu 1975’te yayınlanmış ve Nature’da yayınlanan bu simülasyon, modern bilgisayarlı protein katlamanın alanının yolunu açmıştır. Bir biyolojik sürecin ilk MD simülasyonu ise 1976’da Nature’da yayınlanmıştır.

Gaucher Hastalığına neden olan en yaygın protein mutasyonu N370S’in moleküler temelini tahmin etmek için MD simülasyonları başarıyla uygulanmıştır. Bunu takip eden daha sonraki bağımsız olarak yayınlanan yayında, bu kör tahminlerin aynı mutant üzerindeki deneysel çalışma ile yüksek bir korelasyon gösterdiği gösterilmiştir.

Büyük Boyutlu Sistem Simülasyonları

Çok büyük boyutta bir sistem (bir virüsün tamamı) veya çok uzun simülasyon sürelerde simülasyonları üretmek için kayda değer çabalar gösterilmiştir. Uydu tütün mozaik virüsünün tamamının MD simülasyonu (2006) 1 milyon atom boyutunda ve 50 ns simülasyon süresinde NAMD programı ile gerçekleştirilmiştir. Bu virüs, Tütün Mozaik Virüsü (TMV) enfeksiyonunun belirtilerini kötüleştiren küçük, ikosahedral bitki virüsüdür. Bir anahtar bulgu, kapsidin içinde RNA olmadığında çok dengesiz olmasıdır. Simülasyonun tamamlanması 2006 model bir masaüstü bilgisayarda yaklaşık 35 yıl alacaktır.

Villin Başlığının tüm atom detaylarında katlanması simülasyonları (2006) 20.000 atom boyutunda ve 500.000 ns simülasyon süresinde Folding@home programı ile yürütülmüştür. Bu simülasyon, dünya genelinde 200.000 CPU’nun katıldığı kişisel bilgisayarlarda gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada, Viford Pande tarafından Stanford Üniversitesi’nde koordine edilen dağıtılmış hesaplama çalışması olan Folding@home programı kullanılmıştır.

Bu açıklama Vikipedi kaynaklarından uyarlanmıştır ve şu lisans altında sunulur: CC BY-SA 4.0.