Suche nach Übergangspfaden mit der String-Methode unter Verwendung von Trajektorien-Schwärmen

Ein Ansatz zur Identifizierung von Übergangspfaden in komplexen Systemen wird vorgestellt. Die Methode, die mit der String-Methode in kollektiven Variablen von Maragliano et al. (J. Chem. Phys. 2006, 125, 024106) verwandt ist, ist konzeptionell einfach und unkompliziert umzusetzen. Sie besteht darin, einen mutmaßlichen Übergangspfad im multidimensionalen Raum zu verfeinern, der durch eine Menge kollektiver Variablen unterstützt wird, wobei der durchschnittliche dynamische Drift dieser Variablen verwendet wird. Dieser Drift wird in Echtzeit mithilfe von Schwärmen kurzer unbeeinflusster Trajektorien geschätzt, die an verschiedenen Punkten entlang des Pfades gestartet werden. Die aufeinanderfolgenden Iterationen dieses Algorithmus, der natürlich über viele Computerknoten mit vernachlässigbarer Interprozesskommunikation verteilt werden kann, verfeinern einen anfänglichen Versuchspfad hin zum wahrscheinlichsten Übergangspfad (MPTP) zwischen zwei stabilen Becken. Die Methode wird zunächst getestet, indem der Weg für den C7eq zu C7ax Übergang in einem All-Atom-Modell des Alanin-Dipeptids im Vakuum bestimmt wird, das zuvor mit der String-Methode in kollektiven Variablen untersucht wurde. Ein Übergangspfad wird gefunden, dessen Kommittor-Verteilung bei 1/2 nahe dem Maximum der freien Energie spitz ist, was mit früheren Ergebnissen übereinstimmt. Zuletzt wird die Methode auf die allosterische konformationale Änderung im Stickstoff-regulierenden Protein C (NtrC) angewendet, das hier mit einem zweizuständigen elastischen Netzwerkmodell dargestellt wird. Obwohl mehr als 550 kollektive Variablen verwendet werden, um die konformationale Änderung zu beschreiben, konvergiert der Pfad schnell. Wiederum wird festgestellt, dass die Kommittor-Verteilung um 1/2 nahe dem Maximum der freien Energie zwischen den beiden stabilen Zuständen spitz ist, was bestätigt, dass ein echtes Übergangszustand in diesem komplexen multidimensionalen System lokalisiert wurde.