Ausbalancierung der Wechselwirkungen von Mg2+ in wässriger Lösung und mit Nukleinsäure-Moiety für ein polarisierbares Kraftfeld basierend auf dem klassischen Drude-Oszillator-Modell

Mg2+-Ionen sind in biologischen Systemen wichtig, insbesondere zur Stabilisierung kompakter RNA-Faltungen. Mg2+ ist stark polarisierend, und die Darstellung seiner Wechselwirkungen in heterogenen Umgebungen stellt eine Herausforderung für die Entwicklung empirischer Kraftfelder dar. Bis heute nutzen die am häufigsten verwendeten Kraftfelder in molekulardynamischen Simulationen eine paarweise additive Näherung für elektrostatistische Wechselwirkungen, die die signifikante Polarisationsreaktion in Systemen, die Mg2+ enthalten, nicht berücksichtigen kann. In der vorliegenden Arbeit verfeinern wir die Wechselwirkungen von Mg2+ mit Wasser, Cl–-Ionen und Nukleinsäure-Moiety unter Verwendung eines polarisierbaren Kraftfelds basierend auf dem klassischen Drude-Oszillator-Modell. Durch die Zielsetzung der Wechselwirkungsenergien und Geometrien quantenmechanischer Wechselwirkungen in der Gasphase hydratisierter Komplexe sowie Berechnungen des osmotischen Drucks in der kondensierten Phase präsentieren wir ein Modell für Mg2+, das quantitative Übereinstimmung mit experimentellen Messungen der freien Energie der Wasserdissociation und des osmotischen Drucks über einen breiten Konzentrationsbereich ergibt. Bemerkenswert ist die direkte Modellierung der sterischen Abstoßung zwischen den Wasser-Drude-Oszillatoren und Mg2+, um die Pauli-Ausschluss-Effekte, die mit der Überlappung der Elektronenwolken von Wassermolekülen in der ersten Hydrationsschicht um Mg2+ verbunden sind, zu behandeln. In Kombination mit den verfeinerten Wechselwirkungen mit Nukleinsäure-Moiety stellt das vorliegende Modell einen bedeutenden Fortschritt in der Simulation nukleinsäurehaltiger Systeme dar, die Mg2+ enthalten.