Eine neue Methode der molekularen Dynamik, die den Algorithmus des Referenzsystem-Propagators mit einer schnellen Multipole-Methode kombiniert, um Proteine und andere komplexe Systeme zu simulieren.

In diesem Papier wird ein effizienter Algorithmus zur molekularen Dynamik (MD) für biomolekulare Systeme vorgestellt, der eine neuartige Variation der schnellen Multipole-Methode (FMM) integriert, gekoppelt mit dem reversiblen Referenzsystem-Propagator-Algorithmus (r-RESPA). Es wird eine top-down FMM vorgeschlagen, die Multipole rekursiv von der Spitze des Boxbaums berechnet, anstatt von der Basis, wie im ursprünglichen FMM von Greengard, um effizienter für nichtkubische oder nichtuniforme Systeme zu sein. Darüber hinaus wird die Verwendung von nichtkubischen Boxunterteilungen biomolekularer Systeme behandelt und diskutiert. Der reversible RESPA, basierend auf einer Trotter-Faktorisierung des Liouville-Propagators zur Generierung numerischer Integrationsschemata, wird mit der top-down FMM gekoppelt und auf eine MD-Studie von Proteinen im Vakuum angewendet. Es wird gezeigt, dass er in der Lage ist, einen viel größeren Zeitschritt als die Standard-Geschwindigkeit-Verlet-Methode für ein vergleichbares Maß an Genauigkeit zu verwenden. Darüber hinaus wird es durch die Verwendung der FMM möglich, MD-Simulationen für sehr große Biomoleküle durchzuführen, da die Speicher- und CPU-Zeit-Anforderungen nun nahezu der Ordnung O(N) statt O(N2) entsprechen. Für ein Protein mit 9513 Atomen (dem photosynthetischen Reaktionszentrum) führt der effiziente MD-Algorithmus zu einer 20-fachen Reduzierung der CPU-Zeit für die Coulomb-Wechselwirkung und einer ungefähr 15-fachen Reduzierung der gesamten CPU-Zeit im Vergleich zum Standard-Geschwindigkeit-Verlet-Algorithmus mit einer direkten Auswertung der Coulomb-Kräfte.