Dinâmica Molecular em Coordenadas Internas: Uma Fundação para Dinâmica Multiescalar

As coordenadas internas, como comprimentos de ligações, ângulos de ligação e ângulos de torção (BAT), são coordenadas naturais para descrever um sistema molecular ligado. No entanto, os métodos de simulação de dinâmica molecular (MD) amplamente utilizados para proteínas, DNA e polímeros são baseados em coordenadas cartesianas devido à simplicidade matemática das equações de movimento. No entanto, frequentemente são necessárias restrições com simulações de MD cartesianas para melhorar a amostragem conformacional. Isso torna as equações de movimento nas coordenadas cartesianas diferenciais-algébricas, o que impacta negativamente a complexidade e a robustez das simulações. Por outro lado, as restrições podem ser facilmente impostas nas coordenadas BAT removendo os graus de liberdade que precisam ser restringidos. Assim, a MD em coordenadas internas (ICMD) oferece uma alternativa atraente à MD em coordenadas cartesianas para o desenvolvimento de métodos de MD multiescalar. O método de MD torcional é uma adaptação especial do método ICMD, onde todos os comprimentos de ligações e ângulos de ligação são mantidos rígidos. As vantagens dos métodos de simulação ICMD são o maior tamanho do passo de tempo proporcionado ao congelar os graus de liberdade de alta frequência e realizar uma busca conformacional nos graus de liberdade torcionais de baixa frequência mais importantes. No entanto, os avanços nas simulações ICMD têm sido lentos e sufocados por gargalos matemáticos de longa data. Nesta revisão, resumimos os recentes avanços matemáticos que fizemos com base na álgebra de operadores espaciais, no desenvolvimento de uma caixa de ferramentas de simulação ICMD robusta em escalas de tempo longas, útil para várias aplicações. Também apresentamos as aplicações das simulações ICMD para estudar mudanças conformacionais em proteínas e refinamento de estrutura de proteínas. Revisamos as vantagens das simulações ICMD sobre as simulações cartesianas quando usadas com métodos de amostragem aprimorada e projetamos o uso futuro de simulações ICMD na dinâmica de proteínas.