aMD简介

在分子动力学模拟中,精准的力场和高效的采样始终是研究的热点问题。aMD(accelerated molecular dynamics,加速分子动力学)便是由UCSD的McCammon group提出的一种增强采样的方案。

aMD是一种通过填平势能面实现的增强采样技术,当体系的势能小于某个参考值的时候为体系加上一个非负的提升势。提升势降低了反应的能垒,因而能够加速体系在不同的低能状态之间的转换,从而采样到不同的构象状态,观测到常规MD中难以看到的跨能垒事件。

aMD_potential.png

如图所示,为了让体系能够逃离势能的极小值,当体系的势能$V(r)$低于某个固定值 $E$ 时,aMD会自动添加一个提高势$\Delta\left( V\left( r\right) \right)$使得体系更容易跨过能垒,从而能够加速采样。

通过观察系综平均的计算公式可以发现,原体系的系综平均 $\langle A\rangle$ 与增强采样之后的系综平均$\langle A^{\ast}\rangle$只是相差了一个因子$e^{\beta\Delta\left( V\left( r\right) \right)}$,故只需对每一个构象乘以相应的因子,得到的 $\langle A^C\rangle$ 与原体系的系综平均 $\langle A\rangle$ 相同。如此以来便可通过reweighting由增强采样的自由能得到常规MD的自由能描述,进而计算其它热力学性质。

需要注意的是,这里我们提到的势能$V(r)$一般只考虑体系的二面角项和非成键项对应的能量,而不是体系所有的能量项之和(Amber中可以通过iamd选项来决定考虑体系的二面角 or 总势能)。

从$\Delta\left( V\left( r\right) \right)$的公式中可知,$E$和$\alpha$是两个需要调整的参数。若$\alpha=0$,则相当于将势能固定在$E$,变成随机游走;若$\alpha$值太大,则?

关于$E$的选择,若$E$太小则$V(r)>E$始终成立,相当于没有增强采样。故而,在aMD之前还需要进行一段常规MD,然后将E取为势能的平均值。

通常,aMD的加速效果能将模拟的时间缩短一个数量级。


Amber tutorial