重み付きアンサンブルマイルストーニング(WEM).レアイベントシミュレーションのための複合的なアプローチ

Weighted ensemble milestoning (WEM): A combined approach for rare event simulations.

• Dhiman Ray
• Ioan Andricioaei

抄録

原子論的分子動力学を用いてレアイベントを直接シミュレーションすることは、計算生物物理学における重要な課題である。このような系の熱力学関数を得るためには、十分に確立されたエンハンストサンプリング技術が存在する。しかし、原子レベルの詳細なシミュレーションから長い時間スケールのプロセスの運動論を得る方法は、比較的開発されていない分野である。マイルストン法と重み付きアンサンブル（WE）法は2つの異なる層別化手法であり、どちらも複雑な生体分子過程の長いタイムスケールを計算するための有望な手法である。それにもかかわらず、どちらも計算資源に多大な投資を必要とします。我々は、WEとマイルストーニングを組み合わせて、観測値を計算するために、中央処理装置と壁時計の時間を桁違いに少なくしています。我々の重み付きアンサンブルマイルストーニング法(WEM)は、マイルストーン間の遷移確率と最初の通過時間を収束させるためにWEシミュレーションを使用し、その後、プロセス全体の熱力学的・運動学的特性を抽出するためにマイルストーニングの理論的枠組みを利用します。我々は、単純な1次元ダブルウェル電位,エネルギー障壁を持つ11次元電位エネルギー面、及び生体分子モデル系であるアラニンジペプチドを用いて、我々の手法をテストした。その結果、自由エネルギープロファイル,時間相関関数,平均的な最初の通過時間を有意に小さい計算コストで障壁交差イベントのために回復することができました。WEMは、現在のブルートフォース計算の範囲をはるかに超えた大規模システムの低速ダイナミクスへの分子動力学シミュレーションの適用性を拡張することを約束します。

To directly simulate rare events using atomistic molecular dynamics is a significant challenge in computational biophysics. Well-established enhanced-sampling techniques do exist to obtain the thermodynamic functions for such systems. However, developing methods for obtaining the kinetics of long timescale processes from simulation at atomic detail is comparatively less developed an area. Milestoning and the weighted ensemble (WE) method are two different stratification strategies; both have shown promise for computing long timescales of complex biomolecular processes. Nevertheless, both require a significant investment of computational resources. We have combined WE and milestoning to calculate observables in orders-of-magnitude less central processing unit and wall-clock time. Our weighted ensemble milestoning method (WEM) uses WE simulation to converge the transition probability and first passage times between milestones, followed by the utilization of the theoretical framework of milestoning to extract thermodynamic and kinetic properties of the entire process. We tested our method for a simple one-dimensional double-well potential, for an eleven-dimensional potential energy surface with energy barrier, and on the biomolecular model system alanine dipeptide. We were able to recover the free energy profiles, time correlation functions, and mean first passage times for barrier crossing events at a significantly small computational cost. WEM promises to extend the applicability of molecular dynamics simulation to slow dynamics of large systems that are well beyond the scope of present day brute-force computations.