Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11422/27865

Type: Tese
Title: Development of a molecular dynamics based method for alchemical free energy calculation
Author(s)/Inventor(s): Correa, Gabriela Barreto
Advisor: Habert, Alberto Cláudio
Co-advisor: Tavares, Frederico Wanderley
Co-advisor: Abreu, Charlles Rubber de Almeida
Abstract: Energias livres em diferentes condições são essenciais para a obtenção de propriedades termodinâmicas de interesse industrial e acadêmico, como aquelas relacionadas à ligação proteína-ligante e a interações soluto-solvente. Simulações de Dinâmica Molecular (DM) têm sido amplamente aplicadas nesses cálculos, principalmente quando associadas a transformações alquímicas, que envolvem a utilização de caminhos termodinâmicos não físicos. Dentre as abordagens alquímicas, a modelagem soft-core é a mais frequentemente selecionada em estudos recentes e está implementada nos principais programas computacionais de DM. No entanto, uma técnica promissora chamada Linear Basis Function (LBF) foi sugerida recentemente. Esse modelo elimina uma grande desvantagem do método de escalonamento do qual ele deriva e mantém suas vantagens para criar uma metodologia mais flexível que a soft-core. No presente trabalho, propõe-se uma variação do método LBF para reduzir o número de parâmetros necessários enquanto se permite a formulação de protocolos alquímicos mais eficientes. Realizaram-se cálculos de energia livre de solvatação e obtiveram-se coeficientes de partição octanol-água de moléculas orgânicas para validar a proposta. Os coeficientes de partição são excelentes propriedades para testar a eficiência dos métodos de energia livre devido à grande quantidade de dados experimentais e simulados disponíveis na literatura. Resultados obtidos para três protocolos distintos baseados em diferentes esquemas de otimização são apresentados. Comparações com o método soft-core e com dados da literatura mostram a eficácia da nova estratégia. Portanto, este trabalho reforça os benefícios da abordagem LBF e fornece modelos simplificados potencialmente aplicáveis a vários outros sistemas.
Abstract: Free energies at different conditions are essential to obtain thermodynamic properties of industrial and academic interest, such as those related to protein-ligand binding and solute-solvent interactions. Molecular Dynamics (MD) simulations have been widely applied in these calculations, often associated with alchemical transformations, which involve non-physical thermodynamic pathways. Among the alchemical approaches, soft-core modeling is the most common in recent studies, being implemented in many of the main MD software packages. However, a promising technique called Linear Basis Function (LBF) was suggested recently. This model overcomes a major drawback of the scaling method, from which it derives, and maintains its advantages to create a more flexible methodology compared to the soft-core approach. In the present work, we propose a variation of the LBF method to reduce the number of required parameters while formulating efficient alchemical protocols. We performed solvation free energy calculations and obtained octanol-water partition coefficients of organic molecules to validate our proposal. Partition coefficients are excellent properties for testing the efficiency of free energy methods due to the large amount of experimental and simulated data available in the literature. Results obtained from three distinct protocols based on different optimization schemes are presented. Comparisons with the soft-core method and with literature data show the effectiveness of our strategy. Therefore, this work reinforces the benefits of the LBF approach and provides simplified models potentially applicable to various other systems.
Keywords: Energia livre
Propriedade termodinâmica
Simulações de Dinâmica Molecular
Subject CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICA::PROCESSOS INDUSTRIAIS DE ENGENHARIA QUIMICA
Program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química
Production unit: Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Publisher: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Issue Date: Feb-2022
Publisher country: Brasil
Language: eng
Right access: Acesso Aberto
Citation: CORREA, Gabriela Barreto. Development of a molecular dynamics based method for alchemical free energy calculation. 2022. 105 f. Tese (Doutorado) - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, COPPE, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2022.
Appears in Collections:Engenharia Química

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