Valódi felülethez viszonyított (intrinsic) szabadenergiaprofil számítása fluid határfelületeken Darvas Mária ELTE, Határfelületek és Nanorendszerek Laboratóriuma, Pázmány P. Stny 1/A, H ‑ 1117 Budapest, Hungary Institut UTINAM—UMR CNRS 6213, Faculté des Sciences, Université de Franche-Comté, F Besançon Cedex, France Miguel Jorge Laboratory of Separation and Reaction Engineering (LSRE)Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Rua Dr. Roberto Frias, s/n Porto, Portugal Marcello Sega ICP, Stuttgart University Pfaffenwaldring Stuttgart Germany Pál Jedlovszky Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

Tartalom Tartalom 1.Bevezetés -Alkalmazási területek 2.Módszerek - Ismert szabadenergiaszámoló módszerek -A korlátozott változók módszere -A határfelület kérdésköre - Az intrinsic módszer - A módszer elve - Technikai kérdések 3.A víz/1,2-diklóretán/kloridion rendszer példája -A szimuláció részletei -Eredmények Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

Bevezetés 1. - miért fontos? - Bevezetés 1. - miért fontos? - Kismolekulák transzportja membránon keresztül Ionok eloszlása határfelületeken A, Biológiai membránok -ion transzfer -elektron transzfer -gyógyszer célbajuttatás B, Elektrokémia -redox folyamatok töltött felületeken -határfelületi ionadszorpció Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

Bevezetés 4. - Szabadenergia profil és a PMF kapcsolata - Bevezetés 4. - Szabadenergia profil és a PMF kapcsolata - Lehetetlen meghatározni Szimulációk útján közvetlenül nem számítható Szabadenergia Workshop november Mátrafüred két állapot szabadenergia különbségét számítjuk (TI, FEP) A szabadenergiát a potential of mean force-szal közelítjük

Módszerek Számítógépes Szimulációs Technikák A, Kváziegyensúlyi módszerek -Korlátozott szabadsági fokok módszere (variable constraining) -Umbrella Sampling B, Dinamikus módszerek - Irányított molekuláris dinamika (Steered Molecular Dynamics) -Metadinamika Több szimuláció A profilt kis egyensúlyi lépésekben kapjuk Egyetlen szimuláció Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

Potential of Mean Force – korlátozott szabadsági fokok módszere 1.– klasszikus megközelítés A tesztrészecske helyét fixáljuk a szimulációs dobozban. (1- 3D) A részecske helyben tartásához a szükséges a rendszer által kifejtett erőt feljegyezzük a szimuláció minden időlépésében. A tesztrészecskét elmozdítjuk. (kis egyensúlyi lépés) Az átlagos erő hely szerinti negatív integrálja a PMF (szabadenergiaprofil). Elterjedt értelmezés: a profilt a makroszkópikus határfelülettől vett távolság (z j ) függvényében ábrázoljuk xNxN Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

F PMF A szimulációs protokol Potential of Mean Force – korlátozott szabadsági fokok módszere 2.– klasszikus megközelítés Szabadenergia Workshop november Mátrafüred Z

Problémás kérdés – mi a határfelület?- makroszkópikusan atomi felbontásban Harmadik részecske a jelenlétében a hatás még kifejezettebb (pl.: vízujj képz ő dés iontranszfer során) Új megközelítés: viszonyítsunk a valódi felülethez (INTRINSIC PMF) Nem sík, a kapilláris hullámok miatt korrugált Id ő ben változó Sík Időben állandó Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

ITIM analízis ITIM analízis -A valódi határfelület meghatározása– Határfelületi molekulák : a próbagolyót megállítják Az atomok méretét a Lennard - Jones  L-J paraméterrel közelítjük  L-J = 0 a próbagolyó nem látja az atomot Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– A tesztrészecske helyét fixáljuk a szimulációs dobozban (1-3D). A szimuláció minden időlépésében feljegyezzük a molekula egy helyben tartásához szükséges erőt és a valódi határfelületet alkotó molekulák listáját, amiből kiszámítjuk a pillanatnyi erő (F inst )vs valódi távolság (z int ) fuggvényt A tesztrészecskét kis egyensúlyi lépésben áthelyezzük A F(zint) függvény integrálja a PMF az adott zint intrinsic távolságnál Új megközelítés:A szabadenergia profilt a valódi határfelülettől vett intrinsic távolság függvényében ábrázoljuk xNxN Szabadenergia Workshop november Mátrafüred

Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– Technikai kérdések 1. - Az ITIM analízis időigénye Technikai kérdések 1. - Az ITIM analízis időigénye Szabadenergia Workshop november Mátrafüred Csak az ionhoz közeli tesztvonalakat vesszük figyelembe

Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– Technikai kérdések 2. - Hogyan értendő az intrinsic távolság Technikai kérdések 2. - Hogyan értendő az intrinsic távolság Szabadenergia Workshop november Mátrafüred Voronoi módszer Háromszöges interpoláció A ion C tr z int y z x

Potential of Mean Force – a valódi felülethez viszonyított megközelítés 1.– Technikai kérdések 3. - Hidrátburok a szerves fázisban. Felület vagy nem? Technikai kérdések 3. - Hidrátburok a szerves fázisban. Felület vagy nem? Szabadenergia Workshop november Mátrafüred A hidrátburok a felület részeÖnálló hidrátburok Megoldás: klaszter analízis az ITIM-et megelőzően 1. A hidrátburkot alkotó vízmolekulák kiválasztása 2. A hidrátburok molekuláit is tartalmazó legkisebb klaszter megkeresése A.Valamelyik klaszter nagyobb, mint 2× B. Mindegyik klaszter kisebb, mint 2× A hidrátburok a felület része ITIM Önálló hidrátburok ITIM X

Eredmények 1. – A klasszikus PMF – Szabadenergia Workshop november Mátrafüred Klasszikus PMF Tömegsűrűség

Eredmények 2. – Az intrinsic PMF – Szabadenergia Workshop november Mátrafüred Intrinsic tömegsűrűség Intrinsic PMF

Eredmények 3. – Időigény, módszerfüggés– Szabadenergia Workshop november Mátrafüred Intrinsic PMF R é szl é p é sVal ó s időig é ny/ s/konfigur á ci ó Szimul á ci ó 2,54 Klaszter anal í zis2,49 ITIM anal í zis3,95 H á romsz ö ges interpol á ci ó 0,14 Voronoi m ó dszer0,12 Erő t á vols á g f ü ggv é ny 0,08 Újradobozol á s és integrálás 0,10

Köszönöm a figyelmet!