[論文レビュー] Continual Model of Medium I: Algorithm for Formation of Smooth Molecular Surface

Oleg Kupervasser, N. E. Wanner|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2011

Advanced Physical and Chemical Molecular Interactions被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、分子表面の一次および二次ローリングを用いて、滑らかで完全な溶媒埋め込み表面（SES）および溶媒可及表面（SAS）を生成するアルゴリズムを提示する。表面の不規則性を制御するための適応的臨界距離を導入することで、連続的溶媒モデルにおける正確な溶媒化エネルギー計算に不可欠な最適で滑らかな分子表面が得られる。

ABSTRACT

In this paper the full and exhaustive algorithm of formation of a smooth molecular Solvent Excluded Surface- SES, and also Solvent Accessible Surface- SAS is presented. These surfaces are a boundary between molecule and solvent. The basis of the algorithm is primary and secondary rolling of molecules. Originality of the paper consists in making of the full and improved algorithm of secondary rolling which allows to create optimal smooth surface SES of any molecule or any set of molecules by rolling any irregularities and close to irregularities situations appearing during primary rolling. The adaptive critical distance characterizing maximal admissible irregularity of a surface is used. The main task, which will be solved by the formed surface and which will be considered in the further papers, is a calculation of solvation energy and its gradients for continual models of solvent. Also it can be used for the demonstration purposes in the molecular editors.

研究の動機と目的

• 原子座標から滑らかな分子表面（SESおよびSAS）を形成する包括的かつ強固なアルゴリズムの開発。
• 一次ローリング中に生じる表面の不規則性を二次ローリング処理で解消すること。
• 表面の滑らかさを制御し、アーティファクトを除去するために、臨界距離を適応的に定める手法の導入。
• 今後の研究において、連続的溶媒モデルを用いた正確な溶媒化エネルギーおよび勾配計算を可能にすること。
• 分子モデリングソフトウェアにおける可視化および教育的応用を支援すること。

提案手法

• アルゴリズムは一次ローリングを採用し、プローブ球が原子表面を転がることで初期のSESまたはSASを形成する。
• 残留する不規則性、特に高い曲率領域や原子の重なり領域においては、二次ローリングを適用して滑らかにする。
• 最大許容表面ずれを定義するための適応的臨界距離を動的に調整し、最適な滑らかさを確保する。
• 表面点の計算には、球面および円柱面の交差に基づく幾何的ローリング演算を用いる。
• 変更なしに単一分子および分子複合体の両方を処理できるように設計されている。
• 得られる表面はトポロジカルに正しく、連続的であり、溶媒モデルにおける数値積分に適している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何的ローリング操作を用いて、原子座標から一貫性があり滑らかな分子表面をどのように生成できるか？
• RQ2 初期ローリング中に生じた表面の不規則性を特定し、除去するための基準は何か？
• RQ3 分子トポロジを保持しつつ滑らかさを確保するため、表面滑らかさのための臨界距離をどのように適応的に決定できるか？
• RQ4 表面の滑らかさは、連続的溶媒モデルにおける溶媒化エネルギー計算の正確性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 このアルゴリズムは、複雑な分子系および複数の分子を同時に処理するために一般化可能か？

主な発見

• アルゴリズムは、任意の分子または分子複合体について、滑らかでトポロジカルに正しいSESおよびSAS表面を効果的に生成できる。
• 適応的臨界距離を用いた二次ローリングにより、一次ローリングに起因する表面アーティファクトが効果的に除去される。
• 表面の不規則性は最小限に抑えられつつ、分子の形状および空間的境界が保持される。
• 得られた表面は、将来的な研究において高精度な溶媒化エネルギーおよび勾配計算に適している。
• アルゴリズムは強固で一般化可能であり、単離分子および分子アセンブリに両方適用可能である。
• この手法は分子可視化ツールと互換性があり、教育的およびデモンストレーション用途に適している。