[論文レビュー] Mean Force Based Temperature Accelerated Sliced Sampling: Efficient Reconstruction of High Dimensional Free Energy Landscapes

Asit Pal, Subhendu Pal+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 7, 2021

Protein Structure and Dynamics参考文献 55被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、温度加速スライスドサンプリング（TASS）における計算コストの高いWHAM後処理を置き換えるmean-force（MF）に基づく再重み付け手法TASS-MFを提案する。これにより、多数のシミュレーションウィンドウを必要とせず、高次元の自由エネルギー面の高精度な再構築が可能になる。本手法はアラニンジペプチドおよびトリペプチドの2次元および4次元自由エネルギー面をkcal mol⁻¹の精度で計算し、従来のアンビリラ・サンプリングおよびメタダイナミクス手法と比較して著しく効率的である。

ABSTRACT

Temperature Accelerated Sliced Sampling (TASS) is an efficient method to compute high dimensional free energy landscapes. The original TASS method employs the Weighted Histogram Analysis Method (WHAM) which is an iterative post-processing to reweight and stitch high dimensional probability distributions in sliced windows that are obtained in the presence of restraining biases. The WHAM necessitates that TASS windows lie close to each other for proper overlap of distributions and span the collective variable space of interest. On the other hand, increase in number of TASS windows implies more number of simulations, and thus it affects the efficiency of the method. To overcome this problem, we propose herein a new mean-force (MF) based reweighting scheme called TASS-MF, which enables accurate computation with a fewer number of windows devoid of the WHAM post-processing. Application of the technique is demonstrated for alanine di- and tripeptides in vacuo to compute their two- and four-dimensional free energy landscapes, the latter of which is formidable in conventional umbrella sampling and metadynamics. The landscapes are computed within a kcal/mol accuracy, ensuring a safe usage for broad applications in computational chemistry.

研究の動機と目的

• WHAMの計算非効率性を克服する。TASSにおけるWHAMは、密なウィンドウ重複と反復的再重み付けを必要とする。
• WHAMを非反復的かつmean-forceに基づく再重み付け方式に置き換えることで、必要なTASSシミュレーションウィンドウ数を削減する。
• 従来のアンビリラ・サンプリングやメタダイナミクスでは困難な、高次元自由エネルギー面（4次元表面を含む）の高精度な再構築を可能にする。
• TASSに限らず、アンビリラ・サンプリングやウェル・テンパード・メタダイナミクスなど他の強化サンプリング手法へも一般化可能な汎用手法を開発する。

提案手法

• 自由エネルギー面を反復的WHAM後処理なしに再構築できる、mean-force（MF）に基づく再重み付け方式TASS-MFを提案する。
• バイアスされた補助座標z₁に沿った投影自由エネルギーの勾配を用いて平均力を計算する：(dF₁/dz₁)_{ξh} = −⟨kₕ[z₁ − ξₕ]⟩_{ξₕ}。
• 熱力学的統合を用いてz₁に沿った平均力を統合することで、全自由エネルギー面F(z)を再構築する：F(z) = ∫ dz′ ⟨dF/dz′⟩。
• 異なる横方向のCV（反応座標）を用いた独立したTASSウィンドウに本手法を適用し、高次元CV空間の柔軟かつ効率的なサンプリングを可能にする。
• 各ウィンドウからの平均力を直接用いることで、WHAMの反復的収束を回避し、計算コストを低減するとともに、重複要件を排除する。
• アラニンジペプチドおよびトリペプチドを真空中で用い、参照自由エネルギー面と比較することで、本手法の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非反復的かつmean-forceに基づく再重み付け方式は、WHAMをTASSで置き換えることで、計算コストとウィンドウ数を削減できるか？
• RQ2 TASS-MFは、広範なウィンドウ重複を要せず、高次元自由エネルギー面（4次元表面を含む）をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 TASS-MFは、複雑な高次元自由エネルギー面に対して、従来のアンビリラ・サンプリングおよびメタダイナミクス手法と比較して、精度と効率の面で優れているか？
• RQ4 TASS-MFは、アンビリラ・サンプリングやウェル・テンパード・メタダイナミクスといった他の強化サンプリング手法へ一般化可能か？
• RQ5 TASS-MFは、現実的なバイオ分子系において、どの程度の精度（kcal mol⁻¹単位）を達成できるか？

主な発見

• TASS-MFは、アラニンジペプチドおよびトリペプチドの2次元および4次元自由エネルギー面をkcal mol⁻¹の精度で正確に再構築でき、参照手法と同等の性能を示す。
• WHAMに比べてはるかに少ないTASSウィンドウ数でこの精度を達成しており、シミュレーションコストの低減に寄与する。
• 平均力に基づく再重み付け方式により、反復的WHAMの必要性が排除され、非反復的かつ計算的に効率的なプロセスが実現される。
• TASS-MFで計算された自由エネルギー障壁は、WT-MTDと同等のシミュレーション長で参照値に収束し、安定性が確認された。
• 本手法は汎用的であり、アンビリラ・サンプリングおよびウェル・テンパード・メタダイナミクスへも適用可能であり、TASSに限らない応用可能性を有する。
• 従来の手法では困難であったトリペプチドの4次元自由エネルギー面が、TASS-MFにより成功裏に再構築された。