[论文解读] A continuum solvent model: the DISOLV program - algorithms, implementation, and validation

Oleg Kupervasser, S. N. Zhabin+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 2, 2011

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 12被引用 9

一句话总结

本论文介绍了DISOLV程序，这是一种将PCM、SGB和COSMO方法整合的连续相溶剂模型实现，可实现精确的溶剂化自由能计算。该模型采用解析梯度和光滑三角化分子表面，对数百种分子的实验数据进行计算，均方根偏差约为0.8 kcal/mol，证明其在使用MMFF94力场时对蛋白质和配体具有高精度和强鲁棒性。

ABSTRACT

Several implicit (continuum) solvent models are considered: the Polarized Continuum Model (PCM), the Surface Generalized Born model (SGB), and the COnductor-like Screening model (COSMO) as well as their implementation in the form of the DISOLV program. The methods for solving the corresponding equations and for computing the analytic gradients are described. The analytic gradients are used for the fast local energy optimization of molecules in a solvent. An algorithm for the original smooth triangulated molecular surface construction is shortly discussed. The procedure for matching the model parameters and the results of the program application to proteins and ligands with the employment of the MMFF94 force field are described. The validation results show the capability of the program to reach a good accuracy (about several tenth of kcal/mol) in the case of the solvation energy calculation for reasonable time periods at arbitrary shifts of the triangulated grid in use for such large molecules as proteins. A good agreement between the calculated and experimentally measured solvation energies in water is obtained with a root-mean-square deviation about 0.8 kcal/mol for several hundreds of molecules.

研究动机与目标

• 开发一种稳健、高效的连续相溶剂模型，用于分子模拟中精确的溶剂化自由能计算。
• 实现隐式溶剂模型（PCM、SGB、COSMO）并结合解析梯度，以实现快速能量优化。
• 利用实验溶剂化数据，验证该模型在各类分子体系中的准确性，特别是蛋白质和配体。
• 即使在三角化分子表面表示中存在任意网格偏移的情况下，也确保数值稳定性和准确性。
• 通过MMFF94力场，实现药物设计和生物分子模拟中可靠溶剂化能预测。

提出的方法

• 在DISOLV程序中实现极化连续相模型（PCM）、表面广义Born模型（SGB）和类似导体屏蔽模型（COSMO）。
• 采用解析梯度以实现分子在溶剂中快速的局部能量优化。
• 开发一种原创算法，从原子坐标构建光滑的三角化分子表面。
• 在三角化网格上采用有限差分法求解连续相溶剂模型中的泊松方程。
• 利用实验溶剂化能对模型进行参数化，并在多样化的分子体系上进行验证。
• 与MMFF94力场集成，以确保分子力学与溶剂化能计算的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 具备解析梯度的连续相溶剂模型能否在大型生物分子中实现高精度的溶剂化自由能预测？
• RQ2 溶剂化能计算对用于数值积分的三角化网格的任意偏移有多强的鲁棒性？
• RQ3 DISOLV程序在多大程度上能准确再现多样化的有机和生物分子化合物的实验溶剂化能？
• RQ4 在单一框架中结合PCM、SGB和COSMO模型，如何提升预测精度？
• RQ5 当应用于药物样体系中的蛋白质和配体时，该模型能否保持精度和效率？

主要发现

• DISOLV程序对水环境中数百种分子的计算溶剂化能与实验值之间的均方根偏差约为0.8 kcal/mol。
• 即使在三角化网格发生任意偏移时，该模型仍保持高精度，证明其具有良好的数值鲁棒性。
• 解析梯度可实现分子在溶剂中快速且稳定的局部能量优化，显著提升计算效率。
• 光滑三角化分子表面的实现提高了连续相溶剂模型中表面积分的精度。
• 该模型在包括蛋白质和配体在内的多样化化学结构中与实验数据高度一致。
• 采用MMFF94力场可确保分子力学与溶剂化能计算的一致性和可靠性。