[论文解读] 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 9

一句话总结

本文提出了一种完整且改进的算法，通过分子表面的一级和二级滚动，生成平滑的溶剂可及表面（SES）和溶剂暴露表面（SAS）。通过引入自适应临界距离以管理表面不规则性，该方法生成了最优且平滑的分子表面，这对于连续溶剂模型中的精确溶剂化能计算至关重要。

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.

研究动机与目标

• 开发一种全面且稳健的算法，从原子坐标生成平滑的分子表面（SES 和 SAS）。
• 通过二级滚动过程解决一级滚动过程中产生的表面不规则性。
• 引入自适应临界距离以控制表面平滑度并消除伪影。
• 在未来工作中，支持使用连续溶剂模型进行精确的溶剂化能和梯度计算。
• 支持分子建模软件中的可视化和教育应用。

提出的方法

• 该算法采用一级滚动，即探测球在原子表面滚动，以形成初始的 SES 或 SAS。
• 对残余不规则性，特别是在高曲率区域或原子重叠区域，应用二级滚动进行平滑处理。
• 自适应临界距离动态调整，以定义最大允许的表面偏差，确保最优平滑度。
• 该方法基于球面和柱面的交线，使用几何滚动运算计算表面点。
• 该算法设计用于无需修改即可处理单个分子和分子复合物。
• 该方法确保生成表面的拓扑正确性和连续性，适用于溶剂模型中的数值积分。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过几何滚动运算，从原子坐标生成一致且平滑的分子表面？
• RQ2 可采用何种标准识别并消除初始滚动过程中引入的表面不规则性？
• RQ3 如何自适应地确定表面平滑的临界距离，以在保持分子拓扑结构的同时确保表面平滑？
• RQ4 表面平滑度对连续溶剂模型中溶剂化能计算精度有何影响？
• RQ5 该算法能否推广以同时处理复杂分子体系和多个分子？

主要发现

• 该算法成功为任意分子或分子复合物生成了平滑且拓扑正确的 SES 和 SAS 表面。
• 采用二级滚动与自适应临界距离，有效消除了由一级滚动引入的表面伪影。
• 该方法在最小化表面不规则性的同时，保持了分子形状和空间位阻边界。
• 生成的表面适用于未来研究中的高精度溶剂化能和梯度计算。
• 该算法具有鲁棒性和通用性，适用于孤立分子和分子聚集体。
• 该方法与分子可视化工具兼容，支持教育和演示应用。