Computer Modeling of Biological Systems Including Electronic Polarization

Abstract

Title: Computer Modeling of Biological Systems Including Electronic Polarization Author: Vojtěch Ko!t'ál Institute: Institute of Organic Chemistry and Biochemistry of the Czech Academy of Sciences Advisor: prof. Mgr. Pavel Jungwirth, CSc., DSc. Consultant: Hector Martinez-Seara Monne, Ph.D. Abstract: Predictive power of atomistic molecular dynamics simulations is limited by the underlying force field, which is typically classical and fixed-charge when complex biomolecules are in question. Most notably, empirical neglect of electronic polariza- tion leads to artifacts when strong ion-ion interactions are crucial, a common situation in biomolecular environments. The electronic continuum correction has emerged as a promising and computationally efficient approach to incorporate electronic polarization into fixed-charge models, but its systematic development remains an open challenge. In this thesis, condensed-phase ab initio molecular dynamics is employed as a unifying reference to address these challenges across four projects. Methodological limitations in the ab initio description of cation hydration are first identified and resolved, establishing a reliable benchmark for ionic interactions. The physical basis of the electronic continuum correction is then validated by isolating electronic effects on the...

Název práce: Počítačové simulace biologick!ch systémů zahrnující elektronovou polar- izaci Autor: Vojtěch Ko"t'ál Ústav: Ústav organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky !kolitel: prof. Mgr. Pavel Jungwirth, CSc., DSc. Konzultant: Hector Martinez-Seara Monne, Ph.D. Abstrakt: Prediktivní schopnost atomistick!ch simulací molekulární dynamiky je omezena pou#it!m silov!m polem, které je v případě slo#it!ch biomolekulárních systémů obvykle empirické a zalo#ené na fixních atomov!ch nábojích. Zejména zanedbání elektronové polarizace vede k artefaktům v situacích, kdy hrají zásadní roli silné ion-iontové interakce, co# je v biomolekulárním prostředí velmi časté. Elektronová kontinuální korekce se v posledních letech ukázala jako slibn! a v!početně efektivní přístup k zahrnutí elektronové polarizace do modelů s fixními náboji, av"ak její systematick! v!voj a validace zůstávají otevřenou v!zvou. V této práci je molekulární dynamika ab initio v kondenzované fázi vyu#ita jako sjed- nocující referenční rámec pro ře"ení těchto problémů napříč čtyřmi navazujícími projekty. Nejprve jsou identifikována a odstraněna metodologická omezení v ab initio popisu hydrat- ace kationtů, čím# je vytvořena spolehlivá reference pro iontové interakce. Následně je vali- dován fyzikální základ...