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Coarse-Graining in molecular dynamics simulations
Daniel Braun
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Chemie
Betreuer*in
Othmar Steinhauser
DOI
10.25365/thesis.30704
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30345.31159.546965-1
Link zu u:search
(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Diese Arbeit befasst sich mit der Simulation chemischer Systeme im Hin-
blick auf biologische Fragestellungen. Da in der Biologie sowohl r ̈umliche
a
als auch zeitliche Dimensionen mehrere Gr ̈ßenordnungen o
uberstreichen,
̈
sind Uberlegungen ̈
zur Aufl ̈sung o
des Models entscheidend. W ̈hrend a
ex-
ate Darstellungen oft zu aufwendig sind, um sie in einer vern ̈nftigen u
Zeit
am Computer simulieren zu k ̈nnen, o
bieten abstraktere Modelle oft nicht
genug Einblick in die physikochemischen Eigenschaften, die verantwortlich
sind f ̈r u
das Auftreten emergenter Ph ̈nomene a
in der Biologie.
Auf der einen Seite besteht der Wunsch komplexe Systeme zu simulieren,
auf der anderen Seite m ̈chte o
man entscheidende Teile desselben in genauerer
Aufl ̈sung o
betrachten k ̈nnen. o
Daraus entwickelte sich die Idee eines Multi-
Scale Ansatzes. In der Molekulardynamik ist man meist an den Eigen-
schaften des biologischen Makromolek ̈ls u
interessiert. Trotzdem verbraucht
die Berechnung des L ̈sungsmittels o
den gr ̈ßten o
Teil der Rechenleistung.
Deshalb erscheint es sinnvoll, zuerst nur das L ̈sungsmittel o
in einer geringern
Aufl ̈sung o
zu simulieren. In biologischen Systemen in das L ̈sungsmittel
o
Wasser. Demzufolge ist es f ̈r u
die Anwendung der Molekulardynamik in
Biologie und Medizin von enormer Wichtigkeit ein effizientes, aber dennoch
physikalisch repr ̈sentatives a
Wassermodell zu finden.
Chapter 1 gibt eine kurze Einf ̈hrung u
in grundlegende Prinzipien der
Molekulardynamik. Chapter 2 beinhaltet die Untersuchung dreier Wasser-
modelle in unterschiedlichen Aufl ̈sungen: o
BMW, ein coarse-grained Wasser-
modell, und SPC/E und TIP3P, die beide atomistische Wassermodelle sind.
Im Fokus sind die Effizienz und vor allem die Genauigkeit der physikalischen
Eigenschaften der drei Modelle, und deren Vergleich. Das Modell gering-
ster Aufl ̈sung, o
BMW, zeigt ein uberraschend ̈
gutes Verhalten nicht nur
bez ̈glich u
statischer sondern auch dynamischer Eigenschaften. Außerdem
wurde im Zuge dieser Analyse festgestellt, dass die gesamte Dynamik sys-
tematisch vom Zeitschritt, mit dem das System simuliert wurde, abh ̈ngt.
a
Das Manuskript in Chapter II wurde in The Journal of Chemical Physics
zur Publikation eingereicht.
Abstract
(Englisch)
This work is concerned with the simulation of chemical systems in a biologi-
cal context. Since biological systems are complex and cover a huge range of
spatial and temporal scales, the development of meaningful models certainly
involves considerations on resolution. Exact descriptions are often compu-
tationally too costly to simulate systems of biological interest in reasonable
amounts of time, while more abstract models sometimes offer not enough
insight into the physicochemical basis of emergent biological phenomena.
From the desire to simulate large and complex systems, and at the same
time being able to investigate critical parts in great detail, there arises the
idea of multiscale approaches. In molecular dynamics, while one is usually
interested in the behavior of the biomolecular solute, calculation of the
solvent consumes most of computational resources. Thus, it makes sense
to describe the solvent in lower resolution. In biological systems water is
the most prominent solvent. For molecular dynamics simulation and its
application in biology and medicine, it is of prime importance to find an
efficient, yet physically accurate water model.
While Chapter 1 introduces into some basic principles of molecular dy-
namics, Chapter 2 comprises the investigation of three different water mod-
els in different resolution: BMW, a coarse-grained water model, and SPC/E
and TIP3P, two all-atomistic water models. Their performance regarding
efficiency and physical accuracy is critically assessed. The model in lower
resolution, BMW, performs surprisingly well not only concerning static but
also dynamical properties. Aside from that, it is shown that system dynam-
ics depends on the time step in a systematic way.
The manuscript provided in Chapter 2 was submitted to The Journal of
Chemical Physics for publication.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
biological chemistry water molecular dynamics coarse-graining time step hydrodynamics
Schlagwörter
(Deutsch)
Biologische Chemie Wasser Molekulardynamik Coarse-Graining Zeitschritt Hydrodynamik
Autor*innen
Daniel Braun
Haupttitel (Englisch)
Coarse-Graining in molecular dynamics simulations
Paralleltitel (Deutsch)
Coarse-Graining in Molekulardynamik-Simulationen
Publikationsjahr
2013
Umfangsangabe
VII, 57 S. : graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Othmar Steinhauser
Klassifikationen
31 Mathematik > 31.76 Numerische Mathematik ,
33 Physik > 33.69 Flüssigkeiten ,
35 Chemie > 35.05 Mathematische Chemie, chemische Statistik ,
35 Chemie > 35.06 Computeranwendungen ,
35 Chemie > 35.10 Physikalische Chemie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.12 Biophysik ,
54 Informatik > 54.76 Computersimulation
AC Nummer
AC11830195
Utheses ID
27351
Studienkennzahl
UA | 066 | 863 | |