Después de tanto luchar pudimos dar con el arreglo de este dilema que muchos lectores de este sitio web tienen. Si tienes algún detalle que aportar no dejes de dejar tu conocimiento.
Solución:
Ciertamente existe fuera de los laboratorios secretos 🙂 Como escribió Gerben, los campos se denominan dinámica molecular (MD) y química cuántica que, a medida que las computadoras crezcan más rápido, serán herramientas esenciales de la nanotecnología y la medicina.
La dinámica molecular se implementa actualmente haciendo ciertas aproximaciones en el sentido de que el movimiento de los electrones no se modela explícitamente. En la práctica, los campos de fuerza empíricos se comparan con los datos experimentales y las moléculas se modelan esencialmente sumando las fuerzas en cada átomo y usando $ F = ma $, luego integrando la aceleración a lo largo del tiempo.
Está lejos de ser perfecto: por lo general, no se pueden combinar todas las propiedades físicas medibles de un medio como el agua al mismo tiempo con los mismos campos de fuerza. Normalmente tampoco puede modelar cambios de enlaces covalentes, ya que eso implica cambiar la composición molecular que rompe las definiciones del campo de fuerza. Por otro lado, los métodos son relativamente rápidos y puedes simular fácilmente sistemas de cientos de miles de átomos en una escala de tiempo de al menos nanosegundos (microsegundos si tienes acceso a una supercomputadora :). Sin embargo, para interpretar los resultados es necesario comprender las deficiencias de los algoritmos.
Algunas grandes simulaciones interesantes hasta la fecha fueron de la fábrica de proteínas, el ribosoma, probablemente la parte evolutiva más compleja de la vida, y de un virus completo, el Virus Satélite del Mosaico del Tabaco. A continuación se muestra una instantánea de una simulación que hice de canales iónicos en una membrana celular, se ve una molécula de fármaco unida en blanco en el centro:
Creo que los simuladores más utilizados (gratuitos) son GROMACS y NAMD, con puntos fuertes algo diferentes, pero ambos probablemente estén bien para empezar. Por lo general, se combina con herramientas gráficas decentes para visualizar lo que sucede, como PyMOL o VMD.
No es particularmente difícil aprender sobre esto escribiendo también su propio simulador simple, si así lo desea. En cualquier caso, la simulación de una caja de 2x2x2 nm de átomos de argón o moléculas de agua, por ejemplo, ilustra muchos de los conceptos.
La química cuántica implica bajar un paso en el movimiento y los cambios de electrones. Por lo tanto, puede simular la ruptura y la unión de enlaces covalentes y no tiene que depender de campos de fuerza empíricos para cada molécula / átomo que necesita en su simulación. Sin embargo, es mucho más lento computacionalmente, obviamente (¿un factor de 100 al menos? No estoy seguro). Puede usar esto para modelar en detalle el mecanismo de un sitio activo en una enzima, por ejemplo.
La razón por la que estos son campos importantes para la nanotecnología y la medicina es que las simulaciones son equivalentes al acto de compilar y probar un programa en el diseño de software, cuando se trata de diseñar nuevos medicamentos y maquinaria o materiales a nanoescala. Esencialmente, desea métodos para probar sus ideas sin fabricarlas primero, y las simulaciones por computadora aprovechan la ley de Moore, que dice que la potencia informática se duplica cada 18 meses …
Simular la evolución en el tiempo de miles de moléculas que interactúan es generalmente el dominio de la dinámica molecular. Los códigos MD generalmente simplifican drásticamente el cálculo al modelar átomos de manera clásica, generalmente con conectividad predefinida, parametrización pesada y enlaces modelados por potenciales armónicos. Si bien estos enfoques pueden dar resultados decentes para cosas como las conformaciones de proteínas, descuidan por completo la mecánica cuántica y, como tales, no describen la reactividad química. Si esto es lo que quiere decir con ‘no realmente científico’, bueno, desafortunadamente, los cálculos de QM son bastante costosos desde el punto de vista computacional **.
Incluso los cálculos de MM se vuelven computacionalmente costosos, dependiendo del tamaño del paso de tiempo, el nivel específico de teoría utilizado y el tamaño, número y grados de libertad de las moléculas que está modelando, pero ciertamente es posible realizar cálculos de MM útiles en computadoras de escritorio. (esta es toda la base de [email protected], que agrega pequeños trabajos realizados por computadoras de escritorio inactivas en todo el mundo).
Dos códigos MM de FOSS muy conocidos son GROMACS y TINKER. GROMACS ahora está opcionalmente acelerado por GPU usando CUDA, lo que lo convierte en muy, muy rapido incluso en computadoras de escritorio (si tiene una GPU decente).
** Existen metodologías híbridas de QM / MM que combinan una región de QM incrustada en un cálculo de MM; por lo general, se utilizan para observar cosas como los efectos explícitos de los solventes en las moléculas de interés. Tambien hay ab initio Códigos MD como la dinámica molecular Car-Parinello (CPMD) que ayudan a salvar la brecha de escala QM / MM.
LAMMPS es el software del que estás hablando. Implementa efectivamente el primer principio MD del tipo de “vieja guerra fría”.
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