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Exploring the Free Energy Landscape of Molecular Systems

  • The investigation of complex molecular systems by molecular dynamics simulations has been successfully established and proven as a standard method during the last decades. The use of highly optimized algorithms and steadily increasing, generally available computing resources enables even larger and longer simulations. However, the dynamics of the system itself is not accelerated, and it can be trapped in low energy minima that can only be overcome slowly. A number of methods have therefore been developed to address this problem. Within the context of this dissertation, a novel algorithm based on replica exchange was developed to solve problems with existing methods, which can now be used for large molecular systems with a low resource consumption. Parameter dependence was systematically evaluated and optimized to define guidelines for correct application. This algorithm was successfully applied to various pharmaceutical and biochemical problems, such as protein folding or protein-protein interactions.
  • Die Untersuchung komplexer molekularer Systeme mittels Moleküldynamik-Simulationen hat sich in den letzten Jahrzehnten als eine Standardmethode etabliert und als sehr leistungsfähig erwiesen. Der Einsatz hochoptimierter Algorithmen und stetig steigende, allgemein verfügbare Rechenressourcen ermöglicht immer größere und längere Simulationen. Die Dynamik des Systems selbst wird dabei jedoch nicht beschleunigt und es kann somit in tiefe Energieminima geraten, die nur langsam überwunden werden können. Es wurden daher eine Reihe von Methoden entwickelt, um dieses Problem zu adressieren. Im Rahmen dieser Dissertation wurde ein neuartiger Algorithmus auf Basis eines Replica-Austauschs entwickelt, der Probleme mit bestehenden Methoden lösen und bei einem geringen Ressourcenverbrauch auch für große molekulare Systeme eingesetzt werden kann. Die Abhängigkeit von Parametern wurde systematisch evaluiert und optimiert, um Richtlinien für die korrekte Anwendung zu definieren. Am Beispiel von diversen pharmazeutischen und biochemischen Fragestellungen, wie Protein-Faltung oder Protein-Protein-Interaktionen, konnte dieser Algorithmus erfolgreich eingesetzt werden.

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Metadaten
Author: Lukas SchuligORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-58418
Title Additional (German):Untersuchung der Freien-Enthalpie-Landschaft molekularer Systeme
Referee:Prof. Dr. Andreas Link, Prof. Dr. Gerhard Wolber
Advisor:Prof. Dr. Andreas Link
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2022/01/06
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/12/14
Release Date:2022/01/06
Tag:Enhanced Sampling; Replica Exchange
GND Keyword:Moleküldynamik, Proteinfaltung, Simulation
Page Number:148
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Pharmazie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 540 Chemie