مقایسۀ روش‌های اختلال انرژی آزاد و انتگرال گیری ترمودینامیکی برای محاسبۀ تغییرات انرژی آزاد تعادلی

محاسبۀ تفاوت انرژی آزاد بین حالت اولیه و پایانی یک فرایند، از مهم ترین محاسبات در سامانه های زیستی است. فرایندهای زیستی همراه با تغییر انرژی آزاد هستند. از جمله این فرایندها می توان به عبور داروها از غشای سلول ها، واکنش های آنزیمی، برهمکنش های دارو-پروتئین، برهمکنش های لیگاند-گیرنده سلول ها و انتقال ساختاری از سیس به ترانس اشاره کرد. در پژوهش های دارویی، پیش بینی تاثیرات کلینیکی دارو بستگی به درک جزئیات برهمکنش های دارو با سامانه های زیستی دارد. برای این منظور از محاسبۀ تفاوت انرژی آزاد، می توان استفاده کرد. با دانستن تفاوت انرژی آزاد در چنین فرایندهایی، می توان درکی از چگونگی برهمکنش ها داشت. از آنجایی که درک جزئیات برهمکنش ها در ابعاد مولکولی معمولا با روش های آزمایشگاهی امکان پذیر نیست، برای این منظور از روش های محاسباتی مانند دینامیک مولکولی استفاده می شود. در میان روش های متفاوتی که از سال 1935 تا به امروز ارائه شده اند، می توان به نظریۀ اختلال در سال 1954 و روش انتگرال گیری ترمودینامیکی در سال 1935 اشاره کرد. اولین شبیه سازی انجام شده با استفاده از روش اختلال، برای محاسبۀ تفاوت انرژی آزاد در فرایند تبدیل متانول به اتان بوده است، که این تفاوت، 6/7 کیلوکالری بر مول محاسبه شده است. عدد آزمایشگاهی گزارش شده 9/6 کیلوکالری بر مول است. نزدیکی بسیار زیاد عددهای محاسباتی و آزمایشگاهی نشان دهندۀ موفقیت این روش محاسباتی است. هر چند روش اختلال انرژی آزاد و انتگرال گیری ترمودینامیکی بسیار مشابه هستند، اما تفاوت هایی با یکدیگر دارند. در این مقاله به تفاوت های این دو روش پرکاربرد از دیدگاه دقت و هزینه محاسباتی می پردازیم. همچنین، نشان خواهیم داد که روش اختلال انرژی آزاد روشی سریع تر در مقایسه با روش انتگرال گیری ترمودینامیکی است، در حالی که روش انتگرال گیری ترمودینامیکی روشی دقیق تر از نظر محاسبات است‏.

comparison of the thermodynamic integration and free energy perturbation in the computing alchemical free energy difference

on an atomistic scale, free energy calculations are important for our understanding of biological processes, which provides an insight to grasp the various mechanisms. over the years, many computational methods have been developed to calculate free energy differences such as geometrical (e.g. umbrella sampling) and alchemical methods. in this work, we present alchemical-free energy methods, thermodynamic integration (ti) and free energy perturbation (fep), to investigate polarization effect of paclitaxel drug. then, we have compared our simulation studies using ti, fep, and hamiltonian replica exchange fep from the perspective of computational cost and accuracy.