الديناميكيات الجزيئية

الديناميات الجزيئية (MD) هي طريقة محاكاة حاسوبية لتحليل الحركات الفيزيائية للذرات والجزيئات، حيث يُسمح للذرات والجزيئات بالتفاعل لفترة زمنية محددة، مما يعطي نظرة على التطور الديناميكي للنظام.

مفهوم الديناميكيات الجزيئية

يتم تحديد مسارات الذرات والجزيئات من خلال الحل العددي لمعادلات نيوتن للحركة لنظام من الجسيمات المتفاعلة، حيث تُحسب القوى بين الجسيمات وطاقاتها الكامنة غالبًا باستخدام الكمون بين الذرات أو مجالات القوة الميكانيكية الجزيئية، إذ يتم تطبيق الطريقة في الغالب في الفيزياء الكيميائية وعلوم المواد والفيزياء الحيوية.

مثال لمحاكاة الديناميكيات الجزيئية في نظام بسيط، هو ترسيب ذرة نحاس واحدة (Cu) على بلورة باردة من النحاس في سطح مؤشر ميلر (001)، حيث تمثل كل دائرة موضع ذرة واحدة، ويتم إعادة توزيع الطاقة الحركية للذرة التي تقترب من القمة بين الذرات الأخرى، لذلك بدلاً من الارتداد تظل مرتبطة بسبب قوى الجذب بين الذرات.

وبسبب أن الأنظمة الجزيئية تحتوي على عدد كبير من الجسيمات، فمن المستحيل معرفة ميزات هذه الأنظمة بشكل تحليلي، حيث تغلب محاكاة (MD) على هذه المشكلة عن طريق الطرق العددية، ومع ذلك فإن عمليات محاكاة (MD) الطويلة غير مشروطة رياضيًا، مما يعمل أخطاء تراكمية في التكامل العددي يمكن التخلص من بعضها عن طريق الاختيار الصحيح للخوارزميات والمعلمات، ولكن لا يتم التخلص منها تمامًا.

ويمكن استعمال تطور محاكاة ديناميكية جزيئية واحدة للأنظمة التي تعمل حسب فرضية ارجوديك لمعرفة الخصائص الديناميكية الحرارية العيانية للنظام، حيث المتوسطات الزمنية لنظام ارجوديك تتماشى مع متوسطات المجموعة الدقيقة، كما أطلق على (MD) أيضًا اسم الميكانيكا الإحصائية بالأرقام ورؤية لابلاس للميكانيكا النيوتونية للتنبؤ بالمستقبل من خلال تحريك قوى الطبيعة والسماح بإلقاء نظرة ثاقبة على الحركة الجزيئية على نطاق ذري.

مجالات التطبيق للديناميكيات الجزيئية وحدودها

تم استعمال طريقة (MD) لأول مرة في الفيزياء النظرية، حيث احتلت شعبية في علم المواد بعد ذلك بوقت قصير، ومنذ السبعينيات أصبحت معروفة ومتواجدة أيضًا في الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية، حيث يتم استعمال (MD) بشكل متكرر لجعل الهياكل ثلاثية الأبعاد للبروتينات والجزيئات الكبيرة الأخرى جيدة أكثر. وبناءً على القيود التجريبية من علم البلورات بالأشعة السينية أو التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي.في الفيزياء، يتم استخدام (MD) لفحص ديناميات الظواهر على المستوى الذري التي لا يمكن ملاحظتها مباشرة، مثل نمو الأغشية الرقيقة وزرع الأيونات الفرعية، وكذلك لفحص الخصائص الفيزيائية لتقنية النانو التي لم يتم إنشاؤها أو لا يمكن إنشاؤها بعد. وفي الفيزياء الحيوية والبيولوجيا الهيكلية، يتم تطبيق الطريقة بشكل متكرر لدراسة حركات الجزيئات الكبيرة مثل البروتينات والأحماض النووية، والتي يمكن أن تكون مفيدة لتفسير نتائج بعض التجارب الفيزيائية الحيوية ونمذجة التفاعلات مع الجزيئات الأخرى، كما هو الحال في الإرساء الترابطي، من حيث المبدأ، حيث يمكن استخدام (MD) للتنبؤ من البداية بهيكل البروتين عن طريق محاكاة طي سلسلة البولي ببتيد من ملف عشوائي.

كيفية اختبار نتائج محاكاة الديناميكيات الجزيئية MD

يمكن اختبار نتائج محاكاة (MD) من خلال المقارنة مع التجارب التي تقيس الديناميكيات الجزيئية، والتي تعد طريقة شائعة منها هي التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي، حيث يمكن اختبار تنبؤات الهيكل المشتقة من (MD) من خلال تجارب على مستوى المجتمع في التقييم النقدي لتوقع بنية البروتين (CASP). وعلى الرغم من أن الطريقة قد حققت نجاحًا محدودًا تاريخيًا في هذا المجال، كما أن تقليل الطاقة أو الديناميات الجزيئية بشكل عام يؤدي إلى نموذج أقل تشابهًا مع البنية التجريبية، حيث أدت التحسينات في الموارد الحسابية التي تسمح بمسارات (MD) أكثر وأطول، جنبًا إلى جنب مع التحسينات الحديثة في جودة معلمات مجال القوة، إلى بعض التحسينات في كل من تنبؤ الهيكل وصقل نموذج التماثل، دون الوصول إلى نقطة الفائدة العملية في هذه المجالات، حيث يحدد العديد معلمات مجال القوة كمجال رئيسي لمزيد من التطوير.تعمل إحدى عمليات محاكاة (MD) على تحسين الطاقة الكامنة، بدلاً من الطاقة الحرة للبروتين، مما يعني أن جميع المساهمات الحتمية في الاستقرار الديناميكي الحراري لهيكل البروتين مهملة، بما في ذلك الانتروبيا المطابقة لسلسلة البولي ببتيد الرئيسي العامل الذي يزعزع استقرار بنية البروتين، والتأثيرات الكارهة للماء للقوى الدافعة الرئيسية لطي البروتين.

ويوجد عامل مهم آخر هو روابط الهيدروجين داخل الجزيئية، والتي لم يتم تضمينها بشكل صريح في مجالات القوة الحديثة، ولكنها توصف بتفاعلات كولوم لشحنات النقطة الذرية، وهذا تقدير تقريبي لأن الروابط الهيدروجينية لها طبيعة ميكانيكية وكيميائية جزئية، علاوة على ذلك تُحسب التفاعلات الكهروستاتيكية عادةً باستخدام ثابت العزل الكهربائي للفراغ، على الرغم من أن المحلول المائي المحيط به ثابت عازل أعلى بكثير.

قيود التصميم الخاصة بالديناميكيات الجزيئية

يجب أن يأخذ تصميم محاكاة الديناميكيات الجزيئية في الاعتبار القوة الحسابية المتاحة، حيث يجب تحديد حجم المحاكاة (n) = عدد الجسيمات والوقت والمدة الزمنية الإجمالية، بحيث يمكن إنهاء الحساب في غضون فترة زمنية معقولة، ومع ذلك يجب أن تكون عمليات المحاكاة طويلة بما يكفي لتكون ذات صلة بالمقاييس الزمنية للعمليات الطبيعية قيد الدراسة. وللحصول على استنتاجات صحيحة إحصائيًا من عمليات المحاكاة، يجب أن يتطابق المدى الزمني الذي تمت محاكاته مع حركية العملية الطبيعية، وخلافًا لذلك يكون الأمر مشابهًا للتوصل إلى استنتاجات حول كيفية سير الإنسان عندما ينظر فقط إلى أقل من خطوة واحدة، إذ أن معظم المنشورات العلمية حول ديناميكيات البروتينات والحمض النووي استخدمت البيانات من عمليات المحاكاة التي تمتد نانوثانية (10 ⁹ ثوانٍ) إلى ميكروثانية (10 ⁶ ثوانٍ).وللحصول على هذه المحاكاة، هناك حاجة إلى عدة أيام من وحدة المعالجة المركزية إلى سنوات وحدة المعالجة المركزية، إذ تسمح الخوارزميات المتوازية بتوزيع الحمل بين وحدات المعالجة المركزية، ويوجد مثال على ذلك هو خوارزمية التحلل المكاني أو القوة، وأثناء محاكاة (MD) الكلاسيكية، فإن المهمة الأكثر كثافة لوحدة المعالجة المركزية هي تقييم الإمكانات كدالة للإحداثيات الداخلية للجسيمات، وضمن تقييم الطاقة هذا، يكون الجزء الأغلى هو الجزء غير المترابط أو غير التساهمي.

في تدوين (Big O)، يتم قياس محاكاة الديناميكيات الجزيئية الشائعة حسب (ن)، فإذا كان يجب حساب جميع التفاعلات بين الإلكتروستاتيكي وتفاعلات فان دير فال بشكل صريح، إذ يمكن تقليل هذه التكلفة الحسابية عن طريق استخدام طرق الكهرباء الساكن، وهناك عامل آخر يؤثر على إجمالي وقت وحدة المعالجة المركزية الذي تحتاجه المحاكاة، وهو حجم الخطوة الزمنية للتكامل، إذ أن هذه هي المدة الزمنية بين تقييمات الإمكانات.

يجب أخذ الخطوة الزمنية صغيرة بما يكفي للتقليل من أخطاء التقدير، أي الأصغر من الفترة المختصة بأسرع تردد اهتزازي في النظام، حيث أن الخطوات الزمنية النموذجية للطراز (MD) الكلاسيكي في حدود 1 فيمتوثانية (10 – ¹⁵ ثانية)، ويمكن توسيع هذه القيمة باستخدام الخوارزميات مثل خوارزمية قيود (SHAKE)، والتي تثبت اهتزازات الذرات الأسرع، حيث تم أيضًا تطوير طرق متعددة للمقياس الزمني، والتي تتيح فترات ممتدة بين تحديثات القوى البعيدة المدى الأبطأ.