title: Calculation of solvation free energies using a Drude polarizable force field
Creators: name: Löfler, Marvin
Publisher: name: :none
Year: 2025

description: Die Berechnung freier Energieunterschiede ist von großer Bedeutung in verschiedenen wissenschaftlichen Disziplinen, einschließlich der Chemie, der Biologie und der Materialwissenschaft. Freie-Energie-Simulationen (FES) haben als computergestütztes Verfahren zur Berechnung freier Energieunterschiede in den letzten Jahrzehnten an Bedeutung gewonnen. Insbesondere haben FES-Methoden, die auf der Molekulardynamik (MD) basieren, von Entwicklungen in der GPU-Beschleunigung profitiert. Diese Arbeit ist mit der Validierung des ‚serial atom insertion‘ (SAI)-Ansatzes zur Berechnung absoluter Solvatisierungsenergien (ASFEs), unter Nutzung eines Drude-polarisierbaren Kraftfelds, befasst. Die Korrektheit und die Nützlichkeit der SAI-Methode wurden für additive Kraftfelder bereits gezeigt. Des Weiteren wurden in einer vorangegangenen Studie mit expliziter Behandlung der Polarisierbarkeit bessere Ergebnisse bei der Berechnung von ASFEs erzielt als unter Verwendung eines additiven Kraftfelds. In der Praxis erfordert die Berechnung freier Energieunterschiede die Simulation mehrerer Zwischenzustände. Generiert man diese nach der SAI-Methode, können sie zum Aufsetzen ‚einfacher‘ MD-Simulationen verwendet werden – also, ohne dass in den Simulationen selbst spezielle Routinen für die Berechnung freier Energien erforderlich sind. Dies allein beschleunigt die Berechnung freier Energien bereits. Zudem sind die SAI-generierten Zwischenzustände grundsätzlich mit jedem MD-Programm kompatibel, was zusätzlich die Verwendung GPU-beschleunigter Plattformen ermöglicht. Die Erzeugung der SAI-Zwischenzustände erfolgt mit transformato, einem hauseigenen Python-Tool, welches ursprünglich für FES mit additiven Kraftfeldern entwickelt, und hier für ein Drude-polarisierbares Kraftfeld angepasst und erweitert wurde.
description: Calculating free energy differences is of great utility in various scientific disciplines, including chemistry, biology, and materials science. Free energy simulations (FES) have become an increasingly important computational tool for calculating free energy differences in recent decades. Molecular dynamics (MD)-based FES methods have especially benefitted from recent developments in GPU acceleration. This thesis validates the 'serial atom insertion' (SAI) approach for the computation of absolute solvation free energies (ASFEs) using a Drude polarizable force field. The correctness and utility of the SAI approach has previously been demonstrated for additive force fields. Earlier findings suggest that explicitly incorporating polarizability improves ASFE calculations for small molecules compared to using additive force fields. In practice, the calculation of free energy differences requires simulations of multiple intermediate states. The SAI approach generates these states in a way that allows for the use of 'plain' MD simulations – without the need for specialized free energy routines. By itself, avoiding these routines already accelerates the simulations. Additionally, because SAI intermediate states can be used with any MD engine, they can leverage GPU-accelerated platforms. The setup of SAI intermediate states is facilitated by transformato, an in-house Python tool originally developed for additive force fields and adapted here for a Drude polarizable force field.