자유 에너지 섭동

자유 에너지 섭동(, FEP)은 통계역학에 기반한 방법으로, 계산화학에서 분자동역학 또는 메트로폴리스 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 자유 에너지 차이를 계산하는 데 사용된다.

FEP 방법은 로버트 츠반치히가 1954년에 도입했다.Zwanzig, R. W. J. Chem. Phys. 1954, 22, 1420–1426. . 자유 에너지 섭동 방법에 따르면, 상태 A에서 상태 B로 가는 자유 에너지 차이는 츠반치히 방정식으로 알려진 다음 방정식으로 얻어진다.

여기서 T는 온도이고, kB는 볼츠만 상수이며, 꺾쇠 괄호는 상태 A에 대한 시뮬레이션 실행의 평균을 나타낸다. 실제로, 상태 A에 대한 정상적인 시뮬레이션을 실행하지만, 새로운 구성이 수락될 때마다 상태 B에 대한 에너지도 계산된다. 상태 A와 B의 차이는 관련된 원자 유형에 있을 수 있으며, 이 경우 얻어진 ΔF는 한 분자를 다른 분자로 "변형"하는 것에 대한 것이거나, 기하학적 차이일 수 있으며, 이 경우 하나 이상의 반응 좌표를 따라 자유 에너지 맵을 얻는다. 이 자유 에너지 맵은 평균 힘 퍼텐셜(PMF)로도 알려져 있다.

자유 에너지 섭동 계산은 두 상태 간의 차이가 충분히 작을 때만 제대로 수렴한다. 따라서 일반적으로 섭동을 일련의 더 작은 "창"으로 나누고, 이 창들은 독립적으로 계산된다. 한 창에 대한 시뮬레이션과 다음 창 사이의 지속적인 통신이 필요 없기 때문에, 각 창을 다른 CPU에서 실행하는 방식으로 과정을 쉽게 병렬화할 수 있으며, 이를 "처치 곤란 병렬" 설정이라고 한다.

 응용 
FEP 계산은 호스트-게스트 결합 에너지학, pKa 예측, 반응에 대한 용매 효과 및 효소 반응 연구에 사용되었다. 다른 응용 분야로는 약물 발견에서 리간드의 가상 스크리닝, 생체 내 돌연변이유발 연구. 및 항체 친화도 성숙이다. 반응 연구를 위해서는 반응 중심의 양자역학적 (QM) 표현을 포함해야 하는 경우가 많다. 이는 FEP 시뮬레이션에 사용되는 분자역학 (MM) 힘장이 결합 파괴를 처리할 수 없기 때문이다. QM 및 MM 계산의 장점을 모두 갖춘 하이브리드 방법을 QM/MM이라고 한다.

우산 샘플링은 "화학적" 좌표가 아닌 "위치" 좌표의 변화와 관련된 자유 에너지 변화를 계산하는 데 주로 사용되는 또 다른 자유 에너지 계산 기술이다. 그러나 우산 샘플링은 "화학적" 좌표가 동적 변수로 취급될 때 (Kong과 Brooks의 람다 동역학 접근법의 경우처럼) 화학적 변환에도 사용될 수 있다.
화학 공간에서 평균 힘 퍼텐셜을 계산하기 위한 자유 에너지 섭동의 대안은 열역학적 적분이다. 또 다른 대안으로, 아마도 더 효율적인 방법은 베넷 수용 비율 방법이다. 자유 에너지 변화를 화학 구조의 하위 섹션에 할당하려는 FEP의 변형이 존재한다.Irwin, B. W. J., J. Chem. Theory Comput. 2018, 14, 6, 3218–3227. .

 소프트웨어 
FEP 방법은 여러 분자동역학 소프트웨어 패키지에 구현되었다. 다음은 가장 일반적인 프로그램 중 일부의 짧은 목록이다.
 Flare FEP
 FEP+
 AMBER
 BOSS
 CHARMM
 데즈먼드
 GROMACS
 OpenMM
 매크로모델
 MOLARIS
 NAMD
 팅커
 Q
 QUELO

 같이 보기 
 열역학적 적분
 우산 샘플링

 각주 

분류:계산화학
분류:통계역학