ديناميكا جزيئية
أمثلة على التطبيقات

تستخدم الديناميات الجزيئية في العديد من مجالات العلوم.
تم نشر أول محاكاة الديناميكا الجزيئية لعملية الطي البيولوجي المبسطة في عام 1975. مهدت المحاكاة التي نُشرت في دورية نتشر الطريق لمساحة واسعة من طي البروتين الحسابي الحديث.
تم نشر أول محاكاة الديناميكا الجزيئية لعملية بيولوجية في عام 1976. مهدت المحاكاة التي نُشرت في دورية نتشر الطريق لفهم حركة البروتين باعتبارها ضرورية في الوظيفة وليس مجرد ملحق.
الديناميكا الجزيئية هي الطريقة القياسية لمعالجة شلالات الاصطدام في نظام ارتفاع الحرارة، أي التأثيرات التي تحدثها إشعاعات النيوترونات والأيونات النشطة على المواد الصلبة والأسطح الصلبة.
توضح الأمثلة الفيزيائية الحيوية التالية الجهود الملحوظة لإنتاج محاكاة لأنظمة ذات حجم كبير جدًا (فيروس كامل) أو أوقات محاكاة طويلة جدًا (تصل إلى 1.112 مللي ثانية):
محاكاة الديناميكا الجزيئية لفيروس فسيفساء التبغ الساتلي الكامل (STMV) (2006، الحجم: 1 مليون ذرة، وقت المحاكاة: 50 نانوثانية، البرنامج: NAالديناميكا الجزيئية) هذا الفيروس عبارة عن فيروس نباتي صغير عشروني الوجوه يؤدي إلى تفاقم أعراض الإصابة بفيروس التبغ الفسيفسائي (TMV). تم استخدام محاكاة الديناميكيات الجزيئية لاستكشاف آليات التجمع الفيروسي. يتكون جسيم STMV بأكمله من 60 نسخة متطابقة من بروتين واحد يتكون من القفيصة الفيروسية (الغلاف)، وجينوم RNA أحادي النوكليوتيد 1063 تقطعت به السبل. تتمثل إحدى النتائج الرئيسية في أن الكابسيد يكون غير مستقر للغاية عند عدم وجود RNA بداخله. ستستغرق المحاكاة جهاز كمبيوتر مكتبي واحدًا في عام 2006 حوالي 35 عامًا حتى تكتمل. وهكذا تم القيام به في العديد من المعالجات بالتوازي مع التواصل المستمر بينهم.
محاكاة قابلة للطي لـ فيلين هيدبيس بتفاصيل شاملة (2006، الحجم: 20000 ذرة ؛ وقت المحاكاة: 500 ميكرو ثانية = 500000 نانوثانية، البرنامج: فولدنغ@هوم) تم تشغيل هذه المحاكاة في 200000 وحدة معالجة مركزية من أجهزة الكمبيوتر الشخصية المشاركة حول العالم. تم تثبيت برنامج فولدنغ@هوم على أجهزة الكمبيوتر هذه، وهو جهد حوسبي موزع على نطاق واسع بتنسيق من فيجاي باندي في جامعة ستانفورد. تم فحص الخصائص الحركية لبروتين فيلين هيدبيس باستخدام العديد من المسارات المستقلة والقصيرة التي تديرها وحدة المعالجة المركزية دون اتصال مستمر في الوقت الحقيقي. كانت إحدى الطرق المستخدمة هي تحليل قيمة بفولد، والتي تقيس احتمالية الطي قبل الكشف عن تشكيل بداية محدد. يعطي بفولد معلومات حول هياكل الحالة الانتقالية وترتيب المطابقة على طول مسار الطي. يمكن أن يكون كل مسار في حساب بفولد قصيرًا نسبيًا، ولكن هناك حاجة إلى العديد من المسارات المستقلة.
تم إجراء عمليات محاكاة طويلة للمسار المستمر على انطون، وهو كمبيوتر عملاق متوازي بشكل كبير تم تصميمه وبنائه حول دوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات المخصصة (ASIC) ووصلات متصلة بواسطة دي شو للأبحاث. أطول نتيجة تم نشرها لمحاكاة تم إجراؤها باستخدام أنطون هي محاكاة NTL9 تبلغ 1.112 مللي ثانية عند 355 كلفن ؛ تم أيضًا إجراء محاكاة ثانية مستقلة تبلغ 1.073 مللي ثانية لهذا التكوين (والعديد من عمليات المحاكاة الأخرى لأكثر من 250 ميكرو ثانية من الوقت الكيميائي المستمر). في كيف تطوى البروتينات سريعة الطي، يناقش الباحثون كريستين ليندورف لارسن وستيفانو بيانا ورون أو درور وديفيد إي. تكشف عن مجموعة من المبادئ المشتركة الكامنة وراء طي 12 بروتينًا متنوعًا هيكليًا ". يسمح فحص هذه المسارات الطويلة المتنوعة، التي تم تمكينها بواسطة أجهزة مخصصة ومخصصة، باستنتاج أنه "في معظم الحالات، يتبع الطي مسارًا واحدًا مهيمنًا تظهر فيه عناصر الهيكل الأصلي بترتيب مرتبط بشدة بميلها للتشكل في تكشفت الدولة ". في دراسة منفصلة، تم استخدام أنطون لإجراء محاكاة 1.013 مللي ثانية لديناميات الحالة الأصلية لمثبط التربسين البنكرياس البقري (BPTI) عند 300 كلفن.
يستفيد تطبيق مهم آخر لطريقة الديناميكا الجزيئية من قدرتها على التوصيف ثلاثي الأبعاد وتحليل التطور المجهرية على النطاق الذري.
تُستخدم محاكاة الديناميكا الجزيئية في توصيف تطور حجم الحبوب، على سبيل المثال، عند وصف التآكل والاحتكاك لمواد Al و Al (Zr) النانوية. يتم تحليل تطور الخلع وتطور حجم الحبيبات أثناء عملية الاحتكاك في هذه المحاكاة. نظرًا لأن طريقة الديناميكا الجزيئية قدمت المعلومات الكاملة للبنية المجهرية، فقد تم حساب تطور حجم الحبيبات في صورة ثلاثية الأبعاد باستخدام مطابقة القالب متعدد السطوح، وتجزئة الحبوب، وتجميع الرسم البياني . في مثل هذه المحاكاة، قدمت طريقة الديناميكا الجزيئية قياسًا دقيقًا لحجم الحبوب. من خلال الاستفادة من هذه المعلومات، تم استخراج الهياكل الفعلية للحبوب وقياسها وتقديمها. مقارنة بالطريقة التقليدية لاستخدام الديناميكات الجزيئية الموجهة (SMD) مع شريحة واحدة ثنائية الأبعاد من المادة، يوفر الديناميكا الجزيئية طريقة ثلاثية الأبعاد ودقيقة لتوصيف تطور البنية المجهرية على النطاق الذري.