Secondo i risultati del team, l'utilizzo di un intervallo temporale superiore a 0,5 femtosecondi (l'intervallo di tempo in cui viene analizzata una simulazione al computer) può introdurre errori sia nella dinamica che nella termodinamica quando si simula l'acqua utilizzando una descrizione del corpo rigido.

Poiché l'acqua è il componente più diffuso nelle simulazioni biomolecolari, dagli insiemi di proteine ​​agli acidi nucleici, la raccomandazione del team di un intervallo temporale di 0,5 femtosecondi per una migliore precisione potrebbe causare alcune polemiche nella comunità scientifica. L'intervallo temporale di 2 femtosecondi è accettato come standard nelle simulazioni dell'acqua da quasi 50 anni.

"Ciò ha ampie implicazioni perché l'acqua è il costituente attivo nella biologia cellulare. L'acqua è la matrice della vita e tutte le simulazioni che facciamo sui sistemi biologici sono sempre in acqua. Ma se stai simulando quel fluido in un modo che rompe un principio fondamentale della meccanica statistica dell'equilibrio, questo è un problema", ha affermato il coautore Dilip Asthagiri, uno scienziato biomedico computazionale senior del gruppo Advanced Computing for Life Sciences and Engineering dell'ORNL.

Le simulazioni molecolari risolvono le equazioni del moto newtoniane per chiarire come le molecole si evolvono nel tempo. Di particolare interesse per i ricercatori che effettuano tali calcoli è la determinazione delle temperature del sistema risultanti.

Uno dei principi della meccanica statistica è che se un sistema è in equilibrio, allora le temperature associate al suo movimento traslatorio (movimento lungo una linea) e al movimento rotatorio dovrebbero essere le stesse. Se queste due temperature differiscono, la simulazione non è in equilibrio. Secondo i risultati del team, questo è il problema essenziale legato all'utilizzo di intervalli temporali superiori a 0,5 femtosecondi per simulare l'acqua.

L'uso dell'intervallo temporale di 2 femtosecondi nelle simulazioni è nato da un articolo pubblicato nel 1977, quando il tempo di calcolo era molto più costoso dal punto di vista computazionale. Poiché il legame flessibile tra ossigeno e idrogeno vibra rapidamente, i passaggi temporali necessari per calcolare con precisione la vibrazione sono molto piccoli e richiedono più tempo di calcolo per acquisire intervalli sufficienti per lo studio. Poiché quel movimento è il più rapido, quel passo temporale è quello che deve essere utilizzato nell'evoluzione per ottenere la risposta giusta.

Gli autori dell'articolo volevano sapere se esistesse un modo per utilizzare passaggi temporali più lunghi e consentire meno intervalli e simulazioni più lunghe. Quei ricercatori hanno proposto una descrizione dell'acqua basata sul corpo rigido proprio per fare questo.

"Il lavoro del 1977 afferma sostanzialmente che le vibrazioni del legame ossigeno-idrogeno possono essere disaccoppiate dalla traslazione e dalla rotazione, e quindi congelare le vibrazioni trattando l'acqua come un corpo rigido dovrebbe consentire di fare un grande passo avanti", ha detto Asthagiri. "Da quel momento, il modello del legame rigido è diventato lo standard, il modo canonico con cui gli scienziati considerano la questione."

Ma Asthagiri ha scoperto che l'utilizzo di questo metodo può causare discrepanze nelle temperature tra i movimenti di traslazione e di rotazione delle molecole d'acqua, il che significa che la simulazione potrebbe produrre risultati errati.

"Ciò che Dilip ha scoperto è che procedendo con un intervallo temporale troppo lungo, si tendono a ottenere valori imprecisi sia per la termodinamica che per la dinamica del movimento dell'acqua, che è il mezzo in cui tutte queste molecole si muovono. In effetti, è possibile si ottiene un falso attrito, troppo grande o troppo piccolo, a causa di questa approssimazione di un passo temporale troppo lungo. E se si elimina l'attrito, significa che anche il movimento di queste molecole verrà interrotto," ha detto il co-. autore Tom Beck, capo sezione di Science Engagement presso il Centro nazionale per le scienze computazionali dell'ORNL.

Asthagiri ha notato per la prima volta questa disparità di temperature come professore di ricerca presso la Rice University nel 2021. Lui e uno studente laureato stavano simulando l'acqua in un regime superraffreddato e hanno scoperto che la temperatura media nel file di registro era inferiore alla temperatura impostata.

"C'era una differenza di 1 Kelvin, e puoi facilmente ignorarla, ma è stata osservata sistematicamente a temperature diverse. E questo era l'indizio che c'era qualcosa che non andava:ok, forse una temperatura, ma più temperature con lo stesso comportamento? Ecco deve esserci qualcosa che non va," ha detto Asthagiri.

Dopo essere entrato a far parte dell'ORNL nel 2022, Asthagiri ha iniziato a esaminare la rotazione e la traslazione separatamente anziché utilizzare le coordinate e le velocità del sito, che sono quantità standard prodotte dai codici di simulazione biomolecolare. Per inciso, formulare separatamente le equazioni di questi movimenti è stato l'approccio utilizzato dagli autori del primissimo articolo mai scritto sulla simulazione dell'acqua nel 1971. Tali autori raccomandavano un passo temporale di 0,4 femtosecondi.

"Dobbiamo tornare al lavoro originale in termini di attenzione. Non c'è niente di sbagliato nel calcolare le velocità del sito, ma se lo fai come velocità del sito, allora devi fare un passo temporale sufficientemente piccolo da far sì che le temperature tra la traslazione e la rotazione sono in media gli stessi," ha detto Asthagiri.

Gli scienziati computazionali possono facilmente passare a incrementi temporali di 0,5 femtosecondi, se lo desiderano, anche se ciò comporterebbe simulazioni più brevi a causa dei tempi di calcolo più lunghi.

"È solo un flag nello script di input:da 2 a 0,5. È un passaggio molto semplice, ma ora il problema è che devi utilizzare più tempo di calcolo, tutto qui. Ma la potenza di calcolo è ora disponibile," ha detto Asthagiri.

Asthagiri ha presentato i risultati dello studio ai colleghi del Telluride Science &Innovation Center e alla serie di seminari online sulla termodinamica statistica e sulle simulazioni molecolari.

"Quando ho presentato il lavoro a una serie di seminari online sulla termodinamica statistica, la prima reazione è stata un po' scioccante. Ci vorrà del tempo per assimilarlo", ha affermato Asthagiri.

Asthagiri presenterà i risultati in un altro workshop co-organizzato da Beck per il Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire dal 6 all'8 maggio a Pisa, Italia.