Combining the Fragmentation Approach and Neural Network Potential Energy Surfaces of Fragments for Accurate Calculation of Protein Energy

生物分子 共轭梯度法 人工神经网络 势能 化学 高分子 生物系统 计算化学 物理 分子物理学 原子物理学 算法 计算机科学 人工智能 生物化学 生物
作者
Zhilong Wang,Yanqiang Han,Jinjin Li,Xiao He
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:124 (15): 3027-3035 被引量:48
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.0c01370
摘要

Accurate and efficient all-atom quantum mechanical (QM) calculations for biomolecules still present a challenge to computational physicists and chemists. In this study, an extensible generalized molecular fractionation with a conjugate caps method combined with neural networks (NN-GMFCC) is developed for efficient QM calculation of protein energy. In the NN-GMFCC scheme, the total energy of a given protein is calculated by taking a proper combination of the high-precision neural network potential energies of all capped residues and overlapping conjugate caps. In addition, the two-body interaction energies of residue pairs are calculated by molecular mechanics (MM). With reference to the GMFCC/MM calculation at the ωB97XD/6-31G* level, the overall mean unsigned errors of the energy deviations and atomic force root-mean-squared errors calculated by NN-GMFCC are only 2.01 kcal/mol and 0.68 kcal/mol/Å, respectively, for 14 proteins (containing up to 13,728 atoms). Meanwhile, the NN-GMFCC approach is about 4 orders of magnitude faster than the GMFCC/MM method. The NN-GMFCC method could be systematically improved by inclusion of two-body QM interaction and multibody electronic polarization effect. Moreover, the NN-GMFCC approach can also be applied to other macromolecular systems such as DNA/RNA, and it is capable of providing a powerful and efficient approach for exploration of structures and functions of proteins with QM accuracy.

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