GLOW: A Workflow Integrating Gaussian-Accelerated Molecular Dynamics and Deep Learning for Free Energy Profiling

工作流程 高斯分布 计算机科学 辉光放电 能源景观 分子动力学 生物系统 生物分子 化学 纳米技术 材料科学 物理 计算化学 热力学 生物 等离子体 数据库 量子力学
作者
N. Hung,Jinan Wang,Apurba Bhattarai,Yinglong Miao
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 1423-1436 被引量:46
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.1c01055
摘要

We introduce a Gaussian-accelerated molecular dynamics (GaMD), deep learning (DL), and free energy profiling workflow (GLOW) to predict molecular determinants and map free energy landscapes of biomolecules. All-atom GaMD-enhanced sampling simulations are first performed on biomolecules of interest. Structural contact maps are then calculated from GaMD simulation frames and transformed into images for building DL models using a convolutional neural network. Important structural contacts are further determined from DL models of attention maps of the structural contact gradients, which allow us to identify the system reaction coordinates. Finally, free energy profiles are calculated for the selected reaction coordinates through energetic reweighting of the GaMD simulations. We have also successfully demonstrated GLOW for the characterization of activation and allosteric modulation of a G protein-coupled receptor, using the adenosine A1 receptor (A1AR) as a model system. GLOW findings are highly consistent with previous experimental and computational studies of the A1AR, while also providing further mechanistic insights into the receptor function. In summary, GLOW provides a systematic approach to mapping free energy landscapes of biomolecules. The GLOW workflow and its user manual can be downloaded at http://miaolab.org/GLOW.

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