A Step-by-Step Guide on How to Construct Quasi-Markov State Models to Study Functional Conformational Changes of Biological Macromolecules

马尔可夫链 主方程 计算机科学 马尔可夫过程 统计物理学 分子动力学 马尔可夫模型 计算化学 数学 化学 物理 机器学习 统计 量子力学 量子
作者
Andrew Kai-hei Yik,Yunrui Qiu,Ilona Christy Unarta,Siqin Cao,Xuhui Huang
标识
DOI:10.1063/9780735425279_010
摘要

Conformational changes play an important role for many biomolecules to perform their functions. In recent years, Markov State Model (MSM) has become a powerful tool to investigate these functional conformational changes by predicting long timescale dynamics from many short molecular dynamics (MD) simulations. In MSM, dynamics are modelled by a first-order master equation, in which a biomolecule undergoes Markovian transitions among conformational states at discrete-time intervals, called lag time. The lag time has to be sufficiently long to build a Markovian model, but this parameter is often bound by the length of MD simulations available for estimating the frequency of interstate transitions. To address this challenge, we recently employed the generalized master equation (GME) formalism (e.g., the quasi-Markov State Model or qMSM) to encode non-Markovian dynamics in a time-dependent memory kernel. When applied to study protein dynamics, our qMSM can be built from MD simulations that are an order-of-magnitude shorter than MSM would have required. The construction of qMSM is more complicated than that of MSM, as time-dependent memory kernels need to be properly extracted from the MD simulation trajectories. In this chapter, we will present a step-by-step guide on how to build qMSM from MD simulation datasets, and the accompanying materials are publicly available on Github: https://github.com/ykhdrew/qMSM_tutorial. We hope this tutorial is useful for researchers who want to apply qMSM and study functional conformational changes in biomolecules.

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