Lambda-ABF: Simplified, Portable, Accurate, and Cost-Effective Alchemical Free-Energy Computation

计算 兰姆达 计算机科学 能量(信号处理) 计算科学 算法 物理 量子力学
作者
Louis Lagardère,Lise Maurin,Olivier Adjoua,Krystel El Hage,Pierre Monmarché,Jean‐Philip Piquemal,Jérôme Hénin
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:20 (11): 4481-4498 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.3c01249
摘要

We introduce the lambda-Adaptive Biasing Force (lambda-ABF) method for the computation of alchemical free-energy differences. We propose a software implementation and showcase it on biomolecular systems. The method arises from coupling multiple-walker adaptive biasing force with λ-dynamics. The sampling of the alchemical variable is continuous and converges toward a uniform distribution, making manual optimization of the λ schedule unnecessary. Contrary to most other approaches, alchemical free-energy estimates are obtained immediately without any postprocessing. Free diffusion of λ improves orthogonal relaxation compared to fixed-λ thermodynamic integration or free-energy perturbation. Furthermore, multiple walkers provide generic orthogonal space coverage with minimal user input and negligible computational overhead. We show that our high-performance implementations coupling the Colvars library with NAMD and Tinker-HP can address real-world cases including ligand–receptor binding with both fixed-charge and polarizable models, with a demonstrably richer sampling than fixed-λ methods. The implementation is fully open-source, publicly available, and readily usable by practitioners of current alchemical methods. Thanks to the portable Colvars library, lambda-ABF presents a unified user interface regardless of the back-end (NAMD, Tinker-HP, or any software to be interfaced in the future), sparing users the effort of learning multiple interfaces. Finally, the Colvars Dashboard extension of the visual molecular dynamics (VMD) software provides an interactive monitoring and diagnostic tool for lambda-ABF simulations.

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