Inferring a weighted elastic network from partial unfolding with coarse-grained simulations

A number of studies have demonstrated that simple elastic network models can reproduce experimental B-factors, providing insights into the structure-function properties of proteins. Here, we report a study on how to improve an elastic network model and explore its performance by predicting the experimental B-factors. Elastic network models are built on the experimental C coordinates, and they only take the pairs of C atoms within a given cutoff distance r(c) into account. These models describe the interactions by elastic springs with the same force constant. We have developed a method based on numerical simulations with a simple coarse-grained force field, to attribute weights to these spring constants. This method considers the time that two C atoms remain connected in the network during partial unfolding, establishing a means of measuring the strength of each link. We examined two different coarse-grained force fields and explored the computation of these weights by unfolding the native structures. Proteins 2014; 82:119-129. (c) 2013 Wiley Periodicals, Inc.

Desenvolvimento de modelos para flavonoides e cumarinas utilizando o campo de força CGenFF

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Raman spectroscopy and DFT calculations of para-coumaric acid and its deprotonated species

An electronic and vibrational spectroscopic analysis of p-coumaric acid (HCou) and its deprotonated species was performed by UV-vis and Raman, respectively, and the results were supported by density functional theory (OFT) calculations. Electronic UV-vis spectral data of HCou solutions show that the deprotonation of the carboxyl group (Cou(-)) leads to a blue shift of the lowest energy electronic transition in comparison to the neutral species, whereas the subsequent deprotonation of the phenolic moiety (Cou(2-)) carries out to a more delocalized chromophore. The DFT geometric parameters calculations suggest that the variation in the electronic delocalization for the three organic species is due to different contribution of a quinoid structure that is significantly distorted in the case of Cou(2-). The Raman data of HCou and its sodium salts show that the main spectral features that allow to differentiate the three organic species are those involving the styrene nu(C=C)(sty) vibration at 1600cm(-1) region. Even though the Raman spectra of the sodium salts of Cou(-) and Cou(2-) anions show subtle differences, the appearing of a band at ca. 1598cm(-1) in the Na(2)Cou spectrum, assigned to a mode involving the carboxylate asymmetric stretching, nu(as)(COO), and the styrene stretching, nu(C=C)(sty), is quite characteristic, as confirmed by the theoretical Raman spectrum. Considering that p-coumaric acid is an archetypical phenolic compound with several biological activities that essentially depend upon the medium pH, Raman spectroscopy results reported in this work can provide a proper way to characterize such important phytochemical compound in different protonation states. In order to complement the characterization of the sodium salts, X-ray diffraction (XRD) and thermal analysis were performed. (C) 2011 Elsevier B.V. All rights reserved.

Neue Methoden zur Computersimulation von Polymersystemen auf verschiedenen Längenskalen und ihre Anwendungen

In dieser Dissertation stellen wir einen neuen Ansatz zurModellierungvon Polymersystemen vor. Es werden (von methodischer Seiteher) zweiautomatisierte Iterationschemata dazu eingeführt,Kraftfeldparametermesoskopischer Polymersysteme systematisch zu optimieren:DasSimplex-Verfahren und das Struktur-Differenzen-Verfahren. Sowerdendiejenigen Freiheitsgrade aus Polymersystemen eliminiert,die einehohe Auflösung erfordern, was die Modellierung größerersystemeermöglicht. Nach Tests an einfachen Flüssigkeiten werdenvergröberteModelle von drei prototypischen Polymeren (Polyacrylsäure,Polyvinylalkohol und Polyisopren) in unterschiedlichenUmgebungen(gutes Lösungsmittel und Schmelze) entwickelt und ihrVerhalten aufder Mesoskala ausgiebig geprüft. Die zugehörige Abbildung(vonphysikalischer Seite her) so zu gestalten, daß sie dieunverwechselbaren Charakteristiken jedes systems auf diemesoskopischeLängenskala überträgt, stellt eine entscheidende Anforderungan dieautomatisierten Verfahren dar. Unsere Studien belegen, daß mesoskopische Kraftfeldertemperatur- unddichtespezifisch sind und daher bei geändernden Bedingungennachoptimiert werden müssen. Gleichzeitig läßt sichabschätzen, beiwelchen Umgebungsbedingungen dies noch nicht notwendig wird.In allenFällen reichen effektive Paarpotentiale aus, einrealistischesmesoskopisches Modell zu konstruieren. VergröberteSimulationenwerden im Falle der Polyacrylsäure erfolgreich gegenexperimentelleLichtstreudaten getestet. Wir erzielen für Molmassen bis zu300000g/mol eine hervorragende Übereinstimmung für denhydrodynamischenRadius. Unsere Ergebnisse erklären auch Korrekturen zudessenVerhalten als Funktion der Kettenlänge ('Skalenverhalten'). Im Fallevon Polyisopren untersuchen wir sowohl statische als auchdynamischeGrößen und stellen klare Unterschiede unserer Ergebnisse zudeneneines einfachen semi-flexiblen Mesoskalenmodells fest. InderProteinforschung werden aus Datenbanken gewonnene effektivePaarwechselwirkungen dazu verwendet, die freie Energie einesneuensystems vorherzusagen. Wir belegen in einem Exkurs mittelsGittersimulationen, daß es selbst in einfachsten Fällennicht gelingt,dies auch nur qualitativ korrekt zu bewerkstelligen.

Störungstheoretische Behandlung relativistischer Korrekturen zu Gleichgewichtsstrukturen im Rahmen der Coupled-Cluster-Theorie

Quantenchemische Untersuchungen von Atomen und Molekülen haben in den letzten Jahren durch die systematische Erweiterung der Methoden und Computerresourcen zunehmend für die Interpretation und Vorhersage experimenteller Ergebnisse an Bedeutung gewonnen. Relativistische Effekte in der Chemie werden zum Beispiel für die gelbe Farbe von Gold und den flüssigen Aggregatzustand von Quecksilber verantwortlich gemacht und müssen daher in quantenchemischen Rechnungen berücksichtigt werden. Relativistische Effekte sind bei leichten Elementen oft so klein, daß sie in vielen quantenchemischen Betrachtungen vernachlässigt werden. Dennoch sind es gerade diese Beiträge, die verbleibende Abweichungen von noch so genauen nichtrelativistischen Rechnungen von ebenso genauen experimentellen Ergebnissen ausmachen können. Relativistische Effekte können auf viele Arten in quantenchemischen Rechnungen berücksichtigt werden. Eine Möglichkeit ist die Störungstheorie. Ein derartiger Ansatz ist die Mass-velocity-Darwin-Näherung, ein anderer die Direkte Störungstheorie. Hier entspricht die relativistische Energiekorrektur erster Ordnung der ersten Ableitung der Energie nach einem relativistischen Störparameter. Für eine Bestimmung der Gleichgewichtsstruktur eines Moleküls müssen die Kräfte auf die Atomkerne bestimmt werden. Diese entsprechen einer ersten Ableitung der Gesamtenergie nach den Kernkoordinaten. Eine Einbeziehung der relativistischen Effekte auf diese Kräfte erfordert daher die gemischte zweite Ableitung der Energie nach dem relativistischen Störparameter und den Kernkoordinaten. Diese relativistischen Korrekturen wurden in dem quantenchemischen Programmpaket ACES2 implementiert. Ein Resultat dieser Arbeit ist, daß nun erstmalig eine Implementierung analytischer Gradienten für die Berechnung relativistischer Korrekturen zu Strukturparametern mit Hilfe der relativistischen Störungstheorie für den Coupled-Cluster-Ansatz bereit steht. Die Coupled-Cluster-Theorie eignet sich besonders gut für die hochgenaue Vorhersage von molekularen Eigenschaften, wie der Gleichgewichtsstruktur. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Basissatzabhängigkeit der relativistischen Beiträge zu Energien, Strukturparametern und harmonischen Schwingungsfrequenzen im Detail untersucht. Für die hier untersuchten Moleküle sind die relativistischen Effekte und Effekte aufgrund der Elektronenkorrelation nicht additiv, so verkürzt die Berücksichtigung relativistischer Effekte bei Hartree-Fock-Rechnungen die Bindung in den Hydrogenhalogeniden, während die Einbeziehung der Elektronenkorrelation durch CCSD(T)-Rechnungen zu einer verlängerten Bindung im Fluorwasserstoff und weniger stark ausgeprägten Korrekturen im Chlor- und Bromwasserstoff führt. Für die anderen hier untersuchten mehratomigen Moleküle findet sich kein einheitlicher Trend; dies unterstreicht die Notwendigkeit expliziter Rechnungen. Damit steht ein leistungsfähiges und vielseitiges Werkzeug für die Berechnung relativistischer Korrekturen auf verschiedenste molekulare Eigenschaften zur Verfügung, das mit modernen, systematisch verbesserbaren quantenchemischen Methoden verknüpft ist. Hiermit ist es möglich, hochgenaue Rechnungen zur Vorhersage und Interpretation von Experimenten durchzuführen.

Thermodynamic concepts in adaptive resolution simulations

This thesis work is devoted to the conceptual and technical development of the Adaptive Resolution Scheme (AdResS), a molecular dynamics method that allows the simulation of a system with different levels of resolution simultaneously. The simulation domain is divided into high and low resolution zones and a transition region that links them, through which molecules can freely diffuse.rnThe first issue of this work regards the thermodynamic consistency of the method, which is tested and verified in a model liquid of tetrahedral molecules. The results allow the introduction of the concept of the Thermodynamic Force, an external field able to correct spurious density fluctuations present in the transition region in usual AdResS simulations.rnThe AdResS is also applied to a system where two different representations with the same degree of resolution are confronted. This simple test extends the method from an Adaptive Resolution Scheme to an Adaptive Representation Scheme, providing a way of coupling different force fields based on thermodynamic consistency arguments. The Thermodynamic Force is successfully applied to the example described in this work as well.rnAn alternative approach of deducing the Thermodynamic Force from pressure consistency considerations allows the interpretation of AdResS as a first step towards a molecular dynamics simulation in the Grand Canonical ensemble. Additionally, such a definition leads to a practical way of determining the Thermodynamic Force, tested in the well studied tetrahedral liquid. The effects of AdResS and this correction on the atomistic domain are analyzed by inspecting the local distribution of velocities, radial distribution functions, pressure and particle number fluctuation. Their comparison with analogous results coming from purely atomistic simulations shows good agreement, which is greatly improved under the effect of the external field.rnA further step in the development of AdResS, necessary for several applications in biophysics and material science, consists of its application to multicomponent systems. To this aim, the high-resolution representation of a model binary mixture is confronted with its coarse-grained representation systematically parametrized. The Thermodynamic Force, whose development requires a more delicate treatment, also gives satisfactory results.rnFinally, AdResS is tested in systems including two-body bonded forces, through the simulation of a model polymer allowed to adaptively change its representation. It is shown that the distribution functions that characterize the polymer structure are in practice not affected by the change of resolution.rnThe technical details of the implementation of AdResS in the ESPResSo package conclude this thesis work.

Charge transport in amorphous organic semiconductors

Organic semiconductors with the unique combination of electronic and mechanical properties may offer cost-effective ways of realizing many electronic applications, e.g. large-area flexible displays, printed integrated circuits and plastic solar cells. In order to facilitate the rational compound design of organic semiconductors, it is essential to understand relevant physical properties e.g. charge transport. This, however, is not straightforward, since physical models operating on different time and length scales need to be combined. First, the material morphology has to be known at an atomistic scale. For this atomistic molecular dynamics simulations can be employed, provided that an atomistic force field is available. Otherwise it has to be developed based on the existing force fields and first principle calculations. However, atomistic simulations are typically limited to the nanometer length- and nanosecond time-scales. To overcome these limitations, systematic coarse-graining techniques can be used. In the first part of this thesis, it is demonstrated how a force field can be parameterized for a typical organic molecule. Then different coarse-graining approaches are introduced together with the analysis of their advantages and problems. When atomistic morphology is available, charge transport can be studied by combining the high-temperature Marcus theory with kinetic Monte Carlo simulations. The approach is applied to the hole transport in amorphous films of tris(8-hydroxyquinoline)aluminium (Alq3). First the influence of the force field parameters and the corresponding morphological changes on charge transport is studied. It is shown that the energetic disorder plays an important role for amorphous Alq3, defining charge carrier dynamics. Its spatial correlations govern the Poole-Frenkel behavior of the charge carrier mobility. It is found that hole transport is dispersive for system sizes accessible to simulations, meaning that calculated mobilities depend strongly on the system size. A method for extrapolating calculated mobilities to the infinite system size is proposed, allowing direct comparison of simulation results and time-of-flight experiments. The extracted value of the nondispersive hole mobility and its electric field dependence for amorphous Alq3 agree well with the experimental results.

Molekulardynamik-Simulationen supramolekularer Komplexe unter Einfluss einer externen Kraft

Supramolekulare Komplexe werden durch nichtkovalente Bindungen stabilisiert. Legt man eine externe Kraft an einen solchen Komplex an, ist es möglich, diese Bindungen zu öffnen. Anhand der dafür benötigten Kraft läßt sich die Stabilität des Komplexes bestimmen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei supramolekulare Komplexe, die unterschiedliche Arten von nichtkovalenten Bindungen enthalten, mit Hilfe von Molekulardynamik (MD) Simulationen untersucht. In beiden Fällen wurden die relevanten Bindungsstrukturen und deren Stabilität ermittelt.rnZum einen wurden zwei synthetische Calix[4]aren-Catenan-Dimersysteme betrachtet, in denen die beiden Monomere über Wasserstoffbrückenbindungen aneinander gebunden sind. Die Besonderheit dieser Komplexe ist, dass die Monomere aufgrund von verschlauften Alkylketten (Catenan-Struktur) nicht vollständig voneinander getrennt werden können. In Abhängigkeit der Länge derrnAlkylketten findet man für die beiden Komplexe eine unterschiedliche Zahl von relevanten Bindungsstrukturen (Zustände). Für ein System mit relativ kurzen Alkylketten findet man zwei Zustände, eine kompakte Struktur, die auch im Gleichgewicht beobachtet wird und eine gestreckte Struktur, die nur unter dem Einfluss der externen Kraft stabil ist. Verlängert man die Alkylketten,rnbeobachtet man einen weiteren Zustand, in dem das Dimer vollständig gestreckt ist und die Monomere eine größere Separation aufweisen.rnBei dem zweiten System, das untersucht wurde, handelte es sich um einen Carbohydrat-Kation-Carbohydrat Komplex, der für die Selbstadhäsion von Meeresschwämmen eine wichtige Rolle spielt. Experimentell ist bekannt, dass sich dieser Komplex zwar mit Calciumionen, nicht aber mit Magnesiumionen bildet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die wesentlichen Unterschiede der beiden Kationarten in Bezug auf die Komplexbildung auf den kleineren Ionenradius des Magnesiumions zurückzuführen sind. Aufgrund des kleineren Radius bindet ein solvatisiertes Magnesiumion die Hydrathülle stärker und die Komplexbindung wird kinetisch gehemmt. Zum anderen bindet im Magnesiumkomplex nur eines der beiden Carbohydrate direkt an das Kation.rnDas andere Carbohydrat bindet nur indirekt über ein Wassermolekül an das Kation. Da diese indirekte Bindung gegenüber einer direkten Bindung schwächer ist, weist der Magensiumkomplex eine geringere Stabilität auf als ein vergleichbarer Calciumkomplex.rnDes Weiteren wurde untersucht, inwieweit die Ergebnisse von MD Simulationen vom verwendeten Modell (Kraftfeld) abhängen. Allgemein ist bekannt, dass die Ergebnisse von Gleichgewichtssimulationen kraftfeldabhängig sind. Im Rahmen diese Arbeit konnte gezeigt werden, dass sich für Zugsimulationen, in denen eine externe Kraft an das System angelegt wird, eine ähnliche Kraftfeldabhängigkeit ergibt. Da sich die Unterschiede der Ergebnisse auf Unterschiede in den Gleichgewichtssimulationen zurückführen lassen, kann man annehmen, dass die externe Kraft keine zusätzliche Einschränkung in Bezug auf die Zuverlässigkeit der Kraftfelder darstellt.rnAbgesehen von den MD Simulationen wurde eine in der Literatur beschriebene Methode zur Analyse von Zweizustandssystemen unter dem Einfluss einer konstanten externen Kraft erweitert. Ein Komplex läßt sich als Zweizustandssystem beschreiben, wenn dieser zwei relevante Bindungsstrukturen aufweist. Wird an solch einen Komplex eine konstante Kraft angelegt, lassen sich Übergänge zwischen den beiden Zuständen beobachten. Ist das System weit entfernt vom Gleichgewicht, kann es problematisch sein, einen der beiden Übergänge vollständig aufzulösen. In diesen Fällen wird nun vorgeschlagen, die beiden Übergänge zu einem sogenannten Kreisübergang zusammen zu fassen und diese zu zählen. Bestimmt man die Zahl der Übergänge pro Zeit in Abhängigkeit der angelegten Kraft, können die Übergangsraten bestimmt werden. Um die Methode zu validieren wurden kinetische Monte-Carlo Simulationen durchgeführt. Es zeigt sich, dass schon mit relativ kleinen Datensätzen gute Ergebnisse erzielt werden können.

Predicting the Mechanical Properties of Carbon-Based Materials Using Molecular Dynamics

The development of innovative carbon-based materials can be greatly facilitated by molecular modeling techniques. Although molecular modeling has been used extensively to predict elastic properties of materials, modeling of more complex phenomenon such as fracture has only recently been possible with the development of new force fields such as ReaxFF, which is used in this work. It is not fully understood what molecular modeling parameters such as thermostat type, thermostat coupling, time step, system size, and strain rate are required for accurate modeling of fracture. Selection of modeling parameters to model fracture can be difficult and non-intuitive compared to modeling elastic properties using traditional force fields, and the errors generated by incorrect parameters may be non-obvious. These molecular modeling parameters are systematically investigated and their effects on the fracture of well-known carbon materials are analyzed. It is determined that for coupling coefficients of 250 fs and greater do not result in substantial differences in the stress-strain response of the materials using any thermostat type. A time step of 0.5 fs of smaller is required for accurate results. Strain rates greater than 2.2 ns-1 are sufficient to obtain repeatable results with slower strain rates for the materials studied. The results of this study indicate that further refinement of the Chenoweth parameter set is required to accurately predict the mechanical response of carbon-based systems. The ReaxFF has been used extensively to model systems in which bond breaking and formation occur. In particular ReaxFF has been used to model reactions of small molecules. Some elastic and fracture properties have been successfully modeled using ReaxFF in materials such as silicon and some metals. However, it is not clear if current parameterizations for ReaxFF are able to accurately reproduce the elastic and fracture properties of carbon materials. The stress-strain response of a new ReaxFF parameterization is compared to the previous parameterization and density functional theory results for well-known carbon materials. The new ReaxFF parameterization makes xv substantial improvements to the predicted mechanical response of carbon materials, and is found to be suitable for modeling the mechanical response of carbon materials. Finally, a new material composed of carbon nanotubes within an amorphous carbon (AC) matrix is modeled using the ReaxFF. Various parameters that may be experimentally controlled are investigated such as nanotube bundling, comparing multi-walled nanotube with single-walled nanotubes, and degree of functionalization of the nanotubes. Elastic and fracture properties are investigated for the composite systems and compared to results of pure-nanotube and pure-AC models. It is found that the arrangement of the nanotubes and degree of crosslinking may substantially affect the properties of the systems, particularly in the transverse directions.

CCSD(T) Study of CD3-O-CD3 and CH3-O-CD3 Far-Infrared Spectra

From a vibrationally corrected 3D potential energy surface determined with highly correlated ab initio calculations (CCSD(T)), the lowest vibrational energies of two dimethyl-ether isotopologues, 12CH3–16O–12CD3 (DME-d3) and 12CD3–16O–12CD3 (DME-d6), are computed variationally. The levels that can be populated at very low temperatures correspond to the COC-bending and the two methyl torsional modes. Molecular symmetry groups are used for the classification of levels and torsional splittings. DME-d6 belongs to the G36 group, as the most abundant isotopologue 12CH3–16O–12CH3 (DME-h6), while DME-d3 is a G18 species. Previous assignments of experimental Raman and far-infrared spectra are discussed from an effective Hamiltonian obtained after refining the ab initio parameters. Because a good agreement between calculated and experimental transition frequencies is reached, new assignments are proposed for various combination bands corresponding to the two deuterated isotopologues and for the 020 → 030 transition of DME-d6. Vibrationally corrected potential energy barriers, structural parameters, and anharmonic spectroscopic parameters are provided. For the 3N – 9 neglected vibrational modes, harmonic and anharmonic fundamental frequencies are obtained using second-order perturbation theory by means of CCSD and MP2 force fields. Fermi resonances between the COC-bending and the torsional modes modify DME-d3 intensities and the band positions of the torsional overtones.

A molecular level picture of the stabilization of A-DNA in mixed ethanol–water solutions

Advances in computer power, methodology, and empirical force fields now allow routine “stable” nanosecond-length molecular dynamics simulations of DNA in water. The accurate representation of environmental influences on structure remains a major, unresolved issue. In contrast to simulations of A-DNA in water (where an A-DNA to B-DNA transition is observed) and in pure ethanol (where disruption of the structure is observed), A-DNA in ≈85% ethanol solution remains in a canonical A-DNA geometry as expected. The stabilization of A-DNA by ethanol is likely due to disruption of the spine of hydration in the minor groove and the presence of ion-mediated interhelical bonds and extensive hydration across the major groove.

Water adsorption in hydrophilic zeolites: experiment and simulation

We have measured experimental adsorption isotherms of water in zeolite LTA4A, and studied the regeneration process by performing subsequent adsorption cycles after degassing at different temperatures. We observed incomplete desorption at low temperatures, and cation rearrangement at successive adsorption cycles. We also developed a new molecular simulation force field able to reproduce experimental adsorption isotherms in the range of temperatures between 273 K and 374 K. Small deviations observed at high pressures are attributed to the change in the water dipole moment at high loadings. The force field correctly describes the preferential adsorption sites of water at different pressures. We tested the influence of the zeolite structure, framework flexibility, and cation mobility when considering adsorption and diffusion of water. Finally, we performed checks on force field transferability between different hydrophilic zeolite types, concluding that classical, non-polarizable water force fields are not transferable.

Dual adaptation to two opposing visuomotor rotations when each is associated with different regions of workspace

Studies examining dual adaptation to opposing novel environments have yielded contradictory results, with previous evidence supporting both successful dual adaptation and interference leading to poorer adaptive performance. Whether or not interference is observed during dual adaptation appears to be dependent on the method used to allow the performer of the task to distinguish between two novel environments. This experiment tested if colour cues, a separation in workspace, and presentation schedule, could be used to distinguish between two opposing visuomotor rotations and enable dual adaptation. Through the use of a purpose designed manipulandum, each visuomotor rotation was either presented in the same region of workspace and associated with colour cues (Group 1), different regions of workspace in addition to colour cues (Groups 2 and 3) or different regions of workspace only (Groups 4 and 5). We also assessed the effectiveness of the workspace separation with both randomised and alternating presentation schedules (Groups 4 and 5). The results indicated that colour cues were not effective at enabling dual adaptation when each of the visuomotor rotations was associated with the same region of workspace. When associated with different regions of workspace, however, dual adaptation to the opposing rotations was successful regardless of whether colour cues were present or the type of presentation schedule.

Study of Tsunami-Induced Fluid and Debris Load on Bridges using the Material Point Method

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2016-08