面向复杂系统模拟和先进硬件技术的增强抽样分子模拟方法的发展及自主知识产权模拟软件的开发

Molecular simulations play more and more important roles in the studies of chemistry, physics, biology and material sciences etc. However, due to the limitations of the current computing power, there is still a huge gap between the timescale which can be reached in molecular simulations and that observed in the experiments. Applications of the enhanced sampling method can effectively extend the timescale being approached, so that it improves greatly the thermodynamics and kinetics calculation ability of the molecular simulations.The main goal of this project is the development of a highly efficent enhanced sampling method by combining the advantages of the integrated tempering enhanced sampling method and other sampling methods (such as replica exchange molecular dynamics). Then the new sampling method will be introduced into QM/MM simulations to study the chemical reactions.Based on the development of the powerful sampling method, another goal of the project is optimizing the computer codes using the latest computational hardware techniques (GPU and ManyCore) and develop the corresponding software package which would greatly promote the application of enhanced sampling methods and molecular simulations.

分子模拟在化学、物理、生物、材料等多学科的发展中起着越来越重要的作用。然而，受到当前计算机处理速度的限制，分子模拟计算所能够达到的时间尺度同实验或实际应用中要求的时间尺度相比还存在着巨大的差距。增强抽样方法的发展和应用可以有效地拓宽分子模拟所能研究体系的时间尺度，极大地提高分子模拟的热力学和动力学计算能力。本项目旨在以高效的温度积分增强抽样方法为主线，通过有机的结合其它增强抽样方法的优点（比如副本交换法）来发展一种性能更加优越的增强抽样方法，并且通过将此方法巧妙引入QM/MM计算模拟中实现对化学反应过程的增强抽样，填补这方面研究的空白。在高效方法发展的基础上，本项目还将致力于面向最先进的计算机硬件技术（图形处理单元GPU和众核技术ManyCore）发展有自主知识产权的增强抽样模拟软件包，推动增强抽样方法以及分子模拟更大规模的应用。

分子模拟作为一个重要的理论工具，在现代化学、物理、生物和材料等相关学科的研究中起着越来越重要的作用。然而，分子模拟的实际应用目前仍然受到取样与构象扫描的速度慢的限制，因此当前分子模拟计算的一个重要并且也是核心的命题是发展高效而可靠的取样方法。本项目基于温度积分增强抽样方法，不仅引入了多层次的温度积分增强策略、联用型抽样策略，也结合QM/MM计算方法和SITS增强抽样方法发展了可以用于化学反应机理研究的高效方法。在方法编码实现过程中，我们根据硬件技术发展和软件优化技术进一步改写和优化了程序，并已与在学术界和工业界广泛使用的AMBER9.0/10.0/12.0/14.0、GROMACS 4.5/5.0、PLUMED等分子模拟软件包成功整合。应用所发展的方法和软件程序，我们结合实验研究了蛋白质折叠机制、假尿嘧啶生成酶将尿嘧啶转变为假尿嘧啶和双链DNA碱基翻转的动力学机理、烯丙基乙烯基醚分子克莱森重排反应的溶剂化效应和离子液体溶解纤维素中的极化效应等多个具有重要意义的课题。项目按计划完成任务，发表SCI论文12篇，专著章节1篇，博士毕业6人。