есть ли методы "псевдоквантовой" химии?

[kpoxa]

Коллеги,

какие есть методы, позволяющие вычислять квантовую химию с вычислительной сложностью O(N)?
Есть у меня чувство, что подобное уже появилось.
Если нет, то что мешает?

Меня интересуют комбинации QM/MM, где QM часть имеет сложность O(N). Есть ли такое?

И самое интересное, если QM часть не реально квантовая химия, а любая (полу)эмпирика, описывающая перенос электрона и протона без наворотов QM. А такое есть?

[VTur]

Коллеги,

какие есть методы, позволяющие вычислять квантовую химию с вычислительной сложностью O(N)?
Есть у меня чувство, что подобное уже появилось.
Если нет, то что мешает?

Меня интересуют комбинации QM/MM, где QM часть имеет сложность O(N). Есть ли такое?

И самое интересное, если QM часть не реально квантовая химия, а любая (полу)эмпирика, описывающая перенос электрона и протона без наворотов QM. А такое есть?

Вроде, мультипольное разложение подходит.

[Darth Vasya]

На ум приходят три пакета...

1) Gaussian 03 - формально в нём есть QM:MM, в т.ч. с полуэмпирикой, причём якобы ab initio там O(N). Фактически, ММ там абсолютно непригодна, т.к. имеющиеся потенциалы плохие, а чтобы использовать какие-нибудь "левые" потенциалы, придётся пересобирать код.

2) SIESTA - O(N) DFT, QM:MM есть, но - не в доступном общественности релизе. Надо ждать выхода третьей версии, которую полтора года назад обещали в течение года

3) CP2k - скорее всего, это и есть то, что Вам надо. Нормальное QM:MM, DFT O(N) (у них в этом отношении очень интересная идея: волновые функции разлагаются по гауссианам, а плотность - по плоским волнам), есть полуэмпирика. Единственная проблема - не очень хорошо документировано, но разобраться можно.

Да, ну и есть ещё вариант GROMACS+GAMESS, если Вам обязательно нужна полуэмпирика и скорость последнего с ней устраивает. Можно также NWChem посмотреть.

[Darth Vasya]

не реально квантовая химия, а любая (полу)эмпирика, описывающая перенос электрона и протона без наворотов QM.

Как Вы лихо перенос электрона и перенос протона в одну кучу смешиваете... По сабжу - перенос протона можно хоть ММ описывать, что касается переноса заряда (я надеюсь, это в химическом смысле имеется в виду ) - то тут всё сложно. А что за задача, собственно?

[Marxist]

Можно ещё посмотреть AMBER10, он умеет считать qmmm нативно, но поскольку я в квантах не разбираюсь, не могу ничего сказать о сложности вычислительной задачи в квантовой части.

[Darth Vasya]

Я бы побоялся доверять AMBERовским квантам, чёрт его знает, что там понаписано. Наверняка у них там куча всякой автоматизации "для домохозяек", а значит - есть шанс насчитать незнамо чего. Я за CP2k, как бы мучительно неудобно это ни было

[Marxist]

Я бы побоялся доверять AMBERовским квантам, чёрт его знает, что там понаписано. Наверняка у них там куча всякой автоматизации "для домохозяек", а значит - есть шанс насчитать незнамо чего.

Если не затруднит, посмотрите, пожалуйста, мануал и скажите своё веское слово.

[Darth Vasya]

А, ну там только полуэмпирика, со всеми её ограничениями. С полуэмпирикой всё проще, берите да считайте - ну и качество результата соответственное. Если с вычислительными ресурсами не совсем беда - в общем случае лучше DFT.

Если совсем - то опция DivCon в Амбере как раз позволяет считать с затратами O(N). Но я по-прежнему за CP2k, там можно в три слоя считать (DFT:NDO:MM), что, как минимум, позволяет количественно оценить применимость полуэмпирики

[kpoxa]

Не ожидал широкой дискусии. Ну и хорошо, хоть войду в тему.
Что мне не нравится в QM/MM и вызывает внутреннее неудовлетворение - это следующее.

Уровень на котором работает MM - это kJ/mol, например стандартная величина kT = 2.5 kJ/mol при T=300K.
Уровень на котором работает QM - это Hartee, а 1H = 2630 kJ/mol.
Налицо разница в 3 порядка.

QM/MM работает путем вырезания части пространства, в которой и проводятся QM расчеты. Режется "по живому" - режутся связи, углы, потенциалы. Все попытки компенсации таких разрывов не могут быть сделаны не внося ошибки. Допустим, что вносится ошибка в 1% (в самом лучшем случае, а я думаю, что реально ошибка значительно больше, процентов 10).
В таком случае, при ошибке в 1%, получим абсолютную ошибку в 26 kJ/mol, что на порядок превышает точность в которой работает MM.

Потому у меня возникает ощущение, что симбиоз QM/MM это словно женщине пришивают мужские причиндалы. Вроде мужчина, только бездетный.
В чем я не прав, просветите.

[kpoxa]

Потому (см. предудущий пост) я уточняю свой вопрос.

Нет ли методов, не являющихся квантовохимическими (не HF, не DFT, не INDO, не MNDO, не Хюккель, ни прочее),
которые бы на эмпирическом уровне могли бы рассмотеть вопрос о переносе протона в связке с MM?

Что-то достаточно красивое с моей точки зрения сделано с переносом заряда, в методике уравновешивания заряда QEq. Там квантовая часть это только два параметра - аффинность и электроотрицательность, и как параметры их можно подгонять до нужной точности на MM уровне.

[Darth Vasya]

Не ожидал широкой дискусии. Ну и хорошо, хоть войду в тему.
Что мне не нравится в QM/MM и вызывает внутреннее неудовлетворение - это следующее.

Уровень на котором работает MM - это kJ/mol, например стандартная величина kT = 2.5 kJ/mol при T=300K.
Уровень на котором работает QM - это Hartee, а 1H = 2630 kJ/mol.
Налицо разница в 3 порядка.

Ничего себе аргумент Да вы хоть в Хартри, хоть в Кельвинах запишите. Фактически, численная точность хороших квантово-химических расчётов может доходить до мэВ и меньше (<0.0001 Ha).

QM/MM работает путем вырезания части пространства, в которой и проводятся QM расчеты. Режется "по живому" - режутся связи, углы, потенциалы. Все попытки компенсации таких разрывов не могут быть сделаны не внося ошибки. Допустим, что вносится ошибка в 1% (в самом лучшем случае, а я думаю, что реально ошибка значительно больше, процентов 10).
В таком случае, при ошибке в 1%, получим абсолютную ошибку в 26 kJ/mol, что на порядок превышает точность в которой работает MM.

Потому у меня возникает ощущение, что симбиоз QM/MM это словно женщине пришивают мужские причиндалы. Вроде мужчина, только бездетный.
В чем я не прав, просветите.

В чём не прав - аргумент про единицы измерения. На самом деле тут скорее "женщина пришивается к причиндалам", и если она пришивается достаточно умело, ММ-окружение не портит точности описания "квантового" фрагмента, и при этом - позволяет порой добиться реалистичности моделирования, недоступной чистой КХ в силу размеров компьютера.

Нет ли методов, не являющихся квантовохимическими (не HF, не DFT, не INDO, не MNDO, не Хюккель, ни прочее),
которые бы на эмпирическом уровне могли бы рассмотеть вопрос о переносе протона в связке с MM?

А всё: либо ab initio, либо DFT, либо NDO (в т.ч. Хюккель), либо - ММ. Да, ММ в связке с ММ (т.е. просто ММ ) вполне может описывать перенос протона - только надо где-то раздобыть потенциалы для интересующего класса систем. Например - запараметризовать самостоятельно (скорее всего, так и пришлось бы).

Что-то достаточно красивое с моей точки зрения сделано с переносом заряда, в методике уравновешивания заряда QEq. Там квантовая часть это только два параметра - аффинность и электроотрицательность, и как параметры их можно подгонять до нужной точности на MM уровне.

А вот эти все схемы как раз у меня большое подозрение вызывают. Слишком уж всё в ММ перепутано, все параметры друг на друга влияют, и варьировать заряды отдельно от даже просто Леннард-Джонсовских параметров, да ещё на основе какой-то более-менее "универсальной" схемы, - как-то уж больно, ммм, смело. Особенно - учитывая все проблемы с корректностью определения такой вещи, как заряды на атомах (а точнее - с отсутствием корректности).

[Marxist]

Да, ММ в связке с ММ (т.е. просто ММ ) вполне может описывать перенос протона - только надо где-то раздобыть потенциалы для интересующего класса систем. Например - запараметризовать самостоятельно (скорее всего, так и пришлось бы).

А также написать соответствующий код.

[kpoxa]

Ничего себе аргумент Да вы хоть в Хартри, хоть в Кельвинах запишите. Фактически, численная точность хороших квантово-химических расчётов может доходить до мэВ и меньше (<0.0001 Ha).

Речь идет об относительной точности, я полагаю? Или для расчетов с применением CI, и которые явно не входят в связку QM/MM? Или для некоторых удачно подобранных моделей?

Философское отступление, не для продолжния. В любой области есть свои естественные для нее единицы измерения, где их численные значения близки к 1. Все научные методы и схемы расчетов адаптированы в своих диапазонах естественных единиц. Вне этих диапозонов, разговор о точности - это выдавать желаемое за действительное.

На самом деле тут скорее "женщина пришивается к причиндалам", и если она пришивается достаточно умело, ММ-окружение не портит точности описания "квантового" фрагмента, и при этом - позволяет порой добиться реалистичности моделирования, недоступной чистой КХ в силу размеров компьютера.

Согласен, что пришивка MM к QM не портит квантовую часть, но она уже испорчена вырезанием. Граничные эффекты вносят очень сильные искажения. Ну порвали связь при вырезании, ну забили ее водородом, чтобы сохранить валентность, ну вставили добавочные заряды в QM фрагмент, что там еще? Неужели все это можно сделать так гладко, что достигается химическая точность? Трудно поверить. Отрезали причиндалы, и что пытаемся пришить?

ММ в связке с ММ (т.е. просто ММ ) вполне может описывать перенос протона - только надо где-то раздобыть потенциалы для интересующего класса систем. Например - запараметризовать самостоятельно (скорее всего, так и пришлось бы).

Допустим. И где, и как, и чем, предлагается параметризовать? Вот это интересно. "Я требую продолжения банкета"

А вот эти все схемы как раз у меня большое подозрение вызывают. Слишком уж всё в ММ перепутано, все параметры друг на друга влияют, и варьировать заряды отдельно от даже просто Леннард-Джонсовских параметров, да ещё на основе какой-то более-менее "универсальной" схемы, - как-то уж больно, ммм, смело. Особенно - учитывая все проблемы с корректностью определения такой вещи, как заряды на атомах (а точнее - с отсутствием корректности).

Согласен, все перепутано и все друг на друга влияет. И крайне это неприятно. Допустим, захотел выделить взаимодействие отдельно и для него лучшие параметры подобрать, изволь пересчитать все параметры, чтобы избежать двойных учетов. Но пока это точнее, чем QM, и быстрее чем QM. Ну хочется повыдергивать из QM что-нибудь полезное. Вот и сейчас, пытаюсь выдернуть что-нибудь про перенос протона.

[Darth Vasya]

Речь идет об относительной точности, я полагаю? Или для расчетов с применением CI, и которые явно не входят в связку QM/MM? Или для некоторых удачно подобранных моделей?

Речь идёт о численной точности. "Согласие расчётов с теорией" - поскольку про согласие с экспериментом можно говорить только в каждом конкретном случае. Это было к вашему аргументу про единицы измерения и про "численные значения, близкие к 1". Извините, но это полный абсурд.

Но пока это точнее, чем QM, и быстрее чем QM. Ну хочется повыдергивать из QM что-нибудь полезное. Вот и сейчас, пытаюсь выдернуть что-нибудь про перенос протона.

Это не "точнее, чем", это разные вещи. Давайте дальше конкретно про вашу задачу, а то с "общими положениями" ерунда какая-то получается.

[VTur]

Уровень на котором работает MM - это kJ/mol, например стандартная величина kT = 2.5 kJ/mol при T=300K.
Уровень на котором работает QM - это Hartee, а 1H = 2630 kJ/mol.

kT = 2.5 kJ/mol не есть точность итоговых цифр. Это точность сходимости численных процедур (до каких пор считать компьютеру). Ни о какой точности там речи не идет и быть не может, так как не определена точность исходных параметров (коэффициентов) при потенциалах (тем более зарядов на атомах). Или поправьте меня.
А то, что теория выдаёт, что в неё исходно заложено - так значит у программистов руки растут откуда надо. Теория хороша, когда выдаёт нечто новое, заранее в неё не заложенное.

[kpoxa]

Но пока это точнее, чем QM, и быстрее чем QM. Ну хочется повыдергивать из QM что-нибудь полезное. Вот и сейчас, пытаюсь выдернуть что-нибудь про перенос протона.

Это не "точнее, чем", это разные вещи. Давайте дальше конкретно про вашу задачу, а то с "общими положениями" ерунда какая-то получается.

Хочется промоделировать процесс связывания иона металла в активном сайте белка. Пусть достаточно грубо, это неважно, отвлекаемся также от того, переходной металл или нет. Силовое поле также неважно, насколько я знаю ни одно из них не описывает разрывы и появление связей. Может за исключением ReaxFF. Хочется поймать сам процесс связывания в принципе, на простейшей модели.

Стартуем с ионной модели, то есть устанавливаем повышенные заряды на атомах, с которыми должен связаться ион. Какие должны быть заряды, прикидываем из полуэмпирики. Ставим ион в нужное место сайта, проверяем расстояния от него до атомов его первой координационной сферы после оптимизации и МД, все ок.
Приступаем ко второму этапу в попытке промоделировать захват иона сайтом. Создаем белок, протонируем, добавляем воду, делаем МД, бросаем ион рядом с активным сайтом, делаем МД с ним. Прошло 100 ps, ион болтается рядом, хотя периодически расстояния в длину связи возникают. Облом, интуитивно ожидаемый.

Из теории хим.связь возникает в течении от 10фс до 10 пс, после того как атомы сближаются на нужное расстояние. МД + ионная модель это воспроизвести не в состоянии. Хочется метод, воспроизводящий подобный процесс.
А причем здесь перенос протона, так это ж потому что протонное состояние атомов, с которыми связывается ион, меняется. Он их замещает.

[Marxist]

В большинстве силовых полей ковалентное связывание металла не предусмотрено. И это вполне логично. Хотя в каких-то амберовских тьюториалах делали модифицированный остаток с цинком, вроде бы. Мне кажется, что вы пытаетесь с помощью молдинамики решить задачу, которая для неё не совсем предназначена, вследствие чего получили кривые результаты. Что вы хотите получить в итоге? передвижение иона металла из лесов в сайт связывания? а какой в этом смысл? Реакции в МД иногда делают путём замены в определённый момент атома на дамми-атом, но это используется при определении констант связывания.

[Darth Vasya]

Полуэмпирика тут не поможет, нужно полноценное DFT. Лучше всего, наверное, использовать GROMACS+CPMD или GROMACS+GAMESS, в первом случае можно сэкономить на числе итераций за счёт метадинамики, во втором, возможно, - за счёт steered MD (или той же метадинамики, если GroMeta тоже имеет интерфейс с GAMESS). Естественно, это не просто задачка "взять и посчитать", возиться долго придётся.

[N_A_B]

Извиняюсь, что вклиниваюсь сюда.

Про конкретное применение:
Пользую авторскую версию PC GAMESS by Jim Kress.
В ней есть мол.механика.

На мой взгляд- основная роль мол. механики- это влияние на геометрию молекулы.
Энергетические вклады там да, не очень большие.
Но на геометрию мол.механическая часть влияет сильно.

Господа- а откуда вы берете структуры белков и с помощью чгео преобразуете во входные файлы?

[Marxist]

Господа- а откуда вы берете структуры белков

PDB, моделирование

и с помощью чгео преобразуете во входные файлы?

Смотря куда входить