Approaches to Increase the Accuracy of Molecular Dynamics Simulations

195 Pages·2013·11.99 MB·English

by  Dömer, Manuel

Approaches to Increase the Accuracy of Molecular
Dynamics Simulations:
From Classical to Tight Binding and First Principles Methods
THÈSE NO 5833 (2013)
PRÉSENTÉE LE 30 JUILLET 2013
À LA FACULTÉ DES SCIENCES DE BASE
LABORATOIRE DE CHIMIE ET BIOCHIMIE COMPUTATIONNELLES
PROGRAMME DOCTORAL EN CHIMIE ET GÉNIE CHIMIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Manuel DöMER
acceptée sur proposition du jury:
Prof. K. Johnsson, président du jury
Prof. U. Röthlisberger, directrice de thèse
Prof. M. Dal Peraro, rapporteur
Prof. T. Frauenheim, rapporteur
Dr A. P. Seitsonen, rapporteur
Suisse
2013

Acknowledgements
Iwouldliketoexpressmygratitudetoallthepeoplewhohavesupportedmealongthewayof
thisthesis.
IthankmysupervisorUrsulaforacceptingmeasaPhDcandidateinhergroupandgivingme
theopportunityandfreedomtodelveintosomanyareasofcomputationalchemistry.Ialso
thankKaiJohnson,ThomasFrauenheim,AriSeitsonenandMatteoDalPeraroforjoiningthe
thesisjury.
FromtheLCBCIwillrememberIvanoasagreatcharacterwithanadmirablecalmnesswho
openedtheCPMDboxforme.Forthehelpontheinitialtightbindingprojectmythanksgoto
JanandtheworkonQM/MMforcematchingwouldnothavebeenpossiblewithoutPatrick.
AlsowithElisa,PabloandMatteoIhavehadawonderfultimeworkingonprojectsthattook
offbasedonfriendshipandthepassionforsolvingproblems. Indeed,theacademicworld
hasconnectedmewithsomanygreatpeople-beitasofficemates,atthecoffeetableorthe
bar:SuchasBasile,Tom,Stefano,Felipe,Bruno,EnricoandJulian.Ialsohavetothankthree
greatfriendsfortriggeringmycuriosityforcomputationalsciencesinthefirstplace:Bettina,
ThomasandDaniele.
BesidesworkingontheprojectsofmythesisIenjoyedmydutiesasateachingassistantandto
supportstudentswiththeirsemesterprojects.IprobablylearnedmorefromSebastianthan
hedidfromme!
Iwouldnotevenbeherewithoutthesupportofmyparents,MichaelandAngelika,mybrother
JulianandIsabelle.Ithankyouforbelievinginmeandjustbeinginmylife.Thisextendsto
CathrinandPipe,thinkingofallthewonderfulmomentswehaveshared.
Lausanne,29Mai2013 M.D.
iii

Abstract
The predictive power ofmoleculardynamicssimulations is determinedby the accessible
systemsizes,simulationtimesand,aboveall,theaccuracyoftheunderlyingpotentialenergy
surface.Tremendousprogresshasbeenachievedinrecentyearstoextendthesystemsizesvia
multi-scaleapproachesandtheaccessiblesimulationtimesbyenhancedsamplingtechniques.
Suchimprovementsonthesamplingissuesshiftthefocusofdevelopmentontheaccuracyof
thepotentialenergysurface.
Afirstgoalofthisthesiswastoassesstheaccuracylimitsofavarietyofcomputationalmethods
rangingfromclassicalforcefieldsovertheself-consistent-chargedensityfunctionaltight-
binding method (SCC-DFTB), various density functional theory (DFT) methods, to wave
functionbasedabinitiomethodsinidentifyingthecorrectlowestenergystructures. Asex-
perimentalbenchmarkdatatoassesstheperformanceofdifferentcomputationalmethods
weusedhigh-resolutionconformer-selectivevibrationalspectra,measuredbycold-ionspec-
troscopy,ofprotonatedtryptophanandgramicidinSinthegroupofT.RizzoatEPFL.These
studiesshowedthatmostempiricalforcefieldsperformedratherpoorlyindescribingthe
correctrelativeenergeticsofthesemolecules,possiblyduetothelimitedtransferabilityof
theirunderlyingparameters.
Withthegoaltoincreasetheaccuracyofclassicalmolecularmechanicsforcefieldsweimple-
mentedarecentlydevelopedforce-matchingprotocolforanautomatedparametrisationof
biomolecularforcefieldsfrommixedquantummechanics/molecularmechanics(QM/MM)
referencecalculationsintheCPMDsoftwarepackage.Suchaforcefieldhasanaccuracythat
iscomparabletotheQM/MMreference,butatthegreatlyreducedcomputationalcostofthe
MMapproach.WehaveappliedthisprotocoltoderiveinsituFFparametersfortheretinal
chromophoreinrhodopsinembeddedinalipidbilayer.
Inasimilareffort,weemployediterativeBoltzmanninversiontoderiverepulsivepotentialsfor
SCC-DFTB.WeusedreferencedataattheDFT/PBEleveltoderivehighlyaccurateparameters
forliquidwateratambientconditions,aparticularlychallengingcaseforconventionalSCC-
DFTB.Thenewlydeterminedparameterssignificantlyimprovedthestructuralanddynamical
propertiesofliquidwaterattheSCC-DFTBlevel.
Inathirdprojectofthethesisweexploredpossibleaccuracyimprovementsinthecontext
of DFT methods. Dispersion Corrected Atom Centered Potentials (DACPs) are a recently
developedmethodtocurethefailureofDFTmethodswithinthegeneralisedgradientapproxi-
mationtodescribedispersioninteractions. Here,wecomplementedtheexistinglibraryof
DCACPparametersbythehalogensandcomparedtheperformanceofvariousdispersion
v
Abstract
correctedDFTmethodsinreproducinghigh-levelbenchmarkcalculationsonweaklybound
prototypecomplexesinvolvinghalogenatoms.
Keywords: MolecularDynamics,MolecularMechanics,TightBinding,DensityFunctional
Theory,QM/MM,ForceMatching,IterativeBoltzmannInversion,DispersionInteractions.
vi
Kurzbeschreibung
DieVoraussagekraftvonMolekulardynamik-SimulationenwirddurchdiezugänglichenSy-
stemgrössen,SimulationszeitenundvorallenDingendurchdieGenauigkeitderihnenzu-
grundeliegendenPotentialoberflächenbestimmt.IndenletztenJahrenkonntendieSystem-
grössenmitHilfevonMulti-Skalen-MethodenunddieSimulationszeitenüberverbesserte
Sampling-Verfahrenerheblicherweitertwerden.DieseFortschrittelenkendenFokusweiterer
EntwicklungenimmermehraufdieGenauigkeitderPotentialoberflächen.
EinerstesZieldieserDissertationwar,dieGenauigkeiteinerAuswahlvoncomputergestützten
Methoden in der Vorhersage der stabilsten Struktur biologisch relevanter Moleküle beur-
teilen zu können. Die verwendetenMethoden reichtenvonklassischen Kraftfeldern über
dieSelf-Consistent-ChargeDensityFunctionalTight-Binding(SCC-DFTB)Methodeundver-
schiedenenDichtefunktionaltheorie(DFT)MethodenbishinzuWellenfunktions-basierten
abinitio-Methoden.AlsexperimentelleReferenz-DatenzurBeurteilungderverschiedenen
Methodenwurdenhoch-aufgelöstekonformations-spezifischeSchwingungsspektrenvon
protoniertem Tryptophan und Gramicidin S bei Temperaturen um ≈10 K, welche in der
GruppevonT.RizzoanderEPFLaufgenommenwordenwaren,verwendet.DieseUntersu-
chungenhabengezeigt,dassdiemeistenempirischenKraftfelder,möglicherweiseaufgrund
derbegrenztenTransferabilitätderenthaltenenParameter,unterGasphasenbedingungen
dierelativenEnergienunterschiedlicherKonformationendieserMolekülerelativschlecht
beschreiben.
MitdemZiel,dieGenauigkeitklassischerKraftfelderzuverbessern,habenwireinekürzlich
entwickelteForce-Matching-MethodezurautomatischenParameterisierungbiomolekularer
Kraftfelder,basierendaufkombiniertenQuantenmechanik/Molekülmechanischen(QM/MM)
Referenz-Rechnungen,imSoftware-PacketCPMDimplementiert.EinsolchesKraftfeldhat
einederQM/MMReferenz-MethodevergleichbareGenauigkeit,allerdingswirdnurderdeut-
lichkleinereRechenaufwandderMM-Methodebenötigt.DiesesVerfahrenwurdenunzur
Bestimmung von in situ-Parametern für Retinal in Rhodopsin, eingebettet in einer Lipid-
Doppelmembran,verwendet.
IneinerähnlichenStudiewurdedieMethodederiterativenBoltzmann-Inversionangewen-
det,umRepulsiv-PotentialefürdieSCC-DFTBMethodezuparameterisieren.Dabeiwurden
DFT/PBE Referenz-Rechnungen benutzt, um hochgenaue Parameter für flüssiges Wasser
beiNormalbedingunenzubestimmen,welcheseinbesondersanspruchsvollesSystemfür
konventionellesSCC-DFTBdarstellt.MitHilfederneuenParameterkonntendiestrukturellen
unddynamischenEigenschaftenvonflüssigemWasser,wiesievomSCC-DFTBbeschrieben
vii
Abstract
werden,deutlichverbessertwerden.
IneinemdrittenProjektdieserDoktorarbeitwurdenmöglicheVerbesserungeninderGe-
nauigkeit von DFT-Methoden erkundet. Mit Hilfe der kürzlich entwickelten Methode der
dispersionskorrigiertenatomzentriertenPotentiale(DCACP)könnenFehlervonDFTMetho-
den,welcheaufderverallgemeinertenGradienten-Näherungbasieren,beiderBeschreibung
vonDispersions-Wechselwirkungenbehobenwerden.IndervorliegendenArbeitwurdedie
bereitsvorhandeneBibliothekvonDCACP-ParameternumdieHalogeneergänztunddie
Leistungunterschiedlicherdispersions-korrigierterDFT-Methodengegenüberhochgenauen
Referenz-Rechnungenanprototypischen,schwachgebundenenHalogen-Komplexenvergli-
chen.
Stichwörter:Molekulardynamik,Molekülmechanik,TightBinding,Dichtefunktionaltheorie,
QM/MM,ForceMatching,IterativeBoltzmann-Inversion,Dispersions-Wechselwirkungen.
viii
Contents
Acknowledgements iii
Abstract(English/Deutsch) v
ListofFigures xi
ListofTables xiv
Introduction 1
1 TheoreticalBackground 7
1.1 TheMolecularHamiltonian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 DensityFunctionalTheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Self-ConsistentChargeDensityFunctionalTightBinding(SCC-DFTB) . . . . . 13
1.4 MolecularMechanicsForceFields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 QuantumMechanical/MolecularMechanics(QM/MM) . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6 MolecularDynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2 AssessmentofComputationalMethodstoDetermineLowEnergyConformationsof
Biomolecules 23
2.1 Cold-IonSpectroscopyandQuantumChemistry:ASuccessfulTandemtoDeter-
mineLowEnergyStructuresofBareandMicrosolvatedProtonatedTryptophan 23
2.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3 ResultsandDiscussion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.4 DeterminationoftheLowestEnergyConformersof[TrpH]+ . . . . . . . 27
2.1.5 SummaryofthePerformanceofDifferentComputationalMethodsto
ReproduceCBS-CEnergetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.1.6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2 DeterminationoftheIntrinsicStructureofGramicidinS . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3 AssessingthePerformanceofComputationalMethodsforthePredictionofthe
GroundStateStructureofGramicidinS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.3 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
ix
Contents
2.3.4 DiscussionandConclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3 DerivingMolecularMechanicsForceFieldParametersbyForceMatchingfromDFT/MM
Calculations 61
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1 QM/MMForceMatching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2 ImplementationinCPMDandPracticalRemarks . . . . . . . . . . . . . . 67
3.2.3 ComputationalDetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.3 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.3.1 FitofAtomicPointCharges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.3.2 TheBondedParameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
3.3.3 Performanceofthenewforcefield . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4 ImprovingSCC-DFTBParametersbyIterativeBoltzmannInversion 81
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.1 TheRepulsivePotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.2 TheIterativeBoltzmann-InversionSchemeAppliedtoRepulsiveSCC-
DFTBPotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.2.3 ComputationalDetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.4 AnalysisMethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4.3 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.1 ParameterisationoftheRepulsivePotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.2 StructuralProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.3.3 DynamicalProperties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
4.3.4 WaterDimer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
4.4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5 IntricaciesofDescribingWeakInteractionsInvolvingHalogenAtomsUsingDensity
FunctionalTheory 97
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.2 Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.2.1 DispersionCorrectedAtomCenteredPotentials(DCACPs)andCalibration 99
5.2.2 ComputationalDetails . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
5.2.3 StatisticalQuantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3 ResultsandDiscussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.3.1 Performancefor(X ) Complexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2 2
5.3.2 PerformanceforX −ArComplexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
2
5.3.3 PerformancefortheH CX···OCH Complexes . . . . . . . . . . . . . . . 105
3 2
5.3.4 SummaryofthePerformanceoftheDifferentMethods . . . . . . . . . . 107
5.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
x