Effektives, polarisierbares Ladungsmodell für Simulationen

Der Computer dient Forschenden verschiedenster Fachrichtungen als Werkzeug zur Durchführung und Analyse von Experimenten. In vielen Bereichen der Chemie ist computerbasiertes Experimentieren/digitales Forschen unabdingbar. Das Nobelpreiskomitee hat erst vor kurzem die wichtige Stellung von Computersimulationen in der chemischen Forschung unterstrichen, als es den Nobelpreis für Chemie 2013 an M. Karplus, M. Levitt, und A. Warshel für deren Beiträge im Bereich der computergestützten Simulationen chemischer Systeme und deren Interaktionen, verlieh. Heutzutage steht der theoretischen Chemie eine Vielzahl verschiedener Werkzeuge zur Verfügung. In einer idealen Welt könnte immer die genauste Methode verwendet werden in der Realität ist das aber für alle relevanten Fragestellungen bedingt durch limitierte Computerleistungen nicht zu schaffen. Deshalb müssen theoretische Chemiker und Chemikerinnen vereinfachte Methoden entwickeln und heranziehen, die eine gute Balance zwischen Genauigkeit und Rechenzeit haben. Für die Simulation von Fragestellungen in der pharmazeutischen Arzneistoffentwicklung werden sehr oft Kraftfelder eingesetzt. Vor allem in den ersten Phasen der Medikamententwicklung wird diese Methode verwendet um vielversprechende Kandidaten für zukünftige Medikamente zu selektieren. Kraftfelder ermöglichen dabei die Simulation von Proteinen, die oft Ziele medikamentöser Behandlungen sind. Obwohl diese Technik seit 35 Jahren weiterentwickelt wird, sind manche Fehler aufgrund der getroffenen Näherungen nicht zu beseitigen. Darum haben sich in den letzten Jahren die Bemühungen verstärkt, Kraftfelder zu entwickeln, die eine genauere Beschreibung der zugrunde liegenden Physik erlauben. Eine der Hauptfehlerquellen aktueller Kraftfelder ist, dass Moleküle nicht auf ihre chemische Umgebung reagieren können, was keineswegs der Realität entspricht. Durch dieses Projekt soll eine neue Generation von Kraftfeldern, sogenannte polarisierbare Kraftfelder, weiterentwickelt werden. Diese erlauben Molekülen auf ihre Umgebung zu reagieren, womit sie die Wirklichkeit wesentlich genauer beschreiben. Ziel dieses Projektes ist die Weiterentwicklung eines stabilen, effizienten, und leicht handhabbaren, polarisierbaren Kraftfeldes. Anders als in der üblichen Kraftfeldentwicklung, wählen wir dazu einen vereinfachten Ansatz: die Funktionspalette eines bereits sehr populären, bestehenden Kraftfeldes wird ausgebaut, anstatt ein Kraftfeld von Grund auf neu zu entwickeln. Diese vereinfachte Herangehensweise macht sowohl die Anwendbarkeit von polarisierbaren Kraftfeldern leichter und effizienter, als auch die Genauigkeit der Methode besser ohne dabei viel mehr Rechenzeit zu benötigen. Da Kraftfelder vor allem Anwendung im Bereich der pharmazeutischen Chemie finden, ist unser Projekt besonders für den Bereich der modernen Arzneistoffentwicklung relevant.

Der Computer dient Forschenden verschiedenster Fachrichtungen als Werkzeug zur Durchführung und Analyse von Experimenten. In vielen Bereichen der Chemie ist computerbasiertes Experimentieren/digitales Forschen unabdingbar. Das Nobelpreiskomitee hat erst vor kurzem die wichtige Stellung von Computersimulationen in der chemischen Forschung unterstrichen, als es den Nobelpreis für Chemie 2013 an M. Karplus, M. Levitt, und A. Warshel für deren Beiträge im Bereich der computergestützten Simulationen chemischer Systeme und deren Interaktionen, verlieh. Heutzutage steht der theoretischen Chemie eine Vielzahl verschiedener Werkzeuge zur Verfügung. In einer idealen Welt könnte immer die genauste Methode verwendet werden - in der Realität ist das aber für alle relevanten Fragestellungen bedingt durch limitierte Computerleistungen nicht zu schaffen. Deshalb müssen theoretische Chemiker und Chemikerinnen vereinfachte Methoden entwickeln und heranziehen, die eine gute Balance zwischen Genauigkeit und Rechenzeit haben. Für die Simulation von Fragestellungen in der pharmazeutischen Arzneistoffentwicklung werden sehr oft Kraftfelder eingesetzt. Vor allem in den ersten Phasen der Medikamententwicklung wird diese Methode verwendet, um vielversprechende Kandidaten für zukünftige Medikamente zu selektieren. Kraftfelder ermöglichen dabei die Simulation von Proteinen, die oft Ziele medikamentöser Behandlungen sind. Obwohl diese Technik seit 35 Jahren weiterentwickelt wird, sind manche Fehler aufgrund der getroffenen Näherungen nicht zu beseitigen. Darum haben sich in den letzten Jahren die Bemühungen verstärkt, Kraftfelder zu entwickeln, die eine genauere Beschreibung der zugrunde liegenden Physik erlauben. Eine der Hauptfehlerquellen aktueller Kraftfelder ist, die relativ einfache Beschreibung der Elektrostatik. In diesem Projekt haben wir eine neue Methode entwickelt, mit der sich die Elektrostatik von Molekülen in Kraftfelder besser beschreiben lasst. Die entwickelte Methode basiert auf neueren und genaueren quantenchemischen Rechnungen und ist daher im Vergleich zu früheren Methoden nicht mehr auf eine vorteilhafte Fehlerkompensation angewiesen. In einem zweiten Teil des Projektes wurden Parameter für ein noch besseres elektrostatisches Modell entwickelt. Hierbei handelt es sich um ein sogenanntes polarisierbares Kraftfeld. Diese erlauben Molekülen auf ihre Umgebung zu reagieren, womit sie die Wirklichkeit wesentlich genauer beschreiben. Im Rahmen des Projektes wurden Parameter für ein stabiles, effizientes, und leicht handhabbares, polarisierbares Kraftfeld entwickelt. Anders als in der üblichen Kraftfeldentwicklung, wählten wir dazu einen vereinfachten Ansatz: die Funktionspalette eines bereits sehr populären, bestehenden Kraftfeldes wurde ausgebaut, anstatt ein Kraftfeld von Grund auf neu zu entwickeln.