Entwicklung einer neuen Simulationsmethode für rare events

Hochdimensionale Probleme in der Chemie, der Physik und der Biologie sind eine Herausforderung für die Methodenentwicklung von Computersimulationen. Computer-simulationen von Prozessen in hochdimensionalen Systemen erfordern die Auswertung einer Vielzahl von Konfigurationen. Der Aufwand solcher Auswertungen ist oft zu gross, kann aber stark reduziert werden wenn eine angemessene Samplingstrategie gewählt wird. Für viele interessante Prozesse wird der Rechenaufwand durch Rare Events bestimmt, also durch Ereignisse, die mit einer sehr kleinen Wahrscheinlichkeit während des Prozesses vorkommen. Computersimulationsmethoden, die das Problem der Rare Events überwinden, können den Aufwand einer Simulation signifikant reduzieren. Das hier präsentierte Projekt hat zwei Zielsetzungen: Das erste Ziel ist die Entwicklung einer neuen, effizienteren Simulationsmethode, welche die Vorteile zweier komplementärer Methoden, Transition Path Sampling und Infinite Swapping, verbindet. Das zweite Ziel ist die Anwendung dieser neuen Methode auf Konformationsänderungen in biologischen Makromolekülen. Die neue Samplingstrategie ist darauf ausgelegt, das Problem der Rare Events effizient zu lösen. Rare Events sind charakteristisch für Konformationsänderungen in Biomolekülen, kommen aber auch in vielen anderen Anwendungsgebieten vor. Aus diesem Grund sollte die neue Simulationsmethode ziemlich allgemein und potentiell auf verschiedene wissenschaftliche Gebiete anwendbar sein. Biologische Makromolekülen sind eine Herausforderung für Simulationsmethoden wegen der grossen Anzahl von Freiheitsgraden in biologischen Systemen und wegen des weiten Bereichs von Zeiträumen, in denen sich biologische Prozesse abspielen. Viele biologische Prozesse sind in direkten Simulationen gar nicht oder nur in grober Näherung zugänglich, deshalb werden für diese Probleme effiziente Samplingmethoden gebraucht. Detailliertes Wissen über Konformationsänderungen in Biomolekülen ist wichtig für das Verständnis der Funktionsweise von Proteinen, da funktionale Prozesse von Proteinen Konformationsänderungen beinhalten, z. B. beim Bindungsprozess eines Liganden an ein Protein oder beim Übergang zwischen der aktiven und der inaktiven Form eines Enzyms. In diesem Projekt werden zwei interessante Systeme mit funktionalen Konformationsänderungen berücksichtigt, nämlich die allosterische Hemmung von HIV-1 Protease und der strukturelle Wechsel zwischen der aktiven und der inaktiven Form der Cyclin-abhängigen Kinase.