miniaturadaimagem|Dinâmica molecular sendo usada para simular um nano-fio sendo estressado nas extremidades em direção oposto, de modo a aumentar sua dimensão no eixo principal. Dimensões: angstrom e femtossegundo. Dinâmica molecular (DM) é um método de simulação computacional que estuda o movimento físico dos átomos e moléculas das quais se conhecem o potencial de interação entre estas partículas e as equações que regem o seu movimento. Este método considera as partículas como sendo corpos macroscópicos que são afetados por forças como a da gravidade (ver Problema dos N-Corpos). Nestas simulações é permitido aos átomos e moléculas interagir por um período fixo de tempo, permitindo observar a evolução dinâmica do sistema. Nas versões mais comuns as trajetórias são determinadas pela resolução numérica das equações de movimento de Newton, enquanto que as forças entre as partículas e as suas energias potenciais são calculadas utilizando potenciais interatômicos ou campos de força criados através de métodos de mecânica molecular. O método foi originalmente desenvolvido na área da física teórica no final da década de 1950 mas atualmente é aplicada sobretudo a áreas como a química-física, ciência dos materiais e à modelação de biomoléculas.Fermi E., Pasta J., Ulam S., Los Alamos report LA-1940 (1955).
Como os sistemas moleculares tipicamente consistem num vasto número de partículas, é impossível determinar analiticamente as propriedades de sistemas complexos. As simulações de DM contornam este problema pelo recurso a métodos numéricos. No entanto, simulações longas de DM tornam-se mal-acondicionadas, gerando erro cumulativo de integração numérica que podem ser minimizados pela escolha de parâmetros e algoritmos apropriados, mas estes erros não podem ser completamente eliminados.
Para sistemas que obedecem à hipótese da ergodicidade, a evolução de uma única simulação de dinâmica molecular pode ser utilizada para determinar propriedades termodinâmicas macroscópicas do sistema: os intervalos de tempo médio correspondem às médias do conjunto microcanônico. A DM também é apelidada de "mecânica estatística numérica" e "Visão de Laplace da mecânica Newtoniana" para a previsão do futuro por animação das forças da natureza.de Laplace, P. S. (1820). Oeuveres Completes de Laplace, Theorie Analytique des Probabilites (in French). Paris, France: Gauthier-Villars. permitindo a visualização do movimento molecular à escala atômica. miniaturadaimagem|273x273px|Exemplo de simulação de dinâmica molecular em um sistema simples: deposição de um átomo de cobre (Cu) em um cristal frio de cobre (superfície de índice de Miller (001)). Cada círculo representa a posição de um átomo. A energia cinética do átomo se aproximando do topo é redistribuída entre os outros átomos, então, em vez de ricochetear, ela permanece ligada devido às forças de atração entre os átomos. É tentador, embora não inteiramente preciso, descrever a técnica como um "microscópio virtual" com alta resolução temporal e espacial, mas com vantagem de ver fenômenos físicos em escalas muito mais rápidas do que o olho humano pode perceber, como femtossegundos, ou mesmo muito menor do que microscópios podem ver, na escala de angstrom; formação de "pescoço" em nanofios, ou mesmo movimento de receptores em células dos seres vivos ocorrem em femtosegundos. Para compreender os fenômenos físicos da DM é possível utilizar as ferramentas de realidade virtual (RV) e sonificação, as quais oferecem a possibilidade de vivenciar a escala nano, e criar uma intuição sobre os processos dinâmicos nessa escala, usualmente bastante distinta da que vivemos cotidianamente.
História As simulações de dinâmica molecular tiveram início nos anos 1950, seguindo os sucessos das simulações de Monte Carlo, datadas do Séc XVIII vide problema da agulha de Buffon, mas foi popularizado para mecânica estatística no Laboratório Nacional de Los Alamos por Rosenbluth e Metropolis no que é conhecido hoje como algoritmo Metropolis-Hastings. O interesse em problemas físicos com muitos corpos é ainda mais antigo. Desde Newton, com grande foco no estudo da mecânica celeste e do estudo da estabilidade dos corpos do sistema solar. Os métodos desenvolvidos neste período são até hoje aplicados em dinâmica molecular, como o algoritmo de integração Verlet, usado desde 1791 por Jean Baptiste Joseph Delambre. Sem os computadores de hoje, os cálculos na época eram feitos totalmente “à mão”.
Em 1941 já eram utilizados computadores analógicos na integração das equações de movimento de muitos corpos, e conforme o avanço da tecnologia se seguia, o interesse da física de muitos corpos expandiu-se para além de sistemas gravitacionais para o estudo das propriedades microscópicas da matéria. Fermi, buscando entender a origem da irreversibilidade, propôs em 1953, e publicou em 1955, o uso do computador MANIAC I, no Laboratório Nacional de Los Alamos, para resolver as equações de movimento de muitos corpos sujeitos a forças distintas; este trabalho é conhecido como problema Fermi-Pasta-Ulam-Tsingou.
Já em 1957, Alter e Wainwright utilizaram um computador IBM 704 para simular colisões elásticas perfeitas entre esferas rígidas. Em 1960, Gibson et al. realizou simulações do dano causado pela radiação em átomos de cobre sólido utilizando interação repulsiva do tipo Born-Mayer, juntamente com uma força coesiva. Em 1964, Aneesur Rahman publicou simulações de dinâmica molecular em argônio líquido, utilizando um potencial do tipo Lennard-Jones. Os valores obtidos para as propriedades do sistema como coeficiente de autodifusão foram compatíveis com os dados experimentais.
Áreas de aplicação e limitações Tendo começado como um ramo da Física teórica, o método de DM ganhou popularidade na ciência dos materiais e desde a década de 1970 também nas áreas da bioquímica e da biofísica. A DM é frequentemente utilizada para o melhor estruturas tridimensionais de proteínas e outras macromoléculas obtidas por análises experimentais por cristalografia de Raios-X ou por NMR. Em física, a DM é utilizada para examinar a dinâmica de fenômenos ao nível atômico que não podem ser observados diretamente, como o crescimento de micropelículas ou subplantação iônica. Também é utilizada para examinar as propriedades físicas de dispositivos nanotecnológicos que ainda não foram ou não ainda podem ser criados. Em biofísica e biologia estrutural este método é mais frequentemente aplicado ao estudo do movimento de macromoléculas biológicas como é o caso das protéinas e dos ácidos nucleicos, o que pode ser útil para a interpretação de resultados de experiências biofísicas ou para a modelação de interações com outras moléculas como no caso dos acoplamentos moleculares. Por princípio a DM pode ser utilizada para previsões ab initio de estruturas proteicas através da simulação do enovelamento das proteínas de uma cadeia polipeptídica a partir de uma conformação aleatória.
Os resultados de simulações de DM podem ser testados através da comparação com dados experimentais que analisem dinâmica molecular, dos quais um dos mais populares é a espectroscopia de ressonância magnética nuclear. Estruturas derivadas de DM podem ser testadas em eventos como o CASP que são abertos a toda a comunidade científica a nível mundial. o CASP (Critical Assessment of protein Stucture Prediction) ocorre todos a cada dois anos desde 1994 e permite aos grupos de investigadores testar os métodos de determinação de estruturas e os seus resultados permitindo assim uma avaliação imparcial do estado da arte na modelação de proteínas para a comunidade de investigação e utilizadores dos softwares. Michae Levitt, cujo nome está associado a um prêmio Nobel em parte pela aplicação de DM a proteínas, escreveu em 1999 que os participantes do CASP geralmente não utilizavam o método devido ao "constrangimento geral da mecânica molecular, nomeadamente que a minimização energética ou a dinâmica molecular geralmente levam a um modelo que é mais improvável que as estruturas experimentais."Koehl, P.; Levitt, Michael (1999). "A brighter future for protein structure prediction". Nature Structural Biology. 6: 108–111 O desenvolvimento dos recursos computacionais permitindo o cálculo de trajetórias de DM mais longas e em maior quantidade, combinadas com os melhoramentos atuais da qualidade dos parâmetros dos campos de força, permitiram algumas melhorias na performance tanto na determinação de estruturas como na refinação de modelos de homologia, sem que se atingisse o ponto de utilização prática nestas áreas; muito deste trabalho identifica parâmetros de campo de força como uma área chave para um maior desenvolvimento.
As limitações no método estão relacionadas não apenas com os conjuntos de parâmetros em uso, mas também com a própria mecânica molecular dos campos de força. Uma única corrida de uma simulação de DM optimiza a energia potencial em vez de optimizar a energia livre da proteína, o que implica que todas as contribuições entrópicas para estabilidade termodinâmica para a estrutura de uma proteína são negligenciadas. As contribuições negligenciadas incluem a entropia conformacional das cadeias polipeptídicas (que são o principal fator de desestabilização da estrutura da proteína) e as interações hidrofóbicas que são conhecidas como sendo as principais forças que levam ao enovelamento das proteínas.Hydrophobic interactions are mostly of entropic nature at room temperature Outro fator importante são as ligações de hidrogênio intramoleculares as quais não são explicitamente incluídas nos campos de força atuais, mas são descritos como interações de Coulomb de cargas atômicas pontuais. Esta é uma aproximação grosseira porque as ligações de hidrogênio têm em parte uma natureza de mecânica quântica. Além disso, as interações eletrostáticas são geralmente calculadas utilizando a constante dielétrica no vácuo, ainda que o meio aquoso envolvente tenha uma constante dielétrica muito superior. A utilização da constante dielétrica macroscópica para as pequenas distâncias interatômicas é questionável. Por fim, as interações de van der Waals em DM são geralmente descritas pelos potenciais de Lennard-Jones que se baseiam na teoria de Fritz London, no entanto estas apenas se aplicam ao vazio. No entanto, todos os tipos de forças de van der Waals são de origem eletrostática e portanto dependem das propriedades dielétricas do ambiente.Israelachvili, Jacob (1992). Intermolecular and surface forces. Academic Press, San Diego. A medição direta das forças atrativas entre diferentes materiais (na forma da constante de Hamaker) demonstra que "A interação entre hidrocarbonetos em meio aquoso é cerca de 10% da sua atracação no vazio". Normalmente negligência-se a dependência das forças de van der Waals em relação ao ambiente nas simulações, mas esta pode ser incluída se na simulação se criarem compôs de força polarizáveis.
Restrições Aplicacionais