Multiscale Computational Modeling of Biomolecular Systems

Denne afhandling beskriver nye teoretiske udviklinger indenfor modellerne polarizable embedding (PE) og polarizable density embedding (PDE), med et særligt fokus på at forbedre modellernes anvendelsesmuligheder og beregningsmæssige effektivitet. PE-modellen er en avanceret polariserbar model
som er designet til at beskrive kemiske omgivelser. Modellen gør det muligt at beskrive effekten af kemiske omgivelser indenfor hybride QM/MM beregninger med høj nøjagtighed. I PE beskrives
effekten af omgivelserne på et atomistisk niveau ved hjælp af en multi-center multipolekspansion samt distribuerede atomiske polariserbarheder. PE-modellen har særligt fokus på molekylære responsegenskaber og spektroskopi, hvor modellen især er blevet brugt til beskrive effekten af solventer og biomolekylære omgivelser. PDE-modellen er en videreudvikling af PE-modellen, og har en forbedret beskrivelse af elektrostatiske effekter. Derudover beskriver modellen også ikke-elektrostatiske Pauli
frastødningseffekter, som er særligt vigtige til at håndtere problemer med udslip af elektroner fra QMregionen. Den teoretiske baggrund for PE- og PDE-modellerne bliver skitseret og deres effektivitet og nøjagtighed til praksiske beregninger bliver diskuteret.


For PDE-modellen bliver en videreudvikling til håndtering af store biomolekylære systemer fremsat og undersøgt. Med denne udvikling kan PDE-modellen endelig blive brugt til at beskrive store, biomolekylære miljøer som f.eks. proteiner. Den beregningsmæssige effektivitet af PE-modellen bliver gransket, og forbedringer til de mest tidskrævende dele af beregningerne bliver foreslået, programmeret og analyseret for deres effektivitet. Forbedringerne til PE-modellen vedrører en hurtigere løsning af polariseringsligningerne ved at bruge den hurtige multipolmetode til at få en lineært skalerende udregning af felterne fra de inducerede dipoler. Derudover bliver en række approksimationer til QM/MM interaktionen foreslået og testet for deres nøjagtighed og ydeevne. Med disse forbedringer er den beregningsmæssige effektivitet af PE-beregninger blevet stærkt forbedret. Disse
forbedringer tillader endelig rutinemæssige beregninger på enormt store biomolekylære systemer.