¿Podemos simular completamente física molecular?

Question

Es de nuestro conocimiento de la física lo suficientemente completos como para alcanzar plenamente natural simulaciones de las interacciones moleculares en una simulación por ordenador? Qué tan lejos estamos?

La razón para la pregunta: me pregunto cuán lejos estamos de la simulación de células en un equipo. Supongo que esto sería posible una vez que hemos completado los modelos de interacciones físicas y químicas. Una vez que podemos simular las células en un ordenador y ejecutar cientos de experimentos simultáneamente, nuestro conocimiento de la biología de la célula podría comenzar a aumentar muy rápidamente, lo que nos permite, por ejemplo, descubrir las curas médicas más rápido.

Answer 1

Depende del nivel de la teoría de la que desea aplicar a una simulación.

Por ejemplo, el estado actual de la técnica de ab-initio de los cálculos para un solo de bajo ernergy ($\lt 10~eV$) de electrones acercarse e interactuar con una molécula puede hacer frente a tal vez de 20 a 40 de los electrones en la molécula objetivo. Tenga en cuenta que ab-initio cálculos contener, en principio, sin aproximaciones. Por lo tanto, las moléculas blanco con 10 o más átomos son muy difíciles de calcular por esta situación.

Muchas simulaciones de dinámica molecular pueden hacer frente a los 100 o incluso 1000, de moléculas pequeñas, pero tienen dos restricciones; normalmente tienen simplificado potenciales de interacción entre las moléculas y se puede ejecutar relativamente cortas escalas de tiempo - tal vez en el picosegundo de la gama de la mayoría. Así que para simular sistemas con miles de átomos necesitamos hacer aproximaciones. Simulaciones de dinámica Molecular se pueden hacer muchas predicciones del comportamiento de los átomos y las moléculas en el nivel molecular - tanto las interacciones físicas y químicas de las interacciones, pero lo hacen a costa de hacer algunas aproximaciones en la teoría, de modo que no son ab-initio.

Para simular una célula viva en el momento en que sólo sería posible si muchas aproximaciones y simplificaciones que se hicieron. Muchos más sería necesario que en los típicos simulaciones de dinámica molecular.

Para dar un ejemplo de las aproximaciones que serían necesarios para simular una celda, considere la posibilidad de plegamiento de la proteína. Las proteínas se sintetizan en las células como largas cadenas de aminoácidos. Estas cadenas espontáneamente se pliegan en su normalidad funcional de la forma. La comprensión de cómo se pliegan las proteínas, es un gran reto, y es notable que las proteínas se pliegan en formas individuales que tienen muy específicos y útiles funciones de la célula. Por lo tanto, para simular una célula entera, sería necesario hacer suposiciones acerca de cómo rápidamente las proteínas son producidas y doblar. No sería posible calcular el plegamiento de cada individuo de la proteína en la célula debido a que es bastante difícil reto en el momento de calcular el plegamiento de sólo una proteína.

Por lo que para calcular una célula entera, es todo un reto en el momento - y es imposible desde un"ab-initio"física punto de vista.

Es, sin embargo, un reto interesante para tener en cuenta - y algo de información útil se puede obtener a partir de la simulación de la celda, aunque muchos aproximaciones sería necesario simular.

Answer 2

La química computacional métodos han avanzado significativamente en los últimos 5-10 años, incluso mucho más precisa de la DFT métodos de mecánica cuántica dinámicos métodos (como el Coche Parrinello MD, y mejor dinámica molecular clásica técnicas.

Dicho esto, el trato con la dinámica molecular de las reacciones es un área activa de investigación. Tal vez la técnica más prometedora en el momento en que se ReaxFF un método de dinámica molecular capaz de manejar algunos tipos de reacción.

Hay varios grandes problemas sin resolver.

La principal, creo, es que tradicionalmente hemos diseñado cuántica mecánica y dinámica molecular de métodos para controlar el más estable, el estado del suelo de las especies. Que es, por definición, no especies reactivas.

Otro problema es el de muestreo. Por definición, las reacciones son eventos raros. Tan raro caso de las técnicas de muestreo son necesarios para manejar adecuadamente las estadísticas sin necesidad de enormes cantidades de tiempo de simulación.

Pero no creo que necesitamos totalmente precisa los métodos para comprender mucho acerca de las células. Como se ha mencionado por otras respuestas, hay más "de grano grueso" o de un conjunto de modelos que nos puede decir mucho también.