سیستم­های بیولوژیک اغلب سیستم­هایی با تعداد ذرات زیاد و پیچیده هستند. همین پیچیدگی امکان کاهش درجات آزادی[۱] به چند پارامتر محدود را غیرممکن می­کند. دمای مطلوب برای چنین سیستم­هایی نزدیک به K300 است. بنابراین اثرات آنتروپیک[۲] نیز به طور مشخص در ترمودینامیک چنین سیستم­هایی دخیل هستند. برای در نظرگرفتن تمام این موارد، باید به دنبال روشی بود تا بتواند تمام درجات آزادی را لحاظ کرده و توانایی توضیح کامل سیستم را داشته باشد. در پنجاه سال اخیر با کمک بیولوژی ساختاری، محققان توانستند مدل­های اتمی بسیاری از مولکول­هایی که برای حیات الزامی هستند، شامل پروتئین­ها، نوکلئیک و ریبونوکلئیک­ اسیدها را تعیین کنند. ساختارهای مولکولی تعیین­ شده بوسیله روش کریستالوگرافی و دیگر تکنیک­های مورد استفاده همچون NMR به طور گسترده مورد استفاده محققان حوزه­ های مختلف قرار گرفته ­است. اما در واقعیت، این ساختار­های مولکولی برخلاف آنچه در کریستالوگرافی بدست می­ آید کاملا انعطاف­پذیر هستند و دینامیک مولکولی آنها برای عملکردشان حیاتی است. برای مثال پروتئین­ها در طول عمرشان تغییرات کانفورماسیونی مختلفی را تجربه می­کنند. از فولدینک ساختارهای دوم، سوم و چهارم گرفته تا تغییرات کانفورماسیونی که منجر به عملکردهای متفاوت یک پروتئین در فرایندهای کاتالیتکی می­شود. در اکثر موارد تنها با در نظرگرفتن دینامیک این فرایندها درک بهتری از عملکرد یک زیست مولکول امکان­پذیر می­شود. تکنیک­های تجربی که امکان بررسی دینامیک زیست مولکول­ها را فراهم می­کنند محدود به تجزیه زمانی هستند و اغلب اطلاعاتی در مورد میانگین ساختاری در طول یک بازه زمانی را به جای اطلاعات ساختاری مجزا ارائه می­دهند. یک روش جایگزین برای مشاهده تجربی استفاده از قوانین فیزیکی برای محاسبه ویژگی­های دینامیکی زیست مولکول­ها می­باشد

UANLSimulation2

روش استاندارد برای محاسبه دینامیک ماکرومولکول­ها، شبیه­ سازی دینامیکی با لحاظ ­کردن تمام اتم­ها است که در آن سیستم بیولوژیک مورد نظر در قالب زمانی براساس مکانیک کلاسیک نمایش داده می­شود. نمایش سیستم در هر لحظه نیازمند مشخص ­بودن پارامترهای موقعیت، سرعت و نیروی بین ذرات تشکیل ­دهنده سیستم است.

فرض­های به کارگرفته ­شده در شبیه­ سازی محددیت­هایی را به این روش تحمیل می­کند که در محاسبات کوآنتوم مکانیک با آنها مواجه نخواهیم شد. به طور مشخص اگر برای توصیف یک پیوند از پتانسیل هارمونیک استفاده شود، امکان شکستن پیوند در جریان شبیه ­سازی وجود ندارد. همینطور هیچ پیوند جدیدی نیز تشکیل نخواهد شد. بنابراین واکنش­های شیمیایی را نمی­توان با استفاده از رویکرد میدان ­نیرو بررسی کرد.

[۱] Degrees of freedom

[۲] Entropic effect

[۳] Flexible