OPC3、OPC、TIP3P-FB、およびTIP4P-FB水モデルのための二価金属イオンの系統的パラメーター化

二価金属イオンは、生物学的および材料システムで重要な役割を果たします。Molecular Dynamicsシミュレーションは、顕微鏡レベルでこれらのシステムを調査するための効率的なツールです。最近、4つの新しい水モデル（OPC3、OPC、TIP3P-FB、およびTIP4P-FB）が開発され、以前のモデルよりも水の物理的特性をよりよく表しています。金属イオンパラメーターは採用されている水モデルに依存しているため、選択した新しい水モデルの金属イオンパラメーターを開発する必要があります。現在の作業では、4つの新しい水モデルと4つの以前の水モデル（TIP3P、SPC/E、TIP4P、およびTIP4P-に関連して、12-6レナードジョーンズのダイバルメタルイオンの非結合モデルのパラメータースキャンを実行しました。EW）。これらの新しい3点および4ポイントの水モデルは、同じカテゴリの以前の水モデルと比較した場合、二重金属イオンのシミュレーションの同等または大幅な改善性パフォーマンスを提供することがわかりました。8つの水モデルすべての中で、OPC3水モデルは、12-6モデルを使用する場合、水相での二価金属イオンのシミュレーションに最適な性能をもたらします。スキャン結果に基づいて、4つの新しい水モデルのそれぞれを使用して、24の二重金属イオンの12-6モデルを独立してパラメータ化しました。前述のように、12-6モデルは、これらの新しい水モデルであっても、実験的な水和自由エネルギー（HFE）とイオン酸素距離（IOD）値を同時に再現することができません。この問題を解決するために、4つの新しい水モデルのそれぞれに対して実験的なHFEとIOD値の両方を備えた16の二価金属イオンの12-6-4モデルをパラメータ化しました。最終的なパラメーターは、実験的HFEとIODの両方の値を正確に再現できます。パラメーターの転送可能性を検証するために、ベンチマーク計算を実行して、イオン水クラスターのエネルギーとジオメトリ、およびMg2+のイオン拡散係数を予測しました。量子化学の計算と実験データと比較すると、これらの結果は、私たちのパラメーターが適切に設計されており、優れた移動性を備えていることを示しています。本明細書で報告されている12-6および12-6-4モデルの金属イオンパラメーターは、OPC3、OPC、TIP3P-FB、またはTIP4P-FB水モデルを使用する場合、さまざまな生物学的および材料システムのシミュレーションで使用できます。

Divalent metal ions play important roles in biological and materials systems. Molecular dynamics simulation is an efficient tool to investigate these systems at the microscopic level. Recently, four new water models (OPC3, OPC, TIP3P-FB, and TIP4P-FB) have been developed and better represent the physical properties of water than previous models. Metal ion parameters are dependent on the water model employed, making it necessary to develop metal ion parameters for select new water models. In the present work, we performed parameter scanning for the 12-6 Lennard-Jones nonbonded model of divalent metal ions in conjunction with the four new water models as well as four previous water models (TIP3P, SPC/E, TIP4P, and TIP4P-Ew). We found that these new three-point and four-point water models provide comparable or significantly improved performance for the simulation of divalent metal ions when compared to previous water models in the same category. Among all eight water models, the OPC3 water model yields the best performance for the simulation of divalent metal ions in the aqueous phase when using the 12-6 model. On the basis of the scanning results, we independently parametrized the 12-6 model for 24 divalent metal ions with each of the four new water models. As noted previously, the 12-6 model still fails to simultaneously reproduce the experimental hydration free energy (HFE) and ion-oxygen distance (IOD) values even with these new water models. To solve this problem, we parametrized the 12-6-4 model for the 16 divalent metal ions for which we have both experimental HFE and IOD values for each of the four new water models. The final parameters are able to reproduce both the experimental HFE and IOD values accurately. To validate the transferability of our parameters, we carried out benchmark calculations to predict the energies and geometries of ion-water clusters as well as the ion diffusivity coefficient of Mg2+. By comparison to quantum chemical calculations and experimental data, these results show that our parameters are well designed and have excellent transferability. The metal ion parameters for the 12-6 and 12-6-4 models reported herein can be employed in simulations of various biological and materials systems when using the OPC3, OPC, TIP3P-FB, or TIP4P-FB water model.