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Accès ouvert déclaré 2023 article

Bridging semiempirical and ab initio QM/MM potentials by Gaussian process regression and its sparse variants for free energy simulation

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Résumé fourni par la source

Free energy simulations that employ combined quantum mechanical and molecular mechanical (QM/MM) potentials at ab initio QM (AI) levels are computationally highly demanding. Here, we present a machine-learning-facilitated approach for obtaining AI/MM-quality free energy profiles at the cost of efficient semiempirical QM/MM (SE/MM) methods. Specifically, we use Gaussian process regression (GPR) to learn the potential energy corrections needed for an SE/MM level to match an AI/MM target along the minimum free energy path (MFEP). Force modification using gradients of the GPR potential allows us to improve configurational sampling and update the MFEP. To adaptively train our model, we further employ the sparse variational GP (SVGP) and streaming sparse GPR (SSGPR) methods, which efficiently incorporate previous sample information without significantly increasing the training data size. We applied the QM-(SS)GPR/MM method to the solution-phase SN2 Menshutkin reaction, NH3+CH3Cl→CH3NH3++Cl-, using AM1/MM and B3LYP/6-31+G(d,p)/MM as the base and target levels, respectively. For 4000 configurations sampled along the MFEP, the iteratively optimized AM1-SSGPR-4/MM model reduces the energy error in AM1/MM from 18.2 to 4.4 kcal/mol. Although not explicitly fitting forces, our method also reduces the key internal force errors from 25.5 to 11.1 kcal/mol/Å and from 30.2 to 10.3 kcal/mol/Å for the N-C and C-Cl bonds, respectively. Compared to the uncorrected simulations, the AM1-SSGPR-4/MM method lowers the predicted free energy barrier from 28.7 to 11.7 kcal/mol and decreases the reaction free energy from -12.4 to -41.9 kcal/mol, bringing these results into closer agreement with their AI/MM and experimental benchmarks.

Ce résumé expose les affirmations des auteurs. BNTIC ne l’interprète pas comme une validation indépendante des résultats.

Contrôle bibliographique ouvert

DOI retrouvé dans Crossref DOI retrouvé, mais le titre doit être comparé manuellement.

Titre Crossref
Bridging semiempirical and <i>ab initio</i> QM/MM potentials by Gaussian process regression and its sparse variants for free energy simulation
Date Crossref
02/08/2023
Éditeur
AIP Publishing
Type
journal-article

Ce recoupement confirme des métadonnées liées au DOI. Il ne confirme ni la méthode ni les conclusions de l’étude et ne compte pas comme une seconde source scientifique indépendante.

Institutions déclarées

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Sujets associés

Machine Learning in Materials ScienceProtein Structure and DynamicsComputational Drug Discovery Methods

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