水分子间的氢键网络赋予其独特的物理化学性质，直接调控蛋白质、核酸等生物大分子的构象稳定性与功能活性。基于分子力学的水模型的计算精度和计算效率很大程度上影响着生物大分子多尺度模拟的可靠性和可行性，推动着高精度和高效率的可极化水模型的持续发展。针对前述挑战，基于课题组多年来创立和发展的可极化化学键偶极模型，王长生教授团队构建了基于化学键偶极的可极化水模型(PBFF-WAT-2025)，该模型兼顾了计算精度和计算效率，为生物大分子体系在水溶液下的多尺度模拟提供了一种新方法。
不同于其他以原子为位点模拟体系静电作用的经典的固定电荷TIP3P、可极化的AMOEBA03、HIPPO水模型方法，该方法将每个键偶极上同时分配了化学键固有偶极和化学键诱导偶极。通过计算化学键偶极间的相互作用同时求得静电作用和极化作用，在不损失计算效率的前提下，为模型引入显式极化作用。模型势能函数引入的轨道相互作用项可以有效捕捉氢键的方向性特征及静电作用中的关键各向异性。通过在物理准确性与计算效率之间取得良好平衡，PBFF-WAT-2025模型为水溶液及生物分子体系的长时间尺度、大体系模拟提供了一个兼具迁移性与实用性的理论框架。
Graphic Abstract
Figure1. Deviations of the total three-body interaction energies of water clusters obtained from different methods compared to the CCSD(T) reference data.
三体相互作用本质上具有非加和性，主要源于极化效应。在极化力场模型中，不同方法对三体相互作用能的描述能力存在差异。Figure1(原文Figure 2)展示了MP2/aug-cc-pVDZ、AMOEBA03、HIPPO和PBFF-WAT-2025水模型计算纯水团簇的总三体作用能与高精度的CCSD(T)方法的误差。图中结果表明，PBFF-WAT-2025水模型可以在不同尺寸团簇中均保持优异的一致性，在多体极化效应的描述方面展现出卓越的稳定性与迁移能力。
Figure 2. Self-diffusion coefficients (10-5 cm2/s) versus temperatures (ranging from 249.15 to 373.15 K) curves calculated by different water models
Figure 2[原文Figure 4(f)]的结果表明，PBFF-WAT-2025水模型的显著优势在于其能准确捕捉自扩散系数随温度变化的趋势，可靠的重现性(yexp=0.9407xPBFF-WAT-2025－0.6653,R²=0.999)可归因于PBFF-WAT-2025水模型纳入了描述氢键体系的轨道作用，准确描述了液态水体系的分子间作用力随温度变化的动态转换。PBFF-WAT-2025水模型基本捕捉了液态水的扩散行为，能够高效可靠地筛选不同环境条件下扩散系数的相对速度，或探索微观分子机制。
Figure3. Scaled speed ratios for single-thread molecular dynamics simulations using different water models.
Figure 3 [原文Figure6(a)]对比了不同水模型随着模拟体系的增大，其计算开销的增长趋势。结果表明，随着模拟系统规模的增大，水模型的计算开销随之增大。Original TIP3P、Modified TIP3P及PBFF-WAT-2025水模型呈现低线性增长趋势，而AMOEBA03、AMOEBA14和HIPPO水模型则呈现出陡峭的增长趋势。随着模拟体系规模的增大，Original TIP3P、Modified TIP3P及PBFF-WAT-2025水模型在计算速度上更具优势。综合来看，PBFF-WAT-2025水模型的线性增长趋势和较低的计算效率，使其成为兼顾计算精度与计算效率的可极化水模型。在后续工作中，计划通过优化程序代码以及在AM1电荷计算中引入截断距离等方案进一步提升模型的计算效率。
祝佳怡(博士生)为该论文的第一作者，王长生教授为通讯作者。
DOI：10.1021/acs.jctc.5c00857
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//doi.org/10.1021/acs.jctc.5c00857