中文摘要：

要准确地模拟生物体系的结构，功能及动力学过程，除了模拟生物分子体系自身以外，还必须描述生物分子体系和其周围水分子的相互作用。以泊松波尔兹曼方法为代表的隐性溶液方法用平均场近似来描述生物分子体系与水分子的相互作用，有效减小了所必需 模拟体系的规模，使得在现有硬件条件下模拟更大的生物体系成为可能。现阶段限制泊松波尔兹曼方法应用到生物分子动力学研究中的主要因素有2个1）生物体系与溶液之间界面确定的高耗时性及不连续性；2）介质界面力计算的不稳定性。本项目拟围绕以上2个问题开展研究以传统硬球模型为标准，用原子虚拟密度函数的方法快速构建生物分子与溶液的连续界面；并在此基础上结合Maxwell stress tensor理论，规避以往介质界面力方法中的奇点问题，开发基于界面极化电荷的介质界面力计算方法。此外，用新的方法研究具体的生物分子体系结构及生物分子体系与纳米体系的相互作用。

结论摘要：

以泊松波尔兹曼方法为代表的隐性溶液方法用平均场近似来描述生物分子体系与水分子的相互作用，有效减小了所必需 模拟体系的规模，使得在现有硬件条件下模拟更大的生物体系成为可能。本项目针对现阶段限制泊松波尔兹曼方法应用到生物分子动力学研究中的2个主要问题进行研究1）生物体系与溶液之间界面确定的高耗时性及不连续性；2）介质界面力计算的不稳定性。我们以传统硬球模型为标准，用原子虚拟密度函数的方法快速构建生物分子与溶液的连续界面，其界面确定速度达到了硬球模型的3到4倍，我们在原有基础上改进此密度函数，并采用更多不同结构的有机生物分子做校准样品，让其能够适应不同半径的溶液分子，使此密度函数具有很好的普适性；结合Maxwell stress tensor理论，规避以往介质界面力方法中的奇点问题，开发了一种新的基于界面极化电荷的介质界面力计算方法；从力的原始定义出发，即体系溶剂化自由能的负导数，我们对密度函数以相关的原子坐标做合理的偏微分结合链式法则把介质界面力合理分配到相关原子上，让体系原子的受力符合客观的物理规律，使泊松波尔兹曼方法成功应用到生物体系的分子动力学的模拟研究中。此外，我们用新的方法研究具体生物分子体系及一系列纳米体系，计算结果表明本项目发展的新方法是可靠有效的。