Method Article

الميزات الجديدة في Visual Dynamics 3.0

DOI:

10.3791/66964

⸱

August 9th, 2024

 ,  ,  ,  , 
1Bioinformatics and Medicinal Chemistry Laboratory (LABIOQUIM), Oswaldo Cruz Rondônia Foundation, 2National Institute of Epidemiology in the Western Amazon - EPIAMO, 3Postgraduate Program in Experimental Biology, Federal University of Rondônia (UNIR), 4Doctoral Program in Sciences - IOC/Fiocruz Rondônia Cooperation: Computational Biology and Systems (BCS)

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Visual Dynamics هي أداة مفتوحة المصدر تعمل على تسريع عمليات التنفيذ والتعلم في محاكاة الديناميات الجزيئية باستخدام Gromacs. سيرشدك البروتوكول المقدم خلال خطوات إجراء محاكاة بروتين ليجند معدة في ACPYPE بسهولة وخطوات عامة لنماذج المحاكاة الأخرى.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Visual Dynamics (VD) هي أداة ويب تهدف إلى تسهيل استخدام وتطبيق الديناميكيات الجزيئية (MD) المنفذة في Gromacs ، مما يسمح للمستخدمين الذين ليس لديهم معرفة حسابية بتشغيل عمليات محاكاة قصيرة الوقت لأغراض التحقق من الصحة والعرض والتعليم. صحيح أن الطرق الكمومية هي الأكثر دقة. ومع ذلك ، لا توجد حاليا جدوى حسابية لإجراء التجارب التي يقوم بها MD. تلقت الأداة الموضحة هنا تحسينات مستمرة على مدار العامين الماضيين. سيصف هذا البروتوكول ما هو مطلوب لتشغيل محاكاة في VD مع مركب بروتين ليجند تم إعداده مسبقا في ACPYPE وبعض التوجيهات العامة حول نماذج المحاكاة الأخرى المتاحة. بالنسبة للمحاكاة التفصيلية ، سيتم استخدام البروتين المرتبط ب FK506 من Plasmodium vivax المعقد مع المانع D5 (معرف PDB: 4mgv) ، وسيتم توفير جميع الملفات المستخدمة. لاحظ أن هذا البروتوكول سيخبر كل خيار لاستخدامه لتحقيق نفس النتائج المقدمة ، ولكن هذه الخيارات ليست بالضرورة الخيارات الوحيدة المتاحة.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وفقا لتعريف IUPAC ، فإن MD هو إجراء المحاكاة الذي يتكون من حساب حركة الذرات في جزيء أو الذرات أو الجزيئات الفردية في المواد الصلبة والسوائل والغازات ، وفقا لقوانين نيوتن للحركة. عادة ما يتم حساب القوى المؤثرة على الذرات ، اللازمة لمحاكاة حركتها ، باستخدام مجالات القوة من الميكانيكا الجزيئية1. يمكن تطبيقه على أي ظاهرة تسعى إلى استخراج المعلومات على المستوى الجزيئي وغالباالذري 2.

MD هي واحدة من التقنيات المدمجة في المعلوماتية الحيوية ، وتحديدا المعلوماتية الحيوية الهيكلية. مع ذلك ، من الممكن الحصول على الخصائص الحركية والديناميكية الحرارية للهياكل الجزيئية الحيوية. على سبيل المثال ، الاستقرار الجزيئي ، وتحديد المواقع الخيفية ، وتوضيح آليات النشاط الأنزيمي ، والتعرف الجزيئي وخصائص المجمعات ذات الجزيئات الصغيرة ، والارتباط بين البروتينات ، وطي البروتين ، وترطيبه3. علاوة على ذلك ، يتيح MD مجموعة واسعة من الدراسات ، بما في ذلك التصميم الجزيئي (المستخدم على نطاق واسع في تصميم الأدوية) ، في تحديد البنية وصقلها (الأشعة السينية ، الرنين المغناطيسي النووي ، ونمذجة البروتين)3. النتائج التي تم الحصول عليها في نهاية MD هي الأغنى والأكثر اكتمالا من حيث المحاكاة غير الكمومية4. MD الكلاسيكي هو أكثر كفاءة بكثير مما هو متوقع من النظر الكامل في فيزياء النظم الجزيئية الحيوية بسبب عدد من التقريب الكبير. والجدير بالذكر أن التأثيرات الديناميكية الكمومية عادة ما يتم تجاهلها3. ومع ذلك ، فإن تنفيذ تجربة MD ليس تافها5. يتطلب معرفة الحوسبة ، وخاصة Linux Terminal ، حيث أن معظم برامج المعلوماتية الحيوية الهيكلية مصنوعة لذلك. حتى مع هذه المعرفة ، فإن تعلم أوامر Gromacs والمعلمات هو منحنى تعليمي حاد آخر.

منذ تطبيقه لأول مرة على علم الأحياء في عام 19776 ، تطور الكثير بسبب زيادة المعالجة الحسابية وتحسين الترميز. منذ أكثر من عقدين من الزمن ، تم إطلاق أول برنامج MD مخصص للمشاكل البيولوجية ، وهو Gromacs7 و AMBER8 و NAMD9.

منذ إصداراتها الأولى ، لا تزال هذه البرامج هي الأكثر استخداما واستشهادا. ومع ذلك ، فإنهم يستمرون في نفس صعوبات التنفيذ الشائعة التي تصيب الباحثين الذين ليسوا متخصصين في الكمبيوتر5. يحتوي بعضها على خطوات تثبيت وتكوين معقدة ، تتطلب أحيانا معرفة واسعة حول الأجهزة التي سيتم تشغيلها لتحقيق أقصى استفادة منها ووثائق فنية تتمحور حول الكمبيوتر بدرجة عالية. هناك حاجة إلى طريقة أسهل للتفاعل معهم ، بصرف النظر عن سطر الأوامر والمعلمات اللانهائية.

تعمل الواجهة كوسيط بين العملية المنطقية التي يتعين القيام بها والإنسان10. تطور نموذج كيفية تنفيذ البرامج مع تحسن موارد الحوسبة. كان النموذج الرقمي الأول هو واجهات سطر الأوامر (CLI) متبوعا بالتطور إلى واجهات المستخدم الرسومية المعروفة (GUI)11. بعد الدورة التطورية ، تعتبر الواجهة التي تنتجها شبكة الويب العالمية (أو ببساطة الويب) تطورا لواجهات المستخدم الرسومية11. تتعايش هذه النماذج الثلاثة حاليا اعتمادا على المطورين. تستخدم تطبيقات CLI الأوامر النصية على وحدة تحكم نظام التشغيل. تستخدم تطبيقات واجهة المستخدم الرسومية ، والتي تسمى أيضا أجهزة سطح المكتب الرسومية ، واجهة رسومية تتكون من النوافذ والأزرار والمكونات الأخرى. إنه محدد ومبرمج مسبقا لنظام التشغيل. الفرق الرئيسي من CLI هو استخدام الماوس كعنصر إضافي في التفاعل بين الإنسانوالآلة 12. تطبيقات الويب ، على الرغم من الخلط بينها وبين واجهة المستخدم الرسومية ، أكثر تعقيدا في التطوير ولكنها أكثر تنوعا والأكثر مرونة في التشغيل. علاوة على ذلك ، فهي تعتمد فقط على برنامج مترجم يسمى المتصفح ، مما يجعل من الممكن لتطبيق العميل الاتصال بالخادم من خلال شبكة مستقلة عن نظام التشغيل13.

تستخدم برامج المعلوماتية الحيوية الهيكلية بشكل شائع نماذج CLI و GUI. بعض الأمثلة على البرامج الكلاسيكية التي تستخدم CLI هي Modeller14 لنمذجة التشابه ، و Autodock15 للإرساء الجزيئي ، و Gromacs16 للديناميكيات الجزيئية. أمثلة على البرامج التي تعتمد نوع واجهة المستخدم الرسومية هي SwissPDBviewer17 و Pymol18 و VMD19 و UCSF Chimera20 وأدوات Autodock15 و PyRx21 و Biovia22 و Maestro23 و Moe24 وغيرها.

مع ظهور لغة ترميز النص التشعبي الإصدار 5 (HTML5) 25 ، وأوراق الأنماط المتتالية (CSS) 26 ، وتقنيات Javascript27 ، من بين أمور أخرى ، يمكن جلب العديد من تطبيقات المعلوماتية الحيوية الهيكلية إلى الويب ، وبالتالي تصبح أكثر سهولة. أمثلة على نمذجة التشابه خوادم WEB هي MODWEB28 ، والتي تستخدم Modeller14 كواجهة خلفية و Swissmodel29. أمثلة على خوادم تطبيقات الويب للإرساء الجزيئي هي Haddock30 و Swissdock31 و Cluspro32 و Dockthor33 وغيرها.

بينما تطورت منهجيات التحليل الهيكلي والنمذجة والإرساء من نماذج CLI إلى واجهة المستخدم الرسومية وأخيرا إلى الويب ، لا يزال MD مدعوما في الغالب من خلال تنفيذ سطر الأوامر (نوع CLI). ظهرت بعض المبادرات الجيدة لتحسين هذه البانوراما. ومن الأمثلة على هذه المبادرات تنفيذ المكونات الإضافية في البرامج الحالية ، مثل المكون الإضافي QwikMD إلى VMD34 ، والمكون الإضافي GROMACS إلى PyMOL ، وخيار محاكاة الديناميات الجزيئية في UCSF Chimera20 ، وبعض تطبيقات CLI الجديدة والأسهل ، مثل ASGARD35 و Gmx_qk36 و CHAPERONg37 ، ومنصة ويب قوية ، BioBB-WFS38. على الرغم من أن استخدام هذه المكونات الإضافية والتطبيقات يعد تقدما ، إلا أن تنفيذها لا يزال يمثل تحديا لمعظم الباحثين غير المهرة. تشمل الصعوبات الشائعة مشاكل تثبيت برنامج MD وتكوينه ، والتي غالبا ما تعرض التنفيذ الكامل للمحاكاة للخطر5.

في عام 2022 ، تم توفير برنامج Visual Dynamics للمحاكاة الحسابية المستندة إلى الويب من قبل مختبر المعلومات الحيوية و Química Medical في Fiocruz Rondônia39. تم بناء نسخته الأولية في Python و Flask ، مما يسمح بمحاكاة الأنظمة ذات البروتينات الحرة (apoenzymes) مقابل 2 نانوثانية فقط. بعد ذلك ، تم تحسينه ليشمل نسخة محاكاة آلية مع روابط معدة باستخدام PRODRG40.

تم بناء VD لمساعدة جميع الباحثين في مجال الفيزياء الحيوية الهيكلية والتكنولوجيا الحيوية والمجالات ذات الصلة الذين لديهم قيود في المعرفة الحسابية ؛ تسمح الأداة لهؤلاء الباحثين باختبار فرضياتهم التي تتضمن محاكاة MD من أي نظام تشغيلي ودون الوصول إلى جهاز كمبيوتر عالي الأداء (HPC). الغرض من هذا العمل هو تقديم الميزات الجديدة ل Visual Dynamics الإصدار 3.0. بالإضافة إلى ذلك ، يهدف إلى تقديم بروتوكول استخدام محدث للأداة وتسليط الضوء على القيود التي يجب معالجتها في المستقبل ، إلى جانب إحصاءات الاستخدام حتى اللحظة الحالية (الشكل 1).

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. الوصول إلى البرنامج وتسجيل مستخدم جديد

  1. قم بزيارة صفحة ويب الديناميكيات البصرية (VD). انقر على أيقونة + تسجيل في أعلى اليمين لإنشاء حساب. سجل لاستخدام البرنامج.
    ملاحظة: يسمح فقط بعناوين البريد الإلكتروني المؤسسية. سيتلقى المستخدم إشعارا بالبريد الإلكتروني بمجرد الموافقة على تسجيله.
  2. انقر فوق تسجيل الدخول في الجزء العلوي الأيمن للوصول إلى شاشة تسجيل الدخول إلى النظام. املأ حقول اسم المستخدم / البريد الإلكتروني وكلمة المرور وانقر فوق تسجيل الدخول. بعد تسجيل الدخول ، سيتمكن المستخدم من الوصول إلى منطقة إرسال المحاكاة الخاصة به. يمكنهم أيضا عرض البرامج التعليمية وإحصائيات الاستخدام ل VD.

2. تقديم محاكاة أنزيم أبوينزيم

  1. انقر فوق محاكاة جديدة في الشريط الجانبي الأيسر. على الشاشة التي تظهر ، انقر فوق الزر APO ، الذي يشير إلى apoenzyme.
  2. قم بتحميل ملف البروتين المجاني 4mvg.pdb. حدد حقل AMBER94 القوة (أو أي خيار آخر مناسب).
    ملاحظة: يمكن الحصول على 4mvg.pdb من الملف التكميلي 1 أو تنزيله مباشرة من بنك بيانات البروتين (PDB).
  3. حدد نموذج المياه TIP3P. حدد المربع المكعب. حدد مسافة 0.5 نانومتر بين البروتين وحافة الصندوق.
    ملاحظة: الخيارات المحددة هي مجرد اقتراحات. جميع الخيارات الأخرى تعمل في VD.
  4. حدد الخيار تشغيل في خوادمنا لتنفيذ المحاكاة باستخدام الملفات والمعلمات المقدمة. بعد النقر فوق تشغيل المحاكاة ، سيرى المستخدم تطور خطوات المحاكاة على الشاشة وسيتلقى إشعارا بالبريد الإلكتروني حول حالة المحاكاة عند الانتهاء.

3. تقديم محاكاة الإنزيم المركب مع الليجند المحضر في ACPYPE

  1. باستخدام UCSF Chimera20 ، افتح مركب البروتين يجند 4mgv.pdb41 ، ضمن تحديد ، انقر فوق بقايا ، وقم بتعيين الرمز إلى D5I. ثم ضمن ملف، انقر فوق حفظ PDB، وحدد حفظ الذرات المحددة فقط، وقم بتعيين اسم الملف إلى ligand.pdb، وانقر فوق حفظ.
  2. أرسل الملف ligand.pdb الذي تم إنشاؤه في الخطوة السابقة إلى خادم Bio2Byte ACPYPE42 ، من ملفات الإخراج ، سيكون ligand_NEW.itp و ligand_NEW.pdb هما اللذان تم استخدامهما وتوفيرهما في هذه التجربة.
    ملاحظة: يمكن الحصول على ملفات ligand_NEW.itp و ligand_NEW.pdb من الملف التكميلي 2 والملف التكميلي 3.
  3. انقر فوق محاكاة جديدة على الشريط الجانبي الأيسر. انقر فوق الزر بروتين + ليجند (محضر في ACPYPE).
  4. قم بتحميل ملف البروتين المجاني 4mvg.pdb. حدد ملفات Ligand المعدة في ACPYPE: ligand_NEW.itp و ligand_NEW.pdb. حدد حقل AMBER94 القوة.
  5. حدد نموذج المياه TIP3P. حدد المربع المكعب. حدد مسافة 0.5 نانومتر بين البروتين وحافة الصندوق. الخيارات المحددة هي مجرد اقتراحات. جميع الخيارات الأخرى تعمل في VD.
  6. حدد الخيار تشغيل في خوادمنا لتنفيذ المحاكاة باستخدام الملفات والمعلمات المقدمة. بعد النقر فوق تشغيل المحاكاة ، سيرى المستخدم تطور خطوات المحاكاة على الشاشة وسيتلقى إشعارا بالبريد الإلكتروني حول حالة المحاكاة عند الانتهاء.

4. الوصول إلى نتائج المحاكاة

  1. انقر فوق عمليات المحاكاة الخاصة بي في الشريط الجانبي الأيسر.
  2. انقر فوق تنزيل ملفات MDP لتنزيل ملفات تكوين المحاكاة التي يستخدمها النظام الأساسي على كمبيوتر المستخدم.
  3. قم بتنزيل عناصر المحاكاة كما هو موضح أدناه.
    1. انقر فوق الأوامر لتنزيل قائمة الأوامر التي ينفذها النظام الأساسي على كمبيوتر المستخدم.
    2. انقر فوق سجل GROMACS لتنزيل ملف السجل الذي يحتوي على مخرجات الأمر .gmx بالتسلسل إلى كمبيوتر المستخدم.
    3. انقر فوق نتائج لتنزيل الملفات التي تم إنشاؤها بواسطة أوامر .gmx، مثل _npt.gro و _pr.edr و _pr.tpr و _pr_PBC.gro و pr_PBC.xtc إلى كمبيوتر المستخدم.
    4. انقر فوق رسومات الشكل لتنزيل الرسوم البيانية لتحليل كل خطوة محاكاة في الصورة وتنسيق .xvg إلى كمبيوتر المستخدم.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يوفر VD تنفيذ محاكاة مستقل تماما لا يتطلب تدخل المستخدم أو الموارد الحسابية التي يوفرها المستخدم. بعد إرسال محاكاة للتنفيذ ، يمكن للمستخدم تركها وإيقاف تشغيل أجهزته وستستمر المحاكاة في العمل. كما يسمح للمستخدمين بالوصول إلى النتائج من أي جهاز ، سواء كان جهاز كمبيوتر محمول أو جهاز محمول.

كمثال على استخدام VD في الوضع الآلي من خلال الويب ، تم إجراء الاختبار لمركب بروتين ليجند محضر في ACPYPE باستخدام بنية البروتين المرتبط FK506 من Plasmodium vivax المعقد مع المانع D5 (PDB ID: 4mgv) 41. اتبع التحضير البروتوكول الموصوف ، وتظهر نتائج التحليل في الشكل 2A-D.

يمثل الشكل 2A متوسط الجذر التربيعي (RMSD) بين بنية البروتين الأولية ومحاكاته على مدار 5 نانوثانية (كما هو ثابت في النظام). أظهر العمود الفقري للبروتين RMSD أقل من 2.5 Å طوال فترة المحاكاة. يعرض الشكل 2B نصف قطر الدوران (Rg) ، الذي يصف انضغاط البروتين أثناء محاكاة 5 ns. يوضح هذا الرسم البياني Rg في الإحداثيات الثلاثة ، x و y و z ، بالإضافة إلى القيمة الإجمالية. يوضح الشكل 2C تذبذب الجذر المتوسط التربيعي (RMSF) الذي يمثل متوسط مسافة التذبذب لكل حمض أميني في بنية البروتين أثناء محاكاة 5 نانوثانية. يوضح الشكل 2D تباين الطاقة بالكيلوجول / مول للنظام أثناء عملية تقليل الطاقة باستخدام طريقة الهبوط الأكثر حدة. من هذا الرسم البياني ، نلاحظ أن النظام استقر بقوة قصوى أقل من 1000 kJ / mol / nm.

حالة استخدام أخرى هي عندما يريد المستخدم تشغيله على خادمه الخاص مع تثبيت Gromacs. لم يتم تغطية هذا النوع من الاستخدام في هذا البروتوكول لأنه يتطلب مستوى معتدلا من المعرفة حول تطبيقات Linux Terminal و CLI. تستخدم هذه الطريقة VD كمولد لأوامر Gromacs القابلة للتعديل والتي تحقق نفس النتيجة مثل VD عند تنفيذها كما تم إنشاؤها. يقومون بتنزيل ملفات MDP والملف الذي يحتوي على الأوامر التي تم إنشاؤها (الشكل 3 أ). كل شيء متاح في VD. عندما يقومون بتنفيذه في محطة Linux ، سيحصلون على نتائج مثل الشكل 3B.

figure-results-1
الشكل 1: استخدام VD لإنشاء نصوص الأوامر. (أ) قائمة الأوامر التي تم إنشاؤها في VD عند اختيار خيار تنزيل قائمة الأوامر. (ب) مثال على الإخراج من تنفيذ أمر. ما عليك سوى النسخ واللصق والتشغيل في موجه Linux المحلي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2
الشكل 2: إحصائيات الوصول إلى الديناميات المرئية واستخدامها. أكثر من 4 آلاف مستخدم IP واحد من حوالي 63 دولة قد وصلوا بالفعل إلى VD. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3
الشكل 3: أمثلة على الرسوم البيانية الناتجة المتعلقة بتحليل VD التلقائي. (أ) جذر متوسط الانحراف التربيعي (RMSD) على مدار 5 نانوثانية. (ب) نصف قطر الدوران (Rg) على مدار 5 نانوثانية. (ج) جذر متوسط التذبذب التربيعي (RMSF) على مدار 5 نانوثانية. يمثل المحور السيني للرسم البياني RMSF عدد الأحماض الأمينية في الإنزيم ومخرجات برنامج التصوير بأقل حجم. إذا كان البروتين أكبر ، فسيزداد المحور السيني. د: تغير الطاقة أثناء عملية تقليل الطاقة. ينتهي تباين الطاقة عندما تصل العملية إلى قيمة مناسبة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل التكميلي 1: مخطط انسيابي مبسط للعملية التي تستخدمها Visual Dynamics لإعداد محاكاة جديدة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الشكل التكميلي 2: مخطط انسيابي مبسط للعملية التي تستخدمها Visual Dynamics لإدارة تنفيذ عمليات المحاكاة في قائمة الانتظار. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 1: ملف البروتين pdb. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 2: ملف Ligand itp. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

الملف التكميلي 3: ملف ليجند pdb. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

أتمتة العمليات ليست سهلة ، ولكنها أيضا أقل صعوبة من إعادة برمجة النظام من البداية. يعد Gromacs حاليا أكثر برامج المحاكاة الجزيئية شيوعا ، ويتم تحديثه باستمرار. قام قسم الكيمياء الفيزيائية الحيوية في جامعة جرونينجن بتطويره في البداية ، ويتم صيانته الآن من قبل مختبر علوم الحياة في جامعة ستوكهولم43.

بالنسبة لأي مستخدم جديد ، يعد تعلم تقنيات المحاكاة رحلة طويلة. يظهر VD كبديل لتسهيل عملية التعلم هذه ، وكذلك للتحقق من صحة التجارب قبل استثمار الموارد في تشغيل المحاكاة لفترات أطول. يمكن للمستخدمين تنفيذ 5 نانوثانية من المحاكاة وبالتالي تقييم فائدة توسيع نطاق المحاكاة.

لا يمكن أتمتة التسلسلات وتمرير المعلمات إلى أوامر Gromacs إلا من خلال الطريقة التي يوفر بها Linux ويسمح بإدارة محطته. يمكن رؤية إحدى الميزات الرئيسية ل VD التي مكنت الأتمتة الكاملة في الشكل 3B. في النهج اليدوي ، من الضروري أن يتفاعل المستخدم في بداية التنفيذ لاختيار المجموعات المراد تحليلها16. في هذه الحالة ، تم تحديد المجموعة 4 (العمود الفقري) كمجموعة افتراضية. لتجاوز هذه الخطوة وأتمتة تفاعل المستخدم ، يتم تمرير الأمر echo "4 4" إلى الأمر .gmx خلف الكواليس ، جنبا إلى جنب مع أداة التسلسل المعروفة باسم الأنبوب (|) في سطر الأوامر نفسه. هذا مفيد للمبرمجين الذين يرغبون في تطوير أداة مشابهة ل VD ويسمح بالأتمتة ومحاكاة تفاعل المستخدم.

حاليا ، يقتصر VD على تشغيل عمليات المحاكاة لمدة 5 نانوثانية على خادم الويب. في الإصدار السابق ، كان هذا الحد 2 ns39 فقط. إذا كانت هناك حاجة إلى وقت محاكاة أطول ، فمن المستحسن تنزيل البرنامج النصي وملفات MDP للتنفيذ على الجهاز الخاص بالمستخدم مع تثبيت Gromacs. يتم دائما تمكين خيارات تحييد النظام وتجاهل الهيدروجين ولا يمكن تعطيلها. وبالمثل ، يتم دائما تعطيل خيار استخدام الدقة المزدوجة. يتم عرض هذه الخيارات لإعلام المستخدم. لأسباب تتعلق بالأداء ، يتم إصلاحها. لا يقوم الإصدار الحالي بإجراء عمليات محاكاة مع الروابط المعدة في حقول قوة OPLS أو CHARMM. هذا القيد تقني بحت ومؤقت.

من الناحية الهيكلية ، يحتوي VD على تطبيقين: واجهة أمامية للويب ، وهي التطبيق الذي يراه المستخدم ، والواجهة الخلفية للخادم ، وهو التطبيق الذي سيقوم بالعمل الشاق لإعداد MD وتشغيله. الواجهة الأمامية للويب عبارة عن واجهة بسيطة تحتوي على نماذج لجمع ما يريد المستخدمون القيام به من خلال التحديدات والتبديل ومحددات الملفات. سيتم حذف المخطط الانسيابي للواجهة الأمامية للويب في الوقت الحالي ، كما هو موضح ، خطوة بخطوة في البروتوكول.

تتكون الواجهة الخلفية للخادم من خدمتين: تطبيق لإدارة وإعداد MDs وآخر لإدارة MDs وتشغيلها في وقت واحد. يوضح الشكل التكميلي 1 التدفق الذي تم اتخاذه لإعداد MD ، ويوضح الشكل التكميلي 2 تدفق تطبيق قائمة انتظار التنفيذ.

هناك أيضا أدوات آلية / ويب أخرى لتشغيل MD إلى جانب Visual Dynamics ، ولكل منها مجموعة خاصة بها من الإيجابيات والسلبيات. ASGARD35 و Gmx_qk36 و CHAPERONg37 هي أدوات ممتازة تساعد في تسهيل استخدام GROMACS14 ولكنها لا تزال تطبيقات CLI تتطلب من المستخدم الحصول على الحد الأدنى من المعرفة حول shell. BioBB-Wfs38 هو التطبيق الأكثر تشابها مع VD39 ، كما أنه يقدم الكثير من الأشياء التي لا يوفرها VD ، لأنه يستخدم BioBB44 ، وهي مكتبة تتكون من أغلفة حول أدوات MD الشائعة. يمكن أن تكون الشاشات معقدة بعض الشيء بالنسبة لشخص بدأ للتو. العملية معقدة للغاية مقارنة ب VD. بعد العديد من الخطوات ، يتم إنشاء نوع من المكونات العالمية يسمى لغة سير العمل العامة (CWL) للتنفيذ على HPCs. ومع ذلك ، يحتاج المستخدم إلى الوصول إلى هذه الخوادم ، وهي ليست مجانية بشكل طبيعي.

يحتوي المثيل العام الحالي ل VD على Gromacs مثبتا لاستخدام المعالج ، ولكن يمكن تثبيته مع تعليمات لاستخدام وحدة معالجة الرسومات (GPU) الخاصة بالجهاز ، مما يحسن بشكل كبير من أداءالمحاكاة 45. علاوة على ذلك ، فإن البرنامج النصي للأمر الذي تم إنشاؤه في VD شفاف لوحدة معالجة الرسومات ، مما يعني أنه يمكن تنفيذه على جهاز مزود بوحدة معالجة رسومات مثبتة دون الحاجة إلى تعديل أي شيء في الأوامر.

في هذه المرحلة الزمنية ، تعد VD أداة رائعة لتقديم MD لشخص جديد عليها ، ولكن قد يكون من الأفضل استخدامها من قبل أولئك الذين هم على دراية ب MD و Gromacs. يمكن استخدامه في فصول المحاكاة ، حيث يحتاج الأستاذ إلى نهج سريع دون مشاكل في التثبيت أو تكوين المعلمات لتنفيذ تمرين. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام VD للتحقق من صحة المحاكاة. إذا تم تشغيله لمدة 5 نانوثانية ، فمن المبرر الاستثمار في توسيع المحاكاة باستخدام الملفات التي تم إنشاؤها داخل VD.In بشكل عام ، تعمل المجموعة على تضمين المزيد من التحليلات الآلية مثل H-bonds وطاقة ربط منطقة سطح Poisson-Boltzmann (MMPBSA) للميكانيكا الجزيئية مع السعي باستمرار لتحسين قابلية الاستخدام.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد حظي هذا العمل بدعم من مؤسسة أوزوالدو كروز (فيوكروز)، ومؤسسة التنمية العلمية والتكنولوجية في مجال العلوم (فيوتيك)، والمعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا في علم الأوبئة في الأمازون الأوغندية، ومؤسسة روندونيا لأمبارو أو ديسينفولفيمنتو في أسويس العلوم والتكنولوجيا، ومعهد دراسات البيولوجيا (فابيرو)، والمجلس الوطني للمهندسين العلميين والتقنيين (CNPq).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ACPYPE ServerBio2Byteمتوفر في برنامج https://www.bio2byte.be/acpype/
GRACEمختبر البلازما في معهد وايزمان للعلوممتاح على https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/
برنامج GROMACSتعليمات تثبيتGROMACS
هيكل البروتين المرتبط FK506
من المتصورة النشيطة المركب مع مثبط
D5		RCSB Protein Data Bankمتاح في https://www.rcsb.org/structure/4mgv
يحتوي بالفعل على الترابط المركب للجزيء الكبير.
فريق على https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. The IUPAC Compendium of Chemical Terminology: The Gold Book. , International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Research Triangle Park, NC. (2019).">International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). The IUPAC Compendium of Chemical Terminology: The Gold Book. , International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Research Triangle Park, NC. (2019).
  2. Molecular dynamics simulations of biomolecules. Nat Str Biol. 9 (9), 646-652 (2002).">Karplus, M., McCammon, J. A. Molecular dynamics simulations of biomolecules. Nat Str Biol. 9 (9), 646-652 (2002).
  3. Molecular dynamics: Survey of methods for simulating the activity of proteins. Chem Rev. 106 (5), 1589-1615 (2006).">Adcock, S. A., McCammon, J. A. Molecular dynamics: Survey of methods for simulating the activity of proteins. Chem Rev. 106 (5), 1589-1615 (2006).
  4. Improved simulation of liquid water by molecular dynamics. J Chem Phys. 60 (4), 1545-1557 (1974).">Stillinger, F. H., Rahman, A. Improved simulation of liquid water by molecular dynamics. J Chem Phys. 60 (4), 1545-1557 (1974).
  5. Enlighten2: molecular dynamics simulations of protein-ligand systems made accessible. Bioinformatics. 36 (20), 5104-5106 (2020).">Zinovjev, K., Van Der Kamp, M. W. Enlighten2: molecular dynamics simulations of protein-ligand systems made accessible. Bioinformatics. 36 (20), 5104-5106 (2020).
  6. Dynamics of folded proteins. Nature. 267 (5612), 585-590 (1977).">McCammon, J. A., Gelin, B. R., Karplus, M. Dynamics of folded proteins. Nature. 267 (5612), 585-590 (1977).
  7. GROMACS: A message-passing parallel molecular dynamics implementation. Comp Phys Comm. 91 (1-3), 43-56 (1995).">Berendsen, H. J. C., Van Der Spoel, D., Van Drunen, R. GROMACS: A message-passing parallel molecular dynamics implementation. Comp Phys Comm. 91 (1-3), 43-56 (1995).
  8. a package of computer programs for applying molecular mechanics, normal mode analysis, molecular dynamics and free energy calculations to simulate the structural and energetic properties of molecules. Comp Phys Comm. 91 (1-3), 1-41 (1995).">Pearlman, D. A., et al. a package of computer programs for applying molecular mechanics, normal mode analysis, molecular dynamics and free energy calculations to simulate the structural and energetic properties of molecules. Comp Phys Comm. 91 (1-3), 1-41 (1995).
  9. NAMD: A parallel, object-oriented molecular dynamics program. Int J Supercomp Appl High Performance Comp. 10 (4), 251-268 (1996).">Nelson, M. T., et al. NAMD: A parallel, object-oriented molecular dynamics program. Int J Supercomp Appl High Performance Comp. 10 (4), 251-268 (1996).
  10. The Art of human-computer interface design. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, Mass. (1990).">Addison-Wesley Pub. Co. The Art of human-computer interface design. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, Mass. (1990).
  11. Brave NUI World: Designing Natural User Interfaces for Touch and Gesture. , Elsevier Science. Saint Louis. (2014).">Wigdor, D., Wixon, D. Brave NUI World: Designing Natural User Interfaces for Touch and Gesture. , Elsevier Science. Saint Louis. (2014).
  12. GUI and Command-line - Conflict or Synergy. , (2000).">Unwin, A., Heike, H. GUI and Command-line - Conflict or Synergy. , (2000).
  13. Beginning C# Object-Oriented Programming. , 243-263 (2011).">Clark, D. Developing Web Applications. Beginning C# Object-Oriented Programming. , 243-263 (2011).
  14. Comparative protein structure modeling using Modeller. Curr Protoc Bioinformatics. 5, 10(2006).">Eswar, N., et al. Comparative protein structure modeling using Modeller. Curr Protoc Bioinformatics. 5, 10(2006).
  15. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility. J Comp Chem. 30 (16), 2785-2791 (2009).">Morris, G. M., et al. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility. J Comp Chem. 30 (16), 2785-2791 (2009).
  16. GROMACS: Fast, flexible, and free. J Comp Chem. 26 (16), 1701-1718 (2005).">Van Der Spoel, D., Lindahl, E., Hess, B., Groenhof, G., Mark, A. E., Berendsen, H. J. C. GROMACS: Fast, flexible, and free. J Comp Chem. 26 (16), 1701-1718 (2005).
  17. SWISS-MODEL and the Swiss-Pdb Viewer: An environment for comparative protein modeling. Electrophoresis. 18 (15), 2714-2723 (1997).">Guex, N., Peitsch, M. C. SWISS-MODEL and the Swiss-Pdb Viewer: An environment for comparative protein modeling. Electrophoresis. 18 (15), 2714-2723 (1997).
  18. https://pymol.org/ (2023).">The PyMOL molecular graphics system. , Available from: https://pymol.org/ (2023).
  19. VMD: Visual molecular dynamics. J Mol Graph. 14 (1), 33-38 (1996).">Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. VMD: Visual molecular dynamics. J Mol Graph. 14 (1), 33-38 (1996).
  20. UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis. J Comp Chem. 25 (13), 1605-1612 (2004).">Pettersen, E. F., et al. UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis. J Comp Chem. 25 (13), 1605-1612 (2004).
  21. https://pyrx.sourceforge.io/ (2023).">PyRx-python prescription v. 0.8. , Available from: https://pyrx.sourceforge.io/ (2023).
  22. https://www.3ds.com/products/biovia/discovery-studio (2023).">BIOVIA Discovery Studio 2017 R2: A comprehensive predictive science application for the Life Sciences. , Available from: https://www.3ds.com/products/biovia/discovery-studio (2023).
  23. https://www.schrodinger.com/platform/products/maestro/ (2024).">Maestro. , Available from: https://www.schrodinger.com/platform/products/maestro/ (2024).
  24. https://www.chemcomp.com/en/Products.htm (2023).">Molecular operating environment (MOE). , Available from: https://www.chemcomp.com/en/Products.htm (2023).
  25. https://dev.w3.org/html5/html-author/ (2023).">The Syntax, Vocabulary and APIs of HTML5. , Available from: https://dev.w3.org/html5/html-author/ (2023).
  26. https://www.w3.org/Style/CSS/ (2023).">Cascading Style Sheets. , Available from: https://www.w3.org/Style/CSS/ (2023).
  27. https://www.ecma-international.org/publications-and-standards/standards/ecma-262/ (2023).">ECMAScript 2020 language specification, 11th edition. , Available from: https://www.ecma-international.org/publications-and-standards/standards/ecma-262/ (2023).
  28. ModBase, a database of annotated comparative protein structure models, and associated resources. Nucleic Acids Res. 39, Database D465-D474 (2011).">Pieper, U., et al. ModBase, a database of annotated comparative protein structure models, and associated resources. Nucleic Acids Res. 39, Database D465-D474 (2011).
  29. The SWISS-MODEL Repository and associated resources. Nucleic Acids Res. 37, Database D387-D392 (2009).">Kiefer, F., Arnold, K., Kunzli, M., Bordoli, L., Schwede, T. The SWISS-MODEL Repository and associated resources. Nucleic Acids Res. 37, Database D387-D392 (2009).
  30. The HADDOCK web server for data-driven biomolecular docking. Nat Prot. 5 (5), 883-897 (2010).">De Vries, S. J., Van Dijk, M., Bonvin, A. M. J. J. The HADDOCK web server for data-driven biomolecular docking. Nat Prot. 5 (5), 883-897 (2010).
  31. SwissDock, a protein-small molecule docking web service based on EADock DSS. Nucleic Acids Res. 39, suppl W270-W277 (2011).">Grosdidier, A., Zoete, V., Michielin, O. SwissDock, a protein-small molecule docking web service based on EADock DSS. Nucleic Acids Res. 39, suppl W270-W277 (2011).
  32. The ClusPro web server for protein-protein docking. Nat Prot. 12 (2), 255-278 (2017).">Kozakov, D., et al. The ClusPro web server for protein-protein docking. Nat Prot. 12 (2), 255-278 (2017).
  33. Highly flexible ligand docking: Benchmarking of the DockThor program on the LEADS-PEP protein-peptide data set. J Chem Info Modeling. 60 (2), 667-683 (2020).">Santos, K. B., Guedes, I. A., Karl, A. L. M., Dardenne, L. E. Highly flexible ligand docking: Benchmarking of the DockThor program on the LEADS-PEP protein-peptide data set. J Chem Info Modeling. 60 (2), 667-683 (2020).
  34. QwikMD - Integrative molecular dynamics toolkit for novices and experts. Sci Rep. 6 (1), 26536(2016).">Ribeiro, J. V., et al. QwikMD - Integrative molecular dynamics toolkit for novices and experts. Sci Rep. 6 (1), 26536(2016).
  35. ASGARD. A simple and automatic GROMACS tool to analyze Molecular Dynamic simulations. , (2023).">Rodríguez Martínez, A., et al. ASGARD. A simple and automatic GROMACS tool to analyze Molecular Dynamic simulations. , (2023).
  36. Gmx_qk: An automated protein/protein-ligand complex simulation workflow bridged to MM/PBSA, based on Gromacs and Zenity-Dependent GUI for beginners in MD simulation study. J Chem Info Modeling. 63 (9), 2603-2608 (2023).">Singh, H., Raja, A., Prakash, A., Medhi, B. Gmx_qk: An automated protein/protein-ligand complex simulation workflow bridged to MM/PBSA, based on Gromacs and Zenity-Dependent GUI for beginners in MD simulation study. J Chem Info Modeling. 63 (9), 2603-2608 (2023).
  37. CHAPERONg: A tool for automated GROMACS-based molecular dynamics simulations and trajectory analyses. Comp Str Biotechnol J. 21, 4849-4858 (2023).">Yekeen, A. A., Durojaye, O. A., Idris, M. O., Muritala, H. F., Arise, R. O. CHAPERONg: A tool for automated GROMACS-based molecular dynamics simulations and trajectory analyses. Comp Str Biotechnol J. 21, 4849-4858 (2023).
  38. BioExcel building blocks workflows (BioBB-Wfs), an integrated web-based platform for biomolecular simulations. Nucleic Acids Res. 50 (W1), W99-W107 (2022).">Bayarri, G., Andrio, P., Hospital, A., Orozco, M., Gelpí, J. L. BioExcel building blocks workflows (BioBB-Wfs), an integrated web-based platform for biomolecular simulations. Nucleic Acids Res. 50 (W1), W99-W107 (2022).
  39. Visual dynamics: a WEB application for molecular dynamics simulation using GROMACS. BMC Bioinfo. 24 (1), 107(2023).">Vieira, I. H. P., et al. Visual dynamics: a WEB application for molecular dynamics simulation using GROMACS. BMC Bioinfo. 24 (1), 107(2023).
  40. PRODRG a tool for high-throughput crystallography of protein-ligand complexes. Acta Crystallographica Sect D Biol Crystallography. 60 (8), 1355-1363 (2004).">Schüttelkopf, A. W., Van Aalten, D. M. F. PRODRG a tool for high-throughput crystallography of protein-ligand complexes. Acta Crystallographica Sect D Biol Crystallography. 60 (8), 1355-1363 (2004).
  41. Adamantyl derivative as a potent inhibitor of Plasmodium FK506 binding protein 35. ACS Med Chem Lett. 4 (11), 1097-1101 (2013).">Harikishore, A., et al. Adamantyl derivative as a potent inhibitor of Plasmodium FK506 binding protein 35. ACS Med Chem Lett. 4 (11), 1097-1101 (2013).
  42. ACPYPE - AnteChamber PYthon Parser interfacE. BMC Res Notes. 5 (1), 367(2012).">Sousa Da Silva, A. W., Vranken, W. F. ACPYPE - AnteChamber PYthon Parser interfacE. BMC Res Notes. 5 (1), 367(2012).
  43. https://www.gromacs.org/development.html (2023).">Gromacs developmet and developers. , Available from: https://www.gromacs.org/development.html (2023).
  44. BioExcel building blocks, a software library for interoperable biomolecular simulation workflows. Sci Data. 6 (1), 169(2019).">Andrio, P., et al. BioExcel building blocks, a software library for interoperable biomolecular simulation workflows. Sci Data. 6 (1), 169(2019).
  45. Heterogeneous parallelization and acceleration of molecular dynamics simulations in GROMACS. J Chem Phys. 153 (13), 134110(2020).">Páll, S., et al. Heterogeneous parallelization and acceleration of molecular dynamics simulations in GROMACS. J Chem Phys. 153 (13), 134110(2020).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Molecular DynamicsVisual DynamicsGromacs SimulationProtein Ligand ComplexSimulation PipelineForce Field SelectionACPYPE PreparationTIP3P Water ModelRoot Mean SquareEnergy Minimization

Related Articles