Visual Dynamics 3.0 中的新增功能

Summary

Visual Dynamics 是一个开源工具，可使用 Gromacs 加速分子动力学仿真的实现和学习。所提出的协议将指导您轻松完成在 ACPYPE 中制备的蛋白质-配体模拟的步骤以及其他模拟模型的一般步骤。

Abstract

视觉动力学 （VD） 是一种 Web 工具，旨在促进在 Gromacs 中执行的分子动力学 （MD） 的使用和应用，允许不熟悉计算的用户运行短时模拟以进行验证、演示和教学目的。确实，量子方法是最准确的。但是，目前没有计算可行性来执行 MD 执行的实验。这里描述的工具在过去几年中不断改进。该协议将描述使用先前在 ACPYPE 中制备的蛋白质-配体复合物在 VD 中运行模拟所需的内容，以及其他可用模拟模型的一些一般说明。对于详细模拟，将使用来自间日疟原虫与抑制剂 D5 （PDB ID: 4mgv） 复合的 FK506 结合蛋白，并提供使用的所有文件。请注意，此协议将告诉使用每个选项来实现所呈现的相同结果，但这些选项不一定是唯一可用的选项。

Introduction

根据 IUPAC 的定义，MD 是一种模拟程序，包括根据牛顿运动定律计算分子中原子的运动或固体、液体和气体中单个原子或分子的运动。作用在原子上的力是模拟原子运动所必需的，通常使用分子力学¹ 中的力场来计算。它可以应用于任何寻求在分子水平（通常是原子水平）上提取信息的现象²。

MD 是纳入生物信息学的技术之一，特别是结构生物信息学。有了它，就可以获得生物分子结构的动力学和热力学特性。例如，大分子稳定性、变构位点的鉴定、酶活性机制的阐明、分子识别和与小分子复合物的性质、蛋白质之间的结合、蛋白质折叠及其水合作用³。此外，MD 支持广泛的研究，包括分子设计（广泛用于药物设计）、确定结构及其细化（X 射线、NMR 和蛋白质建模）³。就非量子模拟而言，在 MD 结束时获得的结果是最丰富和最完整的⁴。由于大量近似的数量，经典 MD 的效率比充分考虑生物分子系统物理学的预期要有效得多。值得注意的是，量子动力学效应通常被忽略³。然而，实施 MD 实验并非易事⁵.它需要计算知识，尤其是 Linux 终端，因为大多数结构生物信息学软件都是为此而设计的。即使有了这些知识，学习 Gromacs 命令和参数化也是另一个陡峭的学习曲线。

自 1977 年⁶ 首次应用于生物学以来，由于计算处理的增加和编码的改进，已经发生了很大变化。二十多年前，第一款用于生物问题的 MD 软件问世，即 Gromacs⁷、AMBER⁸ 和 NAMD⁹。

自第一个版本以来，这些软件仍然是使用和引用最多的软件。然而，它们继续面临同样的常见实现困难，这些困难困扰着非计算机专家的研究人员⁵ （computer specialists）。有些具有复杂的安装和配置步骤，有时需要有关它将运行的硬件的广泛知识才能充分利用它，以及高度以计算机为中心的技术文档。除了命令行和无限参数之外，还需要一种更简单的方法来与它们交互。

接口充当要执行的逻辑过程与人类¹⁰ 之间的中介。随着计算资源的改进，软件执行方式的范式也在发展。第一个数字范式是命令行界面 （CLI），随后演变为已知的图形用户界面 （GUI）¹¹。遵循进化周期，万维网（或简称 WEB）产生的界面被认为是 GUI¹¹ 的演变。这三种范式目前共存，具体取决于开发人员。CLI 应用程序在操作系统控制台上使用文本命令。GUI 应用程序（也称为图形桌面）使用由窗口、按钮和其他组件组成的图形界面。它是特定于操作系统的，并且已针对操作系统进行了预编程。与 CLI 的主要区别在于使用鼠标作为人机交互中的附加元素¹²。WEB 应用程序尽管与 GUI 混淆，但开发起来更复杂，但用途更广，并且是迄今为止最灵活的操作。此外，它们仅依赖于称为浏览器的解释软件，这使得客户端应用程序可以通过独立于操作系统的网络与服务器通信¹³。

结构生物信息学软件最常使用 CLI 和 GUI 范式。使用 CLI 的经典软件的一些示例包括用于相似性建模的 Modeller¹⁴ 、用于分子对接的 Autodock¹⁵ 和用于分子动力学的 Gromacs¹⁶ 。采用 GUI 类型的软件示例包括 SwissPDBviewer¹⁷、Pymol¹⁸、VMD¹⁹、UCSF Chimera²⁰、Autodock tools¹⁵、PyRx²¹、Biovia²²、Maestro²³ 和 Moe²⁴ 等。

随着超文本标记语言版本 5 （HTML5）²⁵、级联样式表 （CSS）²⁶ 和 Javascript²⁷ 技术等的出现，许多结构生物信息学应用程序可以被引入 WEB，从而变得更加易于访问。相似性建模 WEB 服务器的示例包括 MODWEB²⁸（使用 Modeller¹⁴ 作为后端）和 Swissmodel²⁹。用于分子对接的 Web 应用程序服务器的示例包括 Haddock³⁰、Swissdock³¹、Cluspro³²、Dockthor³³ 等。

虽然结构分析、建模和对接方法从 CLI 范式发展到 GUI，最后发展到 WEB，但 MD 仍然主要由命令行执行（CLI 类型）支持。已经出现了一些很好的举措来改善这种状况。这些举措的示例包括在现有软件中实施插件，例如 VMD³⁴ 的 QwikMD 插件、PyMOL 的 GROMACS 插件和 UCSF Chimera²⁰ 中的分子动力学模拟选项，一些新的和更简单的 CLI 应用程序，例如 ASGARD³⁵、Gmx_qk³⁶ 和 CHAPERONg³⁷，以及强大的 Web 平台 BioBB-Wfs³⁸.尽管使用这些插件和应用程序是一项进步，但对于大多数不熟练的研究人员来说，它们的实现仍然是一个挑战。常见的困难包括安装和配置 MD 软件时出现问题，这通常会影响模拟⁵ 的完全执行。

2022 年，位于 Fiocruz Rondônia³⁹ 的 Laboratório de Bioinformática e Química Medicinal 提供了用于基于 Web 的计算模拟的 Visual Dynamics 软件。它的初始版本是用 Python 和 Flask 构建的，允许仅用 2 ns 模拟具有游离蛋白（脱辅基酶）的系统。随后，它被增强为包括使用 PRODRG⁴⁰ 制备配体的自动模拟版本。

VD 旨在帮助结构生物物理学、生物技术和相关领域所有在计算知识方面有局限性的研究人员;该工具允许这些研究人员从任何操作系统测试他们涉及 MD 模拟的假设，而无需访问高性能计算机 （HPC）。这项工作的目的是介绍 Visual Dynamics 3.0 版的新功能。此外，它旨在为该工具引入更新的使用协议，并强调未来需要解决的限制，以及截至目前的使用统计数据（图 1）。

Protocol

1. 访问软件和新用户注册

1. 访问 Visual Dynamics （VD） 网页。单击右上角的 +注册 图标以创建一个帐户。注册以使用该软件。
   注意:仅允许使用机构电子邮件地址。用户注册获得批准后，将收到一封电子邮件通知。
2. 单击右上角的 Login 以访问系统登录屏幕。填写用户名/电子邮件和密码字段，然后单击 Log in。登录后，用户将可以访问其仿真提交区域。他们还可以查看 VD 的教程和使用情况统计信息。

2. 脱辅基酶模拟提交

1. 单击左侧边栏中的 New Simulation（新建模拟 ）。在出现的屏幕上，单击按钮 APO，它指的是脱辅基酶。
2. 上传免费的蛋白质 4mvg.pdb 文件。选择 AMBER94 力场 （或任何其他适当的选项）。
   注:4mvg.pdb 可从 补充文件 1 获得，也可直接从蛋白质数据库 （PDB） 下载。
3. 选择 TIP3P Water 模型。选择 Cubic Box。选择蛋白质和盒边缘之间的 0.5 nm 距离 。
   注意:选择的选项只是建议。所有其他选项在 VD 中都有效。
4. 选中选项 Run in Our Servers 以使用提交的文件和参数执行模拟。单击 Run simulation（运行仿真）后，用户将在屏幕上看到仿真步骤的演变，并在完成后收到有关仿真状态的电子邮件通知。

3. 提交在 ACPYPE 中制备的酶与配体复合的模拟

1. 使用 UCSF Chimera²⁰，打开 蛋白质-配体复合物 4mgv.pdb⁴¹，在"选择"下，单击 "残基"，然后将代码设置为 D5I。然后，在文件下，单击 保存 PDB，选择 仅保存所选原子，将文件名设置为 ligand.pdb，然后单击 保存。
2. 将上一步生成的文件 ligand.pdb 提交给 Bio2Byte ACPYPE 服务器⁴²，从输出文件中，ligand_NEW.itp 和 ligand_NEW.pdb 将是本实验中使用和提供的。
   注意:ligand_NEW.itp 和 ligand_NEW.pdb 文件可以从 补充文件 2 和 补充文件 3 中获取。
3. 单击左侧边栏上的 New Simulation（新建模拟 ）。点击 按钮蛋白质 + 配体 （在 ACPYPE 中制备）。
4. 上传免费的蛋白质 4mvg.pdb 文件。选择在 ACPYPE 中准备的 配体文件 :ligand_NEW.itp 和 ligand_NEW.pdb。选择 AMBER94 力场。
5. 选择 TIP3P Water 模型。选择 Cubic Box。选择蛋白质和盒边缘之间的 0.5 nm 距离 。选择的选项只是建议。所有其他选项在 VD 中都有效。
6. 选中选项 Run in Our Servers 以使用提交的文件和参数执行模拟。单击 Run simulation（运行仿真）后，用户将在屏幕上看到仿真步骤的演变，并在完成后收到有关仿真状态的电子邮件通知。

4. 访问仿真结果

1. 单击左侧边栏中的 My Simulations（我的模拟 ）。
2. 单击 Download MDP Files（下载 MDP 文件 ），将平台使用的仿真配置文件下载到用户的计算机上。
3. 下载模拟元素，如下所述。
   1. 单击 Commands 将平台执行的命令列表下载到用户的计算机上。
   2. 单击 GROMACS Log 将包含 .gmx 命令输出的日志文件按顺序下载到用户的计算机上。
   3. 单击 "结果 "可将 .gmx 命令生成的文件（如 _npt.gro、_pr.edr、_pr.tpr、_pr_PBC.gro 和 pr_PBC.xtc）下载到用户的计算机上。
   4. 单击 Figure Graphics 将用于分析每个仿真步骤的图像和 .xvg 格式的图形下载到用户的计算机上。

Results

VD 提供完全自主的仿真执行，不需要用户干预或用户提供的计算资源。将模拟提交到执行后，用户可以离开它，关闭他们的机器，模拟将继续运行。它还允许用户从任何设备访问结果，无论是笔记本电脑还是移动设备。

作为通过 WEB 在自动模式下使用 VD 的一个例子，使用间日疟原虫的 FK506 结合蛋白与抑制剂 D5 （PDB ID: 4mgv）⁴¹ 的结构，对在 ACPYPE 中制备的蛋白质-配体复合物进行了测试。制备遵循所描述的方案，分析结果如图 2A-D 所示。

图 2A 表示初始蛋白质结构与其模拟在 5 ns（在系统中固定）之间的均方根偏差 （RMSD）。在整个模拟过程中，蛋白质骨架的 RMSD 小于 2.5 Å。 图 2B 显示了回转半径 （Rg），它描述了蛋白质在 5 ns 模拟期间的紧密度。此图表显示了 x、y 和 z 三个坐标中的 Rg，以及总体值。 图 2C 说明了均方根波动 （RMSF），它表示 5 ns 模拟期间蛋白质结构中每个氨基酸的平均波动距离。 图 2D 描述了使用最陡下降法在能量最小化过程中系统的能量变化（以 kJ/mol 为单位）。从这张图中，我们观察到系统以小于 1000 kJ/mol/nm 的最大力稳定。

另一个用例是当用户希望在安装了 Gromacs 的自己的服务器上运行它时。此协议未涵盖这种使用形式，因为它需要对 Linux 终端和 CLI 应用程序有中等程度的了解。此方法使用 VD 作为可修改 Gromacs 命令的生成器，这些命令在按生成时执行时获得与 VD 相同的结果。他们下载 MDP 文件和包含生成命令的文件（图 3A）。VD 中的所有内容都可用。当他们在 Linux 终端中执行它时，他们将获得如图 3B 所示的结果。

图 1:使用 VD 生成命令脚本。 （A） 选择命令列表下载选项时，VD 中生成的命令列表。（B） 执行命令的输出示例。只需在本地 Linux 提示符下复制、粘贴并运行即可。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 2:Visual Dynamics 访问和使用统计数据。 来自大约 63 个国家/地区的 4000 多名单 IP 用户已经访问了 VD。 请单击此处查看此图的较大版本。

图 3:与自动 VD 分析相关的输出图示例。 （A） 5 ns 过程中的均方根偏差 （RMSD）。（B） 5 ns 过程中的回转半径 （Rg）。（C） 5 ns 过程中的均方根波动 （RMSF）。RMSF 图的 x 轴表示酶中氨基酸的数量和具有最小大小的成像软件输出。如果蛋白质较大，则 x 轴将增加。（D） 能量最小化过程中的能量变化。当过程达到适当的值时，能量变化结束。 请单击此处查看此图的较大版本。

补充图 1:Visual Dynamics 用于设置新模拟的过程的简化流程图。请点击此处下载此文件。

补充图 2:Visual Dynamics 用于管理排队模拟执行的流程的简化流程图。请点击此处下载此文件。

补充文件 1:蛋白质 pdb 文件。请点击此处下载此文件。

补充文件 2:配体 itp 文件。请点击此处下载此文件。

补充文件 3:配体 pdb 文件。请点击此处下载此文件。

Discussion

自动化流程并不容易，但也比从头开始重新编程系统要容易。Gromacs 是目前最流行的分子模拟软件，并且不断更新。它最初是由格罗宁根大学生物物理化学系开发的，现在由斯德哥尔摩大学的生命科学实验室维护⁴³.

对于任何新用户来说，学习模拟技术都是一个漫长的旅程。VD 作为一种替代方案出现，以促进此学习过程，并在投入资源运行更长时间的模拟之前验证实验。用户可以执行 5 ns 的仿真，从而评估进一步扩展仿真的有用性。

只有通过 Linux 提供并允许管理其终端的方式，才能实现连接和参数传递给 Gromacs 命令的自动化。VD 实现完全自动化的主要功能之一如图 3B 所示。在手动方法中，用户必须在执行开始时进行交互，以选择要分析的组¹⁶。在本例中，组 4 （Backbone） 被选为默认值。为了绕过此步骤并自动执行用户交互，命令 echo "4 4" 将在后台传递给 .gmx 命令，以及命令行本身中称为管道 （|） 的串联工具。这对于想要开发类似于 VD 的工具并允许自动化和模拟用户交互的程序员非常有用。

目前，VD 仅限于在 WEB 服务器上运行持续时间为 5 ns 的模拟。在以前的版本中，此限制仅为 2 ns³⁹。如果需要更长的模拟时间，建议下载脚本和 MDP 文件，以便在安装了 Gromacs 的用户自己的计算机上执行。Neutralize System （中和系统） 和 Ignore Hydrogens （忽略氢气） 选项始终处于启用状态，无法禁用。同样，选项 Use double precision 始终处于禁用状态。显示这些选项是为了通知用户。出于性能原因，它们是固定的。当前版本不使用在 OPLS 或 CHARMM 力场中制备的配体进行模拟。此限制纯粹是技术和暂时的。

从结构上讲，VD 有两个应用程序:一个 Web 前端，即用户看到的应用程序，以及一个服务器后端，即将执行设置和运行 MD 的艰苦工作的应用程序。Web 前端是一个简单的界面，其中包含表单，用于通过选择、切换和文件选择器收集用户想要执行的操作;Web 前端的流程图现在将省略，正如它所描述的，在协议中逐步进行。

服务器后端由两项服务组成:一个用于管理和设置 MD 的应用程序，另一个用于同时管理和运行 MD。 补充图 1 显示了设置 MD 所采用的流程， 补充图 2 显示了执行队列应用程序的流程。

除了 Visual Dynamics 之外，还有其他用于运行 MD 的自动化/Web 工具，每个工具都有自己的优点和缺点。ASGARD³⁵、Gmx_qk³⁶ 和 CHAPERONg³⁷ 是出色的工具，有助于促进 GROMACS¹⁴ 的使用，但仍然是 CLI 应用程序，需要用户对 shell 有最低程度的了解。BioBB-Wfs³⁸ 是与 VD³⁹ 最相似的应用程序，它还提供了很多 VD 没有的东西，因为它使用了 BioBB⁴⁴，这是一个由流行的 MD 工具包装器组成的库。对于刚开始的人来说，屏幕可能有点太复杂了。与 VD 相比，该过程相当复杂。经过许多步骤后，会生成一种称为通用工作流语言 （CWL） 的通用组件，以便在 HPC 上执行。但是，用户需要能够访问这些服务器，这自然不是免费的。

VD 的当前公共实例已安装 Gromacs 以使用该处理器，但可以使用机器的图形处理单元 （GPU） 的指令进行安装，这大大提高了模拟性能⁴⁵。此外，在 VD 中生成的命令脚本是 GPU 透明的，这意味着它可以在安装了 GPU 的机器上执行，而无需修改命令中的任何内容。

目前，VD 是将 MD 介绍给 MD 新手的绝佳工具，但熟悉 MD 和 Gromacs 的人可能最适合使用它。它可以用于模拟课程，教授需要一种快速的方法，而无需安装或参数配置问题来执行练习。此外，VD 还可用于验证模拟;如果它运行 5 ns，那么使用 VD.In 生成的文件投资扩展仿真是合理的。一般来说，该小组正在努力包括更多的自动化分析，例如 h 键和分子力学泊松-玻尔兹曼表面积 （MMPBSA） 结合能，同时不断寻求提高可用性。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ACPYPE 服务器	Bio2Byte		可在 https://www.bio2byte.be/acpype/
GRACE 软件	魏茨曼科学		可在 https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/
GROMACS 软件	GROMACS 团队		安装说明 https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html
来自间日疟原虫的 FK506 结合蛋白 与 抑制剂 D5	RCSB 蛋白数据库		的结构可在 https://www.rcsb.org/structure/4mgv 获得已经包含与大分子络合的配体。