Method Article

תכונות חדשות ב- 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 הוא כלי קוד פתוח המאיץ יישומים ולמידה בסימולציה של דינמיקה מולקולרית באמצעות Gromacs. הפרוטוקול המוצג ידריך אותך בשלבים לביצוע סימולציית ליגנד חלבונים שהוכנה ב- ACPYPE בקלות ובצעדים כלליים למודלים אחרים של סימולציה.

Abstract

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

Visual Dynamics (VD) הוא כלי אינטרנט שמטרתו להקל על השימוש והיישום של דינמיקה מולקולרית (MD) המבוצעת ב- Gromacs, ומאפשרת למשתמשים ללא היכרות חישובית להריץ סימולציות קצרות זמן למטרות אימות, הדגמה והוראה. נכון ששיטות קוונטיות הן המדויקות ביותר. עם זאת, אין כיום היתכנות חישובית לביצוע הניסויים שמבצעת MD. הכלי המתואר כאן קיבל שיפורים ברציפות במהלך השנים האחרונות. פרוטוקול זה יתאר מה נדרש כדי להריץ סימולציה ב- VD עם קומפלקס ליגנד חלבונים שהוכן בעבר ב- ACPYPE וכמה כיוונים כלליים על מודלי הסימולציה האחרים הזמינים. לצורך הסימולציה המפורטת, ייעשה שימוש בחלבון קושר FK506 מפלסמודיום vivax המורכב עם המעכב D5 (מזהה PDB: 4mgv), וכל הקבצים המשמשים יסופקו. שים לב שפרוטוקול זה יגיד להשתמש בכל אפשרות כדי להשיג את אותן תוצאות שהוצגו, אך אפשרויות אלה אינן בהכרח היחידות הזמינות.

Introduction

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

על פי הגדרת IUPAC, MD הוא הליך סימולציה המורכב מחישוב התנועה של אטומים במולקולה או של אטומים בודדים או מולקולות במוצקים, נוזלים וגזים, על פי חוקי התנועה של ניוטון. הכוחות הפועלים על אטומים, הנחוצים להדמיית תנועתם, מחושבים בדרך כלל באמצעות שדות כוח ממכניקה מולקולרית1. זה יכול להיות מיושם על כל תופעה המבקשת לחלץ מידע ברמה מולקולרית ולעתים קרובות אטומית2.

MD היא אחת הטכניקות המשולבות בביואינפורמטיקה, במיוחד ביואינפורמטיקה מבנית. עם זאת, ניתן להשיג מאפיינים קינטיים ותרמודינמיים של מבנים ביומולקולריים. לדוגמה, יציבות מקרומולקולרית, זיהוי אתרים אלוסטריים, הבהרת מנגנוני פעילות אנזימטית, זיהוי מולקולרי ותכונות של קומפלקסים עם מולקולות קטנות, קשר בין חלבונים, קיפול חלבונים והידרציה שלו3. יתר על כן, MD מאפשר מגוון רחב של מחקרים, כולל תכנון מולקולרי (בשימוש נרחב בתכנון תרופות), בקביעת המבנה והעידון שלו (רנטגן, NMR, ומידול חלבונים)3. התוצאות המתקבלות בסוף MD הן העשירות והשלמות ביותר במונחים של סימולציה לא קוונטית4. MD קלאסי הוא הרבה יותר יעיל ממה שניתן לצפות משיקול מלא של הפיזיקה של מערכות ביומולקולריות בשל מספר קירובים משמעותיים. יש לציין כי בדרך כלל מתעלמים מאפקטים דינמיים קוונטיים3. עם זאת, יישום ניסוי MD אינו טריוויאלי5. זה דורש ידע של מחשוב, במיוחד מסוף לינוקס, כמו רוב תוכנות ביואינפורמטיקה מבנית נעשה עבור זה. אפילו עם הידע הזה, לימוד פקודות ופרמטריזציה של גרומק הוא עקומת למידה תלולה נוספת.

מאז היישום הראשון שלה בביולוגיה בשנת 19776, הרבה התפתח עקב עיבוד חישובי מוגבר וקידוד משופר. לפני יותר משני עשורים הושקה תוכנת MD הראשונה המיועדת לבעיות ביולוגיות, כלומר Gromacs7, AMBER8 ו- NAMD9.

מאז גרסאותיהן הראשונות, תוכנות אלה עדיין נשארות הנפוצות והמצוטטות ביותר. עם זאת, הם ממשיכים עם אותם קשיי יישום נפוצים המטרידים חוקרים שאינם מומחי מחשבים5. חלקם כוללים שלבי התקנה ותצורה מורכבים, הדורשים לעתים ידע נרחב על החומרה עליה הוא יפעל כדי להפיק את המרב ממנה ותיעוד טכני ממוקד מחשב מאוד. יש צורך בדרך קלה יותר להתממשק איתם, מלבד שורת הפקודה ואינסוף הפרמטרים.

ממשק משמש כמתווך בין התהליך הלוגי שיש לבצע לבין האדם10. הפרדיגמה של אופן ביצוע התוכנה התפתחה ככל שמשאבי המחשוב השתפרו. הפרדיגמה הדיגיטלית הראשונה הייתה ממשקי שורת הפקודה (CLI) ואחריה האבולוציה לממשקי המשתמש הגרפיים הידועים (GUI)11. בעקבות המחזור האבולוציוני, הממשק המיוצר על ידי World Wide Web (או פשוט WEB) נחשב לאבולוציה של GUIs11. שלוש הפרדיגמות הללו מתקיימות כיום במקביל בהתאם למפתחים. יישומי CLI משתמשים בפקודות טקסטואליות במסוף מערכת ההפעלה. יישומי ממשק משתמש גרפי, הנקראים גם שולחנות עבודה גרפיים, משתמשים בממשק גרפי המורכב מחלונות, לחצנים ורכיבים אחרים. הוא ספציפי ומתוכנת מראש עבור מערכת הפעלה. ההבדל העיקרי מה- CLI הוא השימוש בעכבר כאלמנט נוסף באינטראקציה בין אדם למכונה12. יישומי WEB למרות שהם מבולבלים עם ממשק משתמש גרפי, מורכבים יותר לפיתוח אך הם מגוונים יותר וללא ספק הזריזים ביותר בפעולה. יתר על כן, הם תלויים רק בתוכנת מתורגמן הנקראת דפדפן, המאפשרת ליישום הלקוח לתקשר עם השרת דרך רשת עצמאית ממערכת ההפעלה13.

תוכנות ביואינפורמטיקה מבנית משתמשות בדרך כלל בפרדיגמות CLI ו- GUI. דוגמאות לתוכנות קלאסיות המשתמשות ב-CLI הן Modeller14 למידול דמיון, Autodock15 לעגינה מולקולרית ו-Gromacs16 לדינמיקה מולקולרית. דוגמאות לתוכנות המאמצות את סוג ממשק המשתמש הגרפי הן SwissPDBviewer17, Pymol18, VMD19, UCSF Chimera20, Autodock tools15, PyRx21, Biovia22, Maestro23 ו-Moe24, בין היתר.

עם הופעתם של Hypertext Markup Language גרסה 5 (HTML5)25, Cascading Style Sheets (CSS)26 וטכנולוגיות Javascript27 , בין היתר, ניתן היה להביא יישומי ביואינפורמטיקה מבניים רבים לאינטרנט, ובכך להפוך לנגישים יותר. דוגמאות למידול דמיון שרתי WEB הן MODWEB28, המשתמש ב- Modeller14 כ- back-end ו- Swissmodel29. דוגמאות לשרתי יישומי אינטרנט לעגינה מולקולרית הן Haddock30, Swissdock31, Cluspro32, Dockthor33 ואחרים.

בעוד שמתודולוגיות ניתוח מבני, מידול ועגינה התפתחו מפרדיגמות CLI ל- GUI ולבסוף ל- WEB, MD ממשיך להיות נתמך בעיקר על ידי ביצוע שורת פקודה (סוג CLI). כמה יוזמות טובות צצו כדי לשפר את הפנורמה הזאת. דוגמאות ליוזמות אלה הן יישום תוספים בתוכנות קיימות, כגון תוסף QwikMD ל- VMD34, תוסף GROMACS ל- PyMOL, ואפשרות סימולציה של דינמיקה מולקולרית ב- UCSF Chimera20, כמה יישומי CLI חדשים וקלים יותר, כגון ASGARD35, Gmx_qk36 ו- CHAPERONg37, ופלטפורמת אינטרנט חזקה, BioBB-Wfs38. למרות השימוש של תוספים ויישומים אלה הוא התקדמות, היישום שלהם הוא עדיין אתגר עבור רוב החוקרים לא מיומנים. קשיים נפוצים כוללים בעיות בהתקנה ובהגדרה של תוכנת MD, אשר לעיתים קרובות פוגעות בביצוע המלא של הסימולציה5.

בשנת 2022, תוכנת Visual Dynamics לסימולציה חישובית מבוססת אינטרנט הפכה לזמינה על ידי Laboratório de Bioinformática e Química Medicinal ב- Fiocruz Rondônia39. הגרסה הראשונית שלו נבנתה בפייתון ובפלאסק, ואפשרה סימולציות של מערכות עם חלבונים חופשיים (אפואנזימים) במשך 2 ns. לאחר מכן, הוא שופר כדי לכלול גרסת סימולציה אוטומטית עם ליגנדות שהוכנו באמצעות PRODRG40.

VD נבנתה כדי לסייע לכל החוקרים בתחום הביופיזיקה המבנית, הביוטכנולוגיה ותחומים קשורים שיש להם מגבלות בידע חישובי; הכלי מאפשר לחוקרים אלה לבחון את השערותיהם הכוללות סימולציות MD מכל מערכת מבצעית וללא גישה למחשב בעל ביצועים גבוהים (HPC). מטרת עבודה זו היא להציג את התכונות החדשות של Visual Dynamics גירסה 3.0. בנוסף, הוא שואף להציג פרוטוקול שימוש מעודכן עבור הכלי ולהדגיש את המגבלות שיש לטפל בהן בעתיד, יחד עם סטטיסטיקות שימוש עד לרגע זה (איור 1).

Protocol

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

1. גישה לתוכנה ורישום משתמש חדש

  1. בקר בדף האינטרנט Visual Dynamics (VD). לחץ על + Register icon בפינה השמאלית העליונה כדי ליצור חשבון. הירשם כדי להשתמש בתוכנה.
    הערה: רק כתובות דואר אלקטרוני מוסדיות מותרות. המשתמש יקבל הודעת דוא"ל לאחר אישור הרשמתו.
  2. לחץ על Login בפינה השמאלית העליונה כדי לגשת למסך הכניסה למערכת. מלא את שדות שם המשתמש/דוא"ל והסיסמה ולחץ על התחבר. לאחר הכניסה, למשתמש תהיה גישה לאזור הגשת הסימולציה שלו. הם יכולים גם להציג ערכות לימוד וסטטיסטיקות שימוש עבור VD.

2. הגשת סימולציית אפואנזים

  1. לחצו על 'סימולציה חדשה ' בסרגל הצד השמאלי. במסך שמופיע, לחץ על כפתור APO, המתייחס לאפואנזים.
  2. העלה את קובץ החלבון החינמי 4mvg.pdb. בחר בשדה הכוח AMBER94 (או בכל אפשרות מתאימה אחרת).
    הערה: ניתן להשיג 4mvg.pdb מקובץ משלים 1 או להוריד ישירות מבנק נתוני החלבונים (PDB).
  3. בחר את דגם המים TIP3P. בחר בתיבה קובייה. בחר מרחק של 0.5 ננומטר בין קצה החלבון לקצה הקופסה.
    הערה: האפשרויות שנבחרו הן הצעות בלבד. כל האפשרויות האחרות פועלות ב- VD.
  4. בדוק את האפשרות הפעל בשרתים שלנו כדי לבצע את הסימולציה עם הקבצים והפרמטרים שהוגשו. לאחר לחיצה על הפעל סימולציה, המשתמש יראה את התפתחות שלבי הסימולציה על המסך ויקבל הודעת דוא"ל על סטטוס הסימולציה עם השלמתה.

3. הגשת סימולציה של אנזים מורכב עם ליגנד שהוכן ב-ACPYPE

  1. באמצעות UCSF Chimera20, פתח את קומפלקס ליגנד החלבונים 4mgv.pdb41, תחת בחר, לחץ על שאריות והגדר את הקוד ל- D5I. לאחר מכן, תחת קובץ, לחץ על שמור PDB, בחר שמור אטומים נבחרים בלבד, הגדר את שם הקובץ ל- ligand.pdb ולחץ על שמור.
  2. שלח את הקובץ ligand.pdb שנוצר בשלב הקודם לשרת ACPYPEBio2Byte 42, מקבצי הפלט, ligand_NEW.itp ו- ligand_NEW.pdb יהיו אלה שישמשו ויסופקו בניסוי זה.
    הערה: ניתן להשיג את הקבצים ligand_NEW.itp ו- ligand_NEW.pdb מקובץ משלים 2 ומקובץ משלים 3.
  3. לחצו על 'סימולציה חדשה ' בסרגל הצד השמאלי. לחץ על הכפתור חלבון + ליגנד (מוכן ACPYPE).
  4. העלה את קובץ החלבון החינמי 4mvg.pdb. בחר את קובצי הליגנד שהוכנו ב- ACPYPE: ligand_NEW.itp ו- ligand_NEW.pdb. בחר בשדה הכוח AMBER94.
  5. בחר את דגם המים TIP3P. בחר בתיבה קובייה. בחר מרחק של 0.5 ננומטר בין קצה החלבון לקצה הקופסה. האפשרויות שנבחרו הן רק הצעות. כל האפשרויות האחרות פועלות ב- VD.
  6. בדוק את האפשרות הפעל בשרתים שלנו כדי לבצע את הסימולציה עם הקבצים והפרמטרים שהוגשו. לאחר לחיצה על הפעל סימולציה, המשתמש יראה את התפתחות שלבי הסימולציה על המסך ויקבל הודעת דוא"ל על סטטוס הסימולציה עם השלמתה.

4. גישה לתוצאות הסימולציה

  1. לחצו על My Simulations בסרגל הצד השמאלי.
  2. לחץ על הורד קבצי MDP כדי להוריד את קבצי תצורת הסימולציה המשמשים את הפלטפורמה למחשב המשתמש.
  3. הורד רכיבי סימולציה כמתואר להלן.
    1. לחץ על פקודות כדי להוריד את רשימת הפקודות המבוצעות על-ידי הפלטפורמה למחשב המשתמש.
    2. לחץ על יומן GROMACS כדי להוריד את קובץ יומן הרישום המכיל פלטי פקודות .gmx ברצף למחשב המשתמש.
    3. לחץ על תוצאות כדי להוריד קבצים שנוצרו על-ידי פקודות .gmx, כגון _npt.gro, _pr.edr, _pr.tpr, _pr_PBC.gro ו- pr_PBC.xtc למחשב המשתמש.
    4. לחץ על איור גרפיקה כדי להוריד גרפים לניתוח כל שלב סימולציה בתמונה ובתבנית .xvg למחשב המשתמש.

Results

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

VD מספק ביצוע סימולציה אוטונומי לחלוטין שאינו דורש התערבות משתמש או משאבים חישוביים שסופקו על ידי המשתמש. לאחר הגשת סימולציה לביצוע, המשתמש יכול לעזוב אותה, לכבות את המכונות שלו, והסימולציה תמשיך לפעול. זה גם מאפשר למשתמשים לגשת לתוצאות מכל מכשיר, בין אם זה מחשב נייד או מכשיר נייד.

כדוגמה לשימוש ב-VD במצב אוטומטי דרך האינטרנט, הבדיקה נעשתה עבור קומפלקס חלבון-ליגנד שהוכן ב-ACPYPE תוך שימוש במבנה של חלבון קושר FK506 מפלסמודיום vivax מורכב עם המעכב D5 (מזהה PDB: 4mgv)41. ההכנה פעלה לפי הפרוטוקול המתואר, ותוצאות הניתוח מוצגות באיור 2A-D.

איור 2A מייצג את סטיית הריבוע הממוצעת של השורש (RMSD) בין מבנה החלבון הראשוני לבין הסימולציה שלו במהלך 5 ננונים (כפי שנקבע במערכת). עמוד השדרה של החלבון הציג RMSD של פחות מ -2.5 Å לאורך כל הסימולציה. איור 2B מציג את רדיוס הגירציה (Rg), אשר מתאר את הקומפקטיות של החלבון במהלך סימולציית 5 ננונים. גרף זה מציג את Rg בשלוש הקואורדינטות, x, y ו- z, וכן את הערך הכולל. איור 2C מדגים את התנודות בריבוע ממוצע השורש (RMSF) שמייצג את מרחק התנודות הממוצע של כל חומצת אמינו במבנה החלבון במהלך סימולציית 5 ננונים. איור 2D מתאר את השונות האנרגטית ב-kJ/mol עבור המערכת במהלך תהליך מזעור האנרגיה באמצעות שיטת הירידה התלולה ביותר. מגרף זה אנו רואים שהמערכת התייצבה בכוח מרבי של פחות מ-1000 kJ/mol/nm.

מקרה שימוש נוסף הוא כאשר המשתמש רוצה להפעיל אותו בשרת משלו עם Gromacs מותקן. צורת שימוש זו לא כוסתה בפרוטוקול זה מכיוון שהיא דורשת רמה מתונה של ידע על יישומי מסוף לינוקס ו- CLI. שיטה זו משתמשת ב- VD כמחולל של פקודות Gromacs הניתנות לשינוי המשיגות את אותה תוצאה כמו VD כאשר הן מבוצעות כפי שנוצרו. הם מורידים את קובצי MDP ואת הקובץ שמכיל את הפקודות שנוצרו (איור 3A). הכל זמין ב- VD. כאשר הם מבצעים אותו במסוף לינוקס, הם יקבלו תוצאות כמו איור 3B.

figure-results-1
איור 1: שימוש ב-VD ליצירת סקריפטים של פקודות. (A) רשימת פקודות שנוצרו ב-VD כאשר נבחרה אפשרות ההורדה של רשימת הפקודות. (B) דוגמה לפלט מביצוע פקודה. פשוט העתק, הדבק והפעל את בקשת Linux המקומית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-2
איור 2: סטטיסטיקות גישה ושימוש ב- Visual Dynamics. יותר מ -4,000 משתמשי IP בודדים מסביבות 63 מדינות כבר ניגשו ל- VD. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-3
איור 3: דוגמאות לגרפי פלט הקשורים לניתוח VD אוטומטי. (A) סטיית ריבוע ממוצע שורש (RMSD) במהלך 5 ns. (B) רדיוס גירציה (Rg) במהלך 5 ns. (C) תנודות ריבועיות ממוצעות שורש (RMSF) במהלך 5 ns. ציר ה-x של גרף RMSF מייצג את מספר חומצות האמינו באנזים ואת פלטי תוכנת ההדמיה בגודל מינימלי. אם החלבון גדול יותר, ציר ה-x יגדל. (D) השתנות אנרגיה במהלך תהליך מזעור האנרגיה. וריאציית האנרגיה מסתיימת כאשר התהליך מגיע לערך הולם. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור משלים 1: תרשים זרימה מפושט של התהליך שבו Visual Dynamics משתמש כדי להגדיר סימולציה חדשה. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

איור משלים 2: תרשים זרימה מפושט של התהליך שבו Visual Dynamics משתמש כדי לנהל את הביצוע של סימולציות בתור. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 1: קובץ pdb חלבוני. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 2: קובץ ליגנד itp. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

קובץ משלים 3: קובץ ליגנד pdb. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Discussion

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

אוטומציה של תהליכים אינה קלה, אבל זה גם פחות קשה מאשר תכנות מחדש של מערכת מאפס. Gromacs היא כיום תוכנת הסימולציה המולקולרית הפופולרית ביותר, והיא מתעדכנת כל הזמן. המחלקה לכימיה ביופיזיקלית באוניברסיטת חרונינגן פיתחה אותו בתחילה, וכיום הוא מתוחזק על ידי המעבדה למדעי החיים באוניברסיטת שטוקהולם43.

עבור כל משתמש חדש, לימוד טכניקות סימולציה הוא מסע ארוך. VD מתגלה כחלופה כדי להקל על תהליך למידה זה, כמו גם כדי לאמת ניסויים לפני השקעת משאבים בהפעלת סימולציות לפרקי זמן ארוכים יותר. משתמשים יכולים לבצע 5 ns של סימולציה ובכך להעריך את התועלת של הרחבה נוספת של הסימולציה.

אוטומציה של שרשור והעברת פרמטרים לפקודות Gromacs אפשרית רק באמצעות האופן שבו לינוקס מספקת ומאפשרת ניהול של המסוף שלה. אחד המאפיינים העיקריים של VD שאיפשר אוטומציה מלאה ניתן לראות באיור 3B. בגישה ידנית, יש צורך עבור המשתמש לקיים אינטראקציה בתחילת הביצוע כדי לבחור את הקבוצות להיות מנותח16. במקרה זה, קבוצה 4 (עמוד שדרה) נבחרה כברירת המחדל. כדי לעקוף שלב זה ולהפוך את האינטראקציה עם המשתמש לאוטומטית, הד הפקודה "4 4" מועבר לפקודה .gmx מאחורי הקלעים, יחד עם כלי שרשור המכונה pipe (|) בשורת הפקודה עצמה. זה שימושי עבור מתכנתים שרוצים לפתח כלי דומה VD ומאפשר אוטומציה ואמולציה של אינטראקציה המשתמש.

נכון לעכשיו, VD מוגבל להפעלת סימולציות עם משך של 5 ns בשרת WEB. בגרסה הקודמת, מגבלה זו הייתה רק 2 ns39. אם יש צורך בזמן סימולציה ארוך יותר, מומלץ להוריד את קבצי הסקריפט וה-MDP לביצוע במחשב של המשתמש עצמו עם Gromacs מותקנים. האפשרויות נטרול מערכת והתעלמות ממימן מופעלות תמיד ולא ניתן להשבית אותן. באופן דומה, האפשרות השתמש בדיוק כפול מושבתת תמיד. אפשרויות אלה מוצגות כדי ליידע את המשתמש. מסיבות ביצועים, הם קבועים. הגרסה הנוכחית אינה מבצעת סימולציות עם ליגנדות שהוכנו בשדות כוח OPLS או CHARMM. מגבלה זו היא טכנית וזמנית בלבד.

מבחינה מבנית, ל- VD יש שני יישומים: חזית אינטרנט, שהיא היישום שהמשתמש רואה, ו- back-end של שרת, שהוא היישום שיעשה את העבודה הקשה של הגדרה והפעלה של MD. חזית האינטרנט היא ממשק פשוט עם טפסים כדי לאסוף את מה שהמשתמשים רוצים לעשות באמצעות בחירות, מתגים ובוררי קבצים; תרשים הזרימה של חזית האינטרנט יושמט לעת עתה, כפי שהוא מתואר, צעד אחר צעד בפרוטוקול.

ה-back-end של השרת מורכב משני שירותים: יישום לניהול והגדרה של MDs ויישום נוסף לניהול והפעלה של MDs בו זמנית. איור משלים 1 מציג את הזרימה שנלקחה להגדרת MD, ואיור משלים 2 מציג את הזרימה של יישום תור הביצוע.

ישנם גם כלים אוטומטיים / אינטרנט אחרים להפעלת MD מלבד Visual Dynamics, כל אחד עם קבוצה משלו של יתרונות וחסרונות. ASGARD35, Gmx_qk36 ו- CHAPERONg37 הם כלים מצוינים המסייעים להקל על השימוש ב- GROMACS14 אך הם עדיין יישומי CLI הדורשים מהמשתמש מידה מינימלית של ידע על המעטפת. BioBB-Wfs38 הוא היישום הדומה ביותר ל- VD39, הוא מציע גם הרבה דברים ש- VD לא, מכיוון שהוא משתמש ב- BioBB44, ספרייה המורכבת מעטיפות סביב כלי MD פופולריים. המסכים יכולים להיות קצת מורכבים מדי עבור מישהו שרק מתחיל. התהליך מורכב למדי בהשוואה ל- VD. לאחר שלבים רבים, נוצר סוג של רכיב אוניברסלי שנקרא Common Workflow Language (CWL) לביצוע ב- HPC. עם זאת, המשתמש צריך לקבל גישה לשרתים אלה, אשר אינו בחינם באופן טבעי.

במופע הציבורי הנוכחי של VD מותקן Gromacs לשימוש במעבד, אך ניתן להתקין אותו עם הוראות לשימוש ביחידת העיבוד הגרפי (GPU) של המכונה, המשפרת מאוד את ביצועי הסימולציה45. יתר על כן, סקריפט הפקודה שנוצר ב- VD הוא שקוף GPU, כלומר ניתן לבצע אותו במחשב עם GPU מותקן ללא צורך לשנות דבר בפקודות.

בנקודת זמן זו, VD הוא כלי נהדר להציג MD למישהו חדש בו, אבל זה עשוי להיות בשימוש הטוב ביותר על ידי אלה שמכירים MD ו Gromacs. ניתן להשתמש בו בשיעורי סימולציה, שבהם הפרופסור זקוק לגישה מהירה ללא בעיות התקנה או תצורת פרמטרים לביצוע תרגיל. בנוסף, ניתן להשתמש ב-VD כדי לאמת סימולציה; אם הוא פועל עבור 5 NS, זה מוצדק להשקיע בהרחבת הסימולציה באמצעות הקבצים שנוצרו בתוך VD.In כללי, הקבוצה עובדת על הכללת ניתוחים אוטומטיים יותר כגון H-bonds ומכניקה מולקולרית Poisson-Boltzmann Surface Area (MMPBSA) קשירת אנרגיה תוך שאיפה מתמדת לשפר את השימושיות.

Disclosures

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

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

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

עבודה זו נתמכה על ידי Fundação Oswaldo Cruz (Fiocruz), Fundação para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Saúde (Fiotec), המכון הלאומי של Ciência e Tecnologia de Epidemiologia da Amazônia Ocidental - INCT-EpiAmO, Fundação Rondônia de Amparo ao Desenvolvimento das Ações Científicas e Tecnológicas e à Pesquisa do Estado de Rondônia (FAPERO), Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) ו-Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Materials


List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
שרת ACPYPEBio2Byteזמין במעבדת
הפלזמה של תוכנת https://www.bio2byte.be/acpype/ GRACE במכון ויצמן למדעזמין בתוכנת https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/
GROMACSהוראות התקנה שלGROMACS
המבנה של חלבון קושר FK506
מפלסמודיום ויווקס מורכב עם מעכב D5		RCSB מעכבבכתובת https://www.rcsb.org/structure/4mgv
כבר מכיל את הליגנד המורכב למקרומולקולה.
צוות בכתובת https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html זמין

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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. Karplus, M., McCammon, J. A. Molecular dynamics simulations of biomolecules. Nat Str Biol. 9 (9), 646-652 (2002).
  3. 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. Stillinger, F. H., Rahman, A. Improved simulation of liquid water by molecular dynamics. J Chem Phys. 60 (4), 1545-1557 (1974).
  5. Zinovjev, K., Van Der Kamp, M. W. Enlighten2: molecular dynamics simulations of protein-ligand systems made accessible. Bioinformatics. 36 (20), 5104-5106 (2020).
  6. McCammon, J. A., Gelin, B. R., Karplus, M. Dynamics of folded proteins. Nature. 267 (5612), 585-590 (1977).
  7. 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. 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. 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. Addison-Wesley Pub. Co. The Art of human-computer interface design. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, Mass. (1990).
  11. Wigdor, D., Wixon, D. Brave NUI World: Designing Natural User Interfaces for Touch and Gesture. , Elsevier Science. Saint Louis. (2014).
  12. Unwin, A., Heike, H. GUI and Command-line - Conflict or Synergy. , (2000).
  13. Clark, D. Developing Web Applications. Beginning C# Object-Oriented Programming. , 243-263 (2011).
  14. Eswar, N., et al. Comparative protein structure modeling using Modeller. Curr Protoc Bioinformatics. 5, 10(2006).
  15. Morris, G. M., et al. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility. J Comp Chem. 30 (16), 2785-2791 (2009).
  16. 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. 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. The PyMOL molecular graphics system. , Available from: https://pymol.org/ (2023).
  19. Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. VMD: Visual molecular dynamics. J Mol Graph. 14 (1), 33-38 (1996).
  20. Pettersen, E. F., et al. UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis. J Comp Chem. 25 (13), 1605-1612 (2004).
  21. PyRx-python prescription v. 0.8. , Available from: https://pyrx.sourceforge.io/ (2023).
  22. 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. Maestro. , Available from: https://www.schrodinger.com/platform/products/maestro/ (2024).
  24. Molecular operating environment (MOE). , Available from: https://www.chemcomp.com/en/Products.htm (2023).
  25. The Syntax, Vocabulary and APIs of HTML5. , Available from: https://dev.w3.org/html5/html-author/ (2023).
  26. Cascading Style Sheets. , Available from: https://www.w3.org/Style/CSS/ (2023).
  27. ECMAScript 2020 language specification, 11th edition. , Available from: https://www.ecma-international.org/publications-and-standards/standards/ecma-262/ (2023).
  28. 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. 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. 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. 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. Kozakov, D., et al. The ClusPro web server for protein-protein docking. Nat Prot. 12 (2), 255-278 (2017).
  33. 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. Ribeiro, J. V., et al. QwikMD - Integrative molecular dynamics toolkit for novices and experts. Sci Rep. 6 (1), 26536(2016).
  35. Rodríguez Martínez, A., et al. ASGARD. A simple and automatic GROMACS tool to analyze Molecular Dynamic simulations. , (2023).
  36. 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. 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. 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. Vieira, I. H. P., et al. Visual dynamics: a WEB application for molecular dynamics simulation using GROMACS. BMC Bioinfo. 24 (1), 107(2023).
  40. 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. 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. Sousa Da Silva, A. W., Vranken, W. F. ACPYPE - AnteChamber PYthon Parser interfacE. BMC Res Notes. 5 (1), 367(2012).
  43. Gromacs developmet and developers. , Available from: https://www.gromacs.org/development.html (2023).
  44. Andrio, P., et al. BioExcel building blocks, a software library for interoperable biomolecular simulation workflows. Sci Data. 6 (1), 169(2019).
  45. 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