Visual Dynamics 3.0 の新機能

Summary

Visual Dynamicsは、Gromacsを使用した分子動力学シミュレーションの実装と学習を加速するオープンソースツールです。提示されたプロトコルでは、ACPYPEで調製したタンパク質-リガンドシミュレーションを簡単に実行するための手順と、他のシミュレーションモデルの一般的な手順をガイドします。

Abstract

Visual Dynamics(VD)は、Gromacsで実行される分子動力学(MD)の使用と適用を容易にすることを目的としたWebツールであり、計算に詳しくないユーザーでも、検証、デモンストレーション、および教育目的で短時間のシミュレーションを実行できるようにします。量子法が最も正確であることは事実です。しかし、現在のところ、MDが行うような実験を実行するための計算上の実現可能性はありません。ここで説明するツールは、ここ数年にわたって継続的に改善されてきました。このプロトコルでは、ACPYPEで以前に調製したタンパク質-リガンド複合体を使用してVDでシミュレーションを実行するために必要なものと、利用可能な他のシミュレーションモデルに関するいくつかの一般的な指示について説明します。詳細なシミュレーションでは、三日熱マラリア原虫由来のFK506結合タンパク質と阻害剤D5(PDB ID:4mgv)を複合体化し、使用したすべてのファイルを提供します。このプロトコルは、提示されたのと同じ結果を達成するために使用するすべてのオプションを指示しますが、これらのオプションが必ずしも利用可能な唯一のオプションではないことに注意してください。

Introduction

IUPACの定義によれば、MDは、ニュートンの運動の法則に従って、分子内の原子、または固体、液体、気体中の個々の原子または分子の運動を計算することからなるシミュレーション手順です。原子に作用する力は、その運動をシミュレートするために必要なもので、一般的には分子力学¹の力場を用いて計算される。これは、分子レベル、多くの場合原子レベル²で情報を抽出しようとするあらゆる現象に適用できます。

MDは、バイオインフォマティクス、特に構造バイオインフォマティクスに組み込まれている技術の1つです。それにより、生体分子構造の動力学的および熱力学的特性を得ることが可能である。例えば、高分子安定性、アロステリック部位の同定、酵素活性のメカニズムの解明、低分子との複合体の分子認識と物性、タンパク質間の会合、タンパク質のフォールディング、その水和などである³。さらに、MDは、分子設計(医薬品設計で広く使用されている)から、その構造とその精製(X線、NMR、およびタンパク質モデリング)を決定するための幅広い研究を可能にします³。MDの最後に得られる結果は、非^{量子シミュレーション4}の観点から最も豊富で完全です。古典的なMDは、実質的な近似の数のために、生体分子システムの物理学を十分に考慮して予想されるよりもはるかに効率的です。特に、量子力学効果は通常無視されます³。しかし、MD実験の実施は簡単ではありません⁵。コンピューティングの知識、特にほとんどの構造バイオインフォマティクスソフトウェアがLinuxターミナル用に作られているため、Linuxターミナルの知識が必要です。その知識があっても、Gromacsのコマンドとパラメータ化の学習は、別の急な学習曲線です。

1977年に生物学に初めて応用され^{て以来、計算}処理の増加とコーディングの改善により、多くの進化が遂げました。20年以上前、生物学的問題を対象とした最初のMDソフトウェア、すなわちGromacs⁷、AMBER⁸、NAMD⁹が発売されました。

最初のバージョン以来、これらのソフトウェアは依然として最も使用され、引用されています。しかし、彼らは、コンピュータの専門家ではない研究者を悩ませているのと同じ共通の実装上の困難を抱え続けています⁵。インストールと構成の手順が複雑なものもあり、最大限に活用するために実行するハードウェアに関する広範な知識と、高度にコンピューター中心の技術ドキュメントが必要になる場合があります。コマンドラインと無限パラメータを除けば、それらとインターフェースする簡単な方法が必要です。

インターフェースは、実行される論理プロセスと人間¹⁰との間の仲介者として機能する。ソフトウェアの実行方法のパラダイムは、コンピューティングリソースの向上とともに進化してきました。最初のデジタルパラダイムは、コマンドラインインターフェース(CLI)であり、その後、既知のグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)¹¹に進化しました。進化のサイクルに続いて、World Wide Web(または単にWEB)によって生成されるインターフェースは、^GUI11の進化と見なされます。これら3つのパラダイムは、現在、開発者に依存して共存しています。CLI アプリケーションは、オペレーティング・システム・コンソールでテキスト・コマンドを使用します。GUI アプリケーション (グラフィカル デスクトップとも呼ばれます) は、ウィンドウ、ボタン、およびその他のコンポーネントで構成されるグラフィカル インターフェイスを使用します。これは、オペレーティングシステム用に固有で事前にプログラムされています。CLIとの主な違いは、ヒューマンマシンインタラクション¹²の追加要素としてマウスを使用することです。WEBアプリケーションは、GUIと混同されているにもかかわらず、開発はより複雑ですが、より用途が広く、運用においてはるかに機敏です。さらに、それらはブラウザと呼ばれるインタプリタソフトウェアにのみ依存しており、これにより、クライアントアプリケーションはオペレーティングシステム¹³から独立したネットワークを介してサーバと通信することが可能になる。

構造バイオインフォマティクスソフトウェアは、CLIおよびGUIパラダイムを最も一般的に使用します。CLIを使用する従来のソフトウェアの例としては、類似性モデリング用のModeller¹⁴ 、分子ドッキング用のAutodock¹⁵ 、分子動力学用のGromacs¹⁶ などがあります。GUIタイプを採用しているソフトウェアの例としては、SwissPDBviewer¹⁷、Pymol¹⁸、VMD¹⁹、UCSF Chimera²⁰、Autodockツール¹⁵、PyRx²¹、Biovia²²、Maestro²³、Moe²⁴などがあります。

Hypertext Markup Language version 5 (HTML5)²⁵、Cascading Style Sheets (CSS)²⁶、Javascript²⁷ などの技術の出現により、多くの構造バイオインフォマティクス アプリケーションを WEB に持ち込むことができ、よりアクセスしやすくなりました。類似性モデリングWEBサーバーの例としては、Modeller¹⁴をバックエンドとして使用するMODWEB²⁸や、Swissmodel²⁹があります。分子ドッキング用の Web アプリケーションサーバーの例としては、Haddock³⁰、Swissdock³¹、Cluspro³²、Dockthor³³ などがあります。

構造解析、モデリング、ドッキングの方法論は、CLIパラダイムからGUI、そして最終的にはWEBへと進化しましたが、MDは引き続きコマンドライン実行(CLIタイプ)によって主にサポートされています。このパノラマを改善するために、いくつかの優れたイニシアチブが生まれています。これらの取り組みの例としては、VMD³⁴ の QwikMD プラグイン、PyMOL の GROMACS プラグイン、UCSF Chimera²⁰ の分子動力学シミュレーション オプションなどの既存のソフトウェアへのプラグインの実装、ASGARD³⁵、Gmx_qk³⁶、CHAPERONg³⁷ などの新しくて簡単な CLI アプリケーション、堅牢な Web プラットフォームである BioBB-Wfs³⁸ などがあります.これらのプラグインやアプリケーションの使用は進歩ですが、その実装は、ほとんどの未熟な研究者にとって依然として課題です。一般的な問題には、MDソフトウェアのインストールと構成の問題が含まれ、シミュレーション⁵の完全な実行が損なわれることがよくあります。

2022年、フィオクルス・ロンドニア³⁹のLaboratório de Bioinformática e Química Medicinal から、ウェブベースの計算シミュレーション用のVisual Dynamicsソフトウェアが利用可能になりました。その初期バージョンはPythonとFlaskで構築されており、遊離タンパク質(アポエンザイム)を持つシステムのシミュレーションをわずか2nsで行うことができます。その後、PRODRG⁴⁰を使用して調製されたリガンドを使用した自動シミュレーションバージョンを含むように拡張されました。

VDは、構造生物物理学、バイオテクノロジー、および計算知識に限界がある関連分野のすべての研究者を支援するために設立されました。このツールにより、これらの研究者は、ハイパフォーマンスコンピューター(HPC)にアクセスすることなく、任意の運用システムからMDシミュレーションを含む仮説をテストできます。この作業の目的は、Visual Dynamics バージョン 3.0 の新機能を紹介することです。さらに、ツールの更新された使用プロトコルを導入し、現時点までの使用状況統計とともに、将来対処すべき制限を強調することを目的としています(図1)。

Protocol

1. ソフトウェアへのアクセスと新規ユーザー登録

1. Visual Dynamics(VD)のWebページにアクセスします。右上の 「+登録 」アイコンをクリックして、アカウントを作成します。ソフトウェアを使用するには、登録してください。
   注: 教育機関のメールアドレスのみが許可されます。登録が承認されると、ユーザーにはメール通知が届きます。
2. 右上の [ログイン ]をクリックして、システムのログイン画面にアクセスします。ユーザー名/メールアドレスとパスワードのフィールドに入力し、 ログインをクリックします。ログイン後、ユーザーはシミュレーション送信エリアにアクセスできます。また、VD のチュートリアルと使用統計を表示することもできます。

2. アポエンザイムシミュレーションの提出

1. 左側のサイドバーで [新しいシミュレーション ]をクリックします。表示される画面で、アポエンザイムを指す APOボタンをクリックします。
2. 無料のタンパク質4mvg.pdbファイルをアップロードします。 AMBER94力場 (またはその他の適切なオプション)を選択します。
   注:4mvg.pdbは 、補足ファイル1 から取得するか、Protein Data Bank(PDB)から直接ダウンロードできます。
3. TIP3P 水モデルを選択します。キュービック ボックスを選択します。タンパク質とボックスエッジの間の距離を0.5 nm選択します。
   注:選択されているオプションは単なる提案です。他のすべてのオプションはVDで機能します。
4. Run in Our Serversオプションにチェックを入れ、送信されたファイルとパラメータでシミュレーションを実行します。[シミュレーションの実行] をクリックすると、シミュレーション ステップの進行状況が画面に表示され、完了時にシミュレーション ステータスに関する電子メール通知が届きます。

3. ACPYPEで調製した酵素とリガンドの複合体のシミュレーションの提出

1. UCSF Chimera²⁰ を使用して、 タンパク質-リガンド複合体 4mgv.pdb⁴¹ を開き、[選択] で [残基] をクリックし、コードを D5I に設定します。次に、[ファイル] で [ PDB の保存] をクリックし、[ 選択した原子のみを保存] を選択し、ファイル名を ligand.pdb に設定して [保存] をクリックします。
2. 前のステップで生成したファイルligand.pdbをBio2Byte ACPYPEサーバ⁴²に提出し、出力ファイルから、ligand_NEW.itpおよびligand_NEW.pdbがこの実験で使用され提供されるものとなる。
   注 : ligand_NEW.itp ファイルと ligand_NEW.pdb ファイルは、補足ファイル 2 と補足ファイル 3 から取得できます。
3. 左側のサイドバーにある [新しいシミュレーション ]をクリックします。 ボタンをクリックします タンパク質+リガンド (ACPYPEで調製)。
4. 無料のタンパク質4mvg.pdbファイルをアップロードします。ACPYPEで用意した リガンドファイル (ligand_NEW.itpとligand_NEW.pdb)を選択します。 AMBER94力場を選択します。
5. TIP3P 水モデルを選択します。キュービック ボックスを選択します。タンパク質とボックスエッジの間の距離を0.5 nm選択します。選択されているオプションは単なる提案です。他のすべてのオプションはVDで機能します。
6. Run in Our Serversオプションにチェックを入れ、送信されたファイルとパラメータでシミュレーションを実行します。[シミュレーションの実行] をクリックすると、シミュレーション ステップの進行状況が画面に表示され、完了時にシミュレーション ステータスに関する電子メール通知が届きます。

4. シミュレーション結果へのアクセス

1. 左側のサイドバーにある[ マイシミュレーション] をクリックします。
2. [Download MDP Files]をクリックして、プラットフォームで使用されるシミュレーション設定ファイルをユーザーのコンピューターにダウンロードします。
3. 以下で説明するように、シミュレーション要素をダウンロードします。
   1. [ コマンド ] をクリックして、プラットフォームによって実行されたコマンドのリストをユーザーのコンピューターにダウンロードします。
   2. [GROMACS Log]をクリックして、.gmxコマンド出力を含むログファイルを順番にユーザーのコンピューターにダウンロードします。
   3. [ 結果 ] をクリックして、.gmx コマンドによって生成されたファイル (_npt.gro、_pr.edr、_pr.tpr、_pr_PBC.gro、pr_PBC.xtc など) をユーザーのコンピューターにダウンロードします。
   4. Figure Graphicsをクリックすると、各シミュレーションステップを解析するためのグラフが画像および.xvg形式でユーザーのコンピューターにダウンロードされます。

Results

VDは、ユーザーの介入やユーザー提供の計算リソースを必要としない、完全に自律的なシミュレーション実行を提供します。シミュレーションを実行にサブミットした後、ユーザーはシミュレーションを終了し、マシンの電源を切ると、シミュレーションは実行を続けます。また、ユーザーはラップトップやモバイルデバイスなど、どのデバイスからでも結果にアクセスできます。

ウェブを介した自動モードでVDを使用する例として、三 日熱マラリア原虫 由来のFK506結合タンパク質の構造を用いてACPYPEで調製したタンパク質-リガンド複合体について試験を行った(PDB ID:4mgv)⁴¹。調製は記載されたプロトコルに従い、分析の結果を 図2A〜Dに示します。

図2A は、初期タンパク質構造とそのシミュレーションとの間の5ns(システム内で固定されている)間の二乗平均平方根偏差(RMSD)を表しています。タンパク質骨格は、シミュレーション全体を通じて2.5 Å未満のRMSDを示しました。 図2B は、5nsのシミュレーション中のタンパク質のコンパクトさを表す回転半径(Rg)を示しています。このグラフは、X、Y、Z の 3 つの座標の Rg と全体の値を示しています。 図2C は、5nsのシミュレーション中のタンパク質構造内の各アミノ酸の平均変動距離を表す二乗平均平方根変動(RMSF)を示しています。 図 2D は、最も急な降下法を使用したエネルギー最小化プロセス中のシステムのエネルギー変動を kJ/mol で示しています。このグラフから、システムは最大力1000kJ/mol/nm未満で安定していることがわかります。

別のユースケースは、ユーザーがGromacsがインストールされた自分のサーバーで実行したい場合です。この形式の使用方法は、Linux ターミナルと CLI アプリケーションに関する中程度の知識が必要なため、このプロトコルではカバーされていませんでした。この方法では、VD を変更可能な Gromacs コマンドのジェネレータとして使用し、生成どおりに実行したときに VD と同じ結果が得られます。MDP ファイルと、生成されたコマンドを含むファイルをダウンロードします (図 3A)。VDでは、すべてが利用できます。Linuxターミナルで実行すると、 図3Bのような結果が得られます。

図 1: VD を使用したコマンド スクリプトの生成 (A) コマンド リスト ダウンロード オプションを選択した場合に VD で生成されるコマンドの一覧。(B) コマンド実行時の出力例コピーして貼り付け、ローカルのLinuxプロンプトで実行するだけです。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:Visual Dynamicsのアクセスと使用の統計。 約63カ国から4,000人以上のシングルIPユーザーがすでにVDにアクセスしています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:自動VD解析に関連する出力グラフの例(A)5nsの二乗平均平方根偏差(RMSD)。(B)5nsのコースにわたる回転半径(Rg)。(C)5nsのコースにわたる二乗平均平方根変動(RMSF)。RMSFグラフのx軸は、酵素内のアミノ酸数を表し、イメージングソフトウェアは最小サイズで出力します。タンパク質が大きければ大きいほど、x軸は大きくなります。(D)エネルギー最小化プロセス中のエネルギー変動。エネルギー変動は、プロセスが適切な値に達すると終了します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

補足図1:Visual Dynamicsが新しいシミュレーションを設定するために使用するプロセスの簡略化されたフローチャート。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足図2:Visual Dynamicsがキューに入れられたシミュレーションの実行を管理するために使用するプロセスの簡略化されたフローチャート。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル1:タンパク質pdbファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル2:リガンドitpファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

補足ファイル3:リガンドpdbファイル。このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。

Discussion

プロセスの自動化は簡単ではありませんが、システムをゼロから再プログラミングするよりも難しくありません。Gromacsは現在最も人気のある分子シミュレーションソフトウェアであり、常に更新されています。フローニンゲン大学の生物物理化学部が最初に開発し、現在はストックホルム大学の生命科学研究所によって維持されています⁴³。

新しいユーザーにとって、シミュレーション技術を学ぶのは長い道のりです。VDは、この学習プロセスを促進するための代替手段として登場し、シミュレーションの実行にリソースを投資する前に実験を検証するための代替手段として登場しました。ユーザーは5nsのシミュレーションを実行できるため、シミュレーションをさらに拡張することの有用性を評価できます。

連結の自動化と Gromacs コマンドへのパラメータの受け渡しは、Linux がその端末を提供し、管理できるようにする方法を通じてのみ可能です。完全自動化を可能にしたVDの主な特徴の1つを 図3Bに示します。手動アプローチでは、ユーザーが実行の開始時に対話して、分析するグループ¹⁶を選択する必要があります。この場合、デフォルトとしてグループ4(バックボーン)が選択されています。この手順をバイパスしてユーザーの操作を自動化するために、コマンド echo "4 4" がバックグラウンドで .gmx コマンドに渡され、コマンド ライン自体のパイプ (|) と呼ばれる連結ツールも渡されます。これは、VDに似たツールを開発し、ユーザーインタラクションの自動化とエミュレーションを可能にするプログラマーにとって便利です。

現在、VD は WEB サーバー上で 5 ns のシミュレーションを実行することに限定されています。以前のバージョンでは、この制限はわずか 2 ns³⁹ でした。より長いシミュレーション時間が必要な場合は、スクリプトとMDPファイルをダウンロードして、Gromacsがインストールされているユーザー自身のマシンで実行することをお勧めします。「Neutralize System」と「Ignore Hydrogens」のオプションは常に有効で、無効にすることはできません。同様に、[倍精度を使用] オプションは常に無効になっています。これらのオプションは、ユーザーに通知するために表示されます。パフォーマンス上の理由から、これらは固定されています。現在のバージョンでは、OPLSまたはCHARMM力場で調製された配位子を使用したシミュレーションは実行されません。この制限は純粋に技術的なものであり、一時的なものです。

構造的には、VD には 2 つのアプリケーションがあります。Web フロントエンド (ユーザーに表示されるアプリケーション) と、サーバー バックエンド (MD のセットアップと実行の面倒な作業を行うアプリケーション) です。Webフロントエンドは、選択、トグル、およびファイルセレクターを通じてユーザーが何をしたいかを収集するためのフォームを備えたシンプルなインターフェイスです。Webフロントエンドのフローチャートは、プロトコルで段階的に説明されているように、今のところ省略します。

サーババックエンドは、MDを管理および設定するアプリケーションと、MDを同時に管理および実行するアプリケーションの2つのサービスで構成されています。 補足図1 はMDを設定するためのフローを示し、 補足図2 は実行キューアプリケーションの流れを示しています。

ASGARD³⁵、Gmx_qk³⁶、および CHAPERONg³⁷ は、GROMACS¹⁴ の使用を容易にする優れたツールですが、それでもシェルに関する最小限の知識をユーザーに要求する CLI アプリケーションです。BioBB-Wfs³⁸ はVD³⁹に最も類似したアプリケーションであり、一般的なMDツールのラッパーで構成されるライブラリであるBioBB⁴⁴を使用しているため、VDにはない多くの機能も提供します。画面は、始めたばかりの人には少し複雑すぎる場合があります。このプロセスは、VDに比べて非常に複雑です。多くの手順を踏むと、Common Workflow Language(CWL)と呼ばれる一種のユニバーサルコンポーネントが生成され、HPC上で実行されます。ただし、ユーザーはこれらのサーバーにアクセスできる必要がありますが、これは自然に無料ではありません。

VDの現在のパブリックインスタンスには、プロセッサを使用するためにGromacsがインストールされていますが、マシンのグラフィックスプロセッシングユニット(GPU)を使用するように命令してインストールできるため、シミュレーションパフォーマンスが大幅に向上します⁴⁵。さらに、VDで生成されるコマンドスクリプトはGPU透過であるため、GPUがインストールされているマシンで、コマンドを何も変更しなくても実行できます。

現時点では、VD は MD を初めて使用する人に MD を紹介するのに最適なツールですが、MD や Gromacs に精通している人が使用するのが最適です。これは、教授が演習を実行するためにインストールやパラメータ構成の問題なしに迅速なアプローチを必要とするシミュレーションクラスで使用できます。さらに、VD を使用してシミュレーションを検証できます。5 nsで動作する場合、VD.In General内で生成されたファイルを使用してシミュレーションを拡張するために投資することは正当化されます、グループは、H結合や分子力学ポアソン・ボルツマン表面積(MMPBSA)結合エネルギーなどのより自動化された解析を含むことに取り組むと同時に、使いやすさの向上を継続的に模索しています。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
ACPYPE Server	Bio2Byte		で入手可能 https://www.bio2byte.be/acpype/
GRACE software	Weizmann Institute of Science		で入手可能 https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/
GROMACS software	GROMACS Team		でのインストール手順 https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html
The structure of the FK506-binding protein From Plasmodium vivax complexed with the inhibitor D5	RCSB Protein Data Bank		(英語>https://www.rcsb.org/structure/4mgv<)高分子に複合体を形成したリガンドをすでに含んでいる。