Name: Visual Dynamics 3.0의 새로운 기능 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-08-09T14:15:00.000+00:00
Duration: 5 min
Description: 배우세요 Visual Dynamics 3.0을 활용한 단백질-리간드 상호작용 분자동역학 시뮬레이션 방법입니다. 이 오픈소스 도구는 초보자도 쉽게 시뮬레이션을 준비하고 실행할 수 있도록 지원합니다.

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이 연구는 The Fundação Oswaldo Cruz (Fiocruz), Fundação para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Saúde (Fiotec), Instituto Nacional de 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)의 지원을 받았습니다. Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) 및 Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

1. 소프트웨어 접속 및 신규 사용자 등록
<ol><li>VD(Visual Dynamics) 웹 페이지를 방문하십시오. 오른쪽 상단의 +등록 아이콘을 클릭하여 계정을 만듭니다. 소프트웨어를 사용하려면 등록하십시오. 참고: 기관 이메일 주소만 허용됩니다. 사용자는 등록이 승인되면 이메일 알림을 받게 됩니다.</li>
	<li>오른쪽 상단의 로그인 을 클릭하여 시스템 로그인 화면에 액세스합니다. 사용자 이름/이메일 및 비밀번호 필드를 입력하고 로그인을 클릭합니다. 로그인한 후 사용자는 시뮬레이션 제출 영역에 액세스할 수 있습니다. 또한 VD에 대한 자습서 및 사용 통계를 볼 수 있습니다.</li>
</ol>2. 아포엔자임 시뮬레이션 제출
<ol><li>왼쪽 사이드바에서 New Simulation(새 시뮬레이션 )을 클릭합니다. 나타나는 화면에서 apoenzyme을 참조하는 APO 버튼을 클릭하십시오.</li>
	<li>무료 단백질 4mvg.pdb 파일을 업로드합니다. AMBER94 힘 필드 (또는 다른 적절한 옵션)를 선택합니다. 참고: 4mvg.pdb는 보충 파일 1 에서 얻거나 PDB(Protein Data Bank)에서 직접 다운로드할 수 있습니다.</li>
	<li>TIP3P 수질 모델을 선택합니다. 큐빅 상자를 선택합니다. 단백질과 상자 가장자리 사이의 0.5nm 거리를 선택합니다. 참고: 선택한 옵션은 제안 사항일 뿐입니다. 다른 모든 옵션은 VD에서 작동합니다.</li>
	<li>Run in Our Servers(서버에서 실행) 옵션을 선택하여 제출된 파일 및 매개변수로 시뮬레이션을 실행합니다. 시뮬레이션 실행을 클릭하면 사용자는 화면에서 시뮬레이션 단계의 진행 상황을 볼 수 있으며 완료 시 시뮬레이션 상태에 대한 이메일 알림을 받게 됩니다.</li>
</ol>3. ACPYPE에서 제조한 Ligand와 복합된 효소의 시뮬레이션 제출
<ol><li>UCSF Chimera20을 사용하여 단백질-리간드 복합체 4mgv.pdb41을 열고 선택에서 잔기를 클릭하고 코드를 D5I로 설정합니다. 그런 다음 File(파일)에서 Save PDB를 클릭하고, Save Selected Atoms Only(선택한 원자만 저장)를 선택하고, 파일 이름을 ligand.pdb로 설정하고, Save(저장)를 클릭합니다.</li>
	<li>이전 단계에서 생성된 ligand.pdb 파일을 Bio2Byte ACPYPE 서버(42)에 제출하고, 출력 파일 ligand_NEW.itp 및 ligand_NEW.pdb가 이 실험에서 사용되고 제공된 것이 됩니다. 참고: ligand_NEW.itp 및 ligand_NEW.pdb 파일은 보충 파일 2 및 보충 파일 3에서 얻을 수 있습니다.</li>
	<li>왼쪽 사이드바에서 New Simulation(새 시뮬레이션 )을 클릭합니다. Protein + Ligand (ACPYPE에서 준비) 버튼을 클릭하십시오.</li>
	<li>무료 단백질 4mvg.pdb 파일을 업로드합니다. ACPYPE에서 준비된 리간드 파일 (ligand_NEW.itp 및 ligand_NEW.pdb)을 선택합니다. AMBER94력 필드를 선택합니다.</li>
	<li>TIP3P 수질 모델을 선택합니다. 큐빅 상자를 선택합니다. 단백질과 상자 가장자리 사이의 0.5nm 거리를 선택합니다. 선택한 옵션은 제안 사항일 뿐입니다. 다른 모든 옵션은 VD에서 작동합니다.</li>
	<li>Run in Our Servers(서버에서 실행) 옵션을 선택하여 제출된 파일 및 매개변수로 시뮬레이션을 실행합니다. 시뮬레이션 실행을 클릭하면 사용자는 화면에서 시뮬레이션 단계의 진행 상황을 볼 수 있으며 완료 시 시뮬레이션 상태에 대한 이메일 알림을 받게 됩니다.</li>
</ol>4. 시뮬레이션 결과에 액세스하기
<ol><li>왼쪽 사이드바에서 My Simulations(내 시뮬레이션 )를 클릭합니다.</li>
	<li>Download MDP Files(MDP 파일 다운로드)를 클릭하여 플랫폼에서 사용하는 시뮬레이션 구성 파일을 사용자 컴퓨터에 다운로드합니다.</li>
	<li>아래 설명된 대로 시뮬레이션 요소를 다운로드합니다.<ol><li>Commands(명령)를 클릭하여 플랫폼에서 실행된 명령 목록을 사용자의 컴퓨터에 다운로드합니다.</li>
		<li>GROMACS Log를 클릭하여 .gmx 명령 출력이 포함된 로그 파일을 사용자 컴퓨터에 순서대로 다운로드합니다.</li>
		<li>결과를 클릭하여 _npt.gro, _pr.edr, _pr.tpr, _pr_PBC.gro 및 pr_PBC.xtc와 같은 .gmx 명령으로 생성된 파일을 다운로드합니다.</li>
		<li>Figure Graphics를 클릭하여 각 시뮬레이션 단계를 분석하기 위한 그래프를 이미지 및 .xvg 형식으로 사용자 컴퓨터에 다운로드합니다.</li>
	</ol></li>
</ol>

Visual Dynamics: 분자 역학 시뮬레이션 단순화

<ol><li>International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+IUPAC+Compendium+of+Chemical+Terminology%3A+The+Gold+Book%22">The IUPAC Compendium of Chemical Terminology: The Gold Book</a>. , International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC). Research Triangle Park, NC. (2019).</li>
<li>Karplus, M., McCammon, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+dynamics+simulations+of+biomolecules%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Str+Biol%22%5BJournal%5D)">Molecular dynamics simulations of biomolecules.</a> Nat Str Biol. 9 (9), 646-652 (2002).</li>
<li>Adcock, S. A., McCammon, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Molecular+dynamics%3A+Survey+of+methods+for+simulating+the+activity+of+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Chem+Rev%22%5BJournal%5D)">Molecular dynamics: Survey of methods for simulating the activity of proteins.</a> Chem Rev. 106 (5), 1589-1615 (2006).</li>
<li>Stillinger, F. H., Rahman, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Improved+simulation+of+liquid+water+by+molecular+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Phys%22%5BJournal%5D)">Improved simulation of liquid water by molecular dynamics.</a> J Chem Phys. 60 (4), 1545-1557 (1974).</li>
<li>Zinovjev, K., Van Der Kamp, M. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Enlighten2%3A+molecular+dynamics+simulations+of+protein-ligand+systems+made+accessible%5BTitle%5D)+AND+%22Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Enlighten2: molecular dynamics simulations of protein-ligand systems made accessible.</a> Bioinformatics. 36 (20), 5104-5106 (2020).</li>
<li>McCammon, J. A., Gelin, B. R., Karplus, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamics+of+folded+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Dynamics of folded proteins.</a> Nature. 267 (5612), 585-590 (1977).</li>
<li>Berendsen, H. J. C., Van Der Spoel, D., Van Drunen, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GROMACS%3A+A+message-passing+parallel+molecular+dynamics+implementation%5BTitle%5D)+AND+%22Comp+Phys+Comm%22%5BJournal%5D)">GROMACS: A message-passing parallel molecular dynamics implementation.</a> Comp Phys Comm. 91 (1-3), 43-56 (1995).</li>
<li>Pearlman, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((a+package+of+computer+programs+for+applying+molecular+mechanics%2C+normal+mode+analysis%2C+molecular+dynamics+and+free+energy+calculations+to+simulate+the+structural+and+energetic+properties+of+molecules%5BTitle%5D)+AND+%22Comp+Phys+Comm%22%5BJournal%5D)">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.</a> Comp Phys Comm. 91 (1-3), 1-41 (1995).</li>
<li>Nelson, M. T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((NAMD%3A+A+parallel%2C+object-oriented+molecular+dynamics+program%5BTitle%5D)+AND+%22Int+J+Supercomp+Appl+High+Performance+Comp%22%5BJournal%5D)">NAMD: A parallel, object-oriented molecular dynamics program.</a> Int J Supercomp Appl High Performance Comp. 10 (4), 251-268 (1996).</li>
<li>Addison-Wesley Pub. Co. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22The+Art+of+human-computer+interface+design%22">The Art of human-computer interface design</a>. , Addison-Wesley Pub. Co. Reading, Mass. (1990).</li>
<li>Wigdor, D., Wixon, D. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aWigdor%2C+D+%22Brave+NUI+World%3A+Designing+Natural+User+Interfaces+for+Touch+and+Gesture%22">Brave NUI World: Designing Natural User Interfaces for Touch and Gesture</a>. , Elsevier Science. Saint Louis. (2014).</li>
<li>Unwin, A., Heike, H. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aUnwin%2C+A+%22GUI+and+Command-line+-+Conflict+or+Synergy%22">GUI and Command-line - Conflict or Synergy</a>. , (2000).</li>
<li>Clark, D. Developing Web Applications. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aClark%2C+D+%22Beginning+C%23+Object-Oriented+Programming%22">Beginning C# Object-Oriented Programming</a>. , 243-263 (2011).</li>
<li>Eswar, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+protein+structure+modeling+using+Modeller%5BTitle%5D)+AND+%22Curr+Protoc+Bioinformatics%22%5BJournal%5D)">Comparative protein structure modeling using Modeller.</a> Curr Protoc Bioinformatics. 5, 10(2006).</li>
<li>Morris, G. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((AutoDock4+and+AutoDockTools4%3A+Automated+docking+with+selective+receptor+flexibility%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comp+Chem%22%5BJournal%5D)">AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility.</a> J Comp Chem. 30 (16), 2785-2791 (2009).</li>
<li>Van Der Spoel, D., Lindahl, E., Hess, B., Groenhof, G., Mark, A. E., Berendsen, H. J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((GROMACS%3A+Fast%2C+flexible%2C+and+free%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comp+Chem%22%5BJournal%5D)">GROMACS: Fast, flexible, and free.</a> J Comp Chem. 26 (16), 1701-1718 (2005).</li>
<li>Guex, N., Peitsch, M. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SWISS-MODEL+and+the+Swiss-Pdb+Viewer%3A+An+environment+for+comparative+protein+modeling%5BTitle%5D)+AND+%22Electrophoresis%22%5BJournal%5D)">SWISS-MODEL and the Swiss-Pdb Viewer: An environment for comparative protein modeling.</a> Electrophoresis. 18 (15), 2714-2723 (1997).</li>
<li>The PyMOL molecular graphics system. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://pymol.org/">https://pymol.org/</a> (2023).</li>
<li>Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((VMD%3A+Visual+molecular+dynamics%5BTitle%5D)+AND+%22J+Mol+Graph%22%5BJournal%5D)">VMD: Visual molecular dynamics.</a> J Mol Graph. 14 (1), 33-38 (1996).</li>
<li>Pettersen, E. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((UCSF+Chimera-A+visualization+system+for+exploratory+research+and+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J+Comp+Chem%22%5BJournal%5D)">UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis.</a> J Comp Chem. 25 (13), 1605-1612 (2004).</li>
<li>PyRx-python prescription v. 0.8. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://pyrx.sourceforge.io/">https://pyrx.sourceforge.io/</a> (2023).</li>
<li>BIOVIA Discovery Studio 2017 R2: A comprehensive predictive science application for the Life Sciences. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.3ds.com/products/biovia/discovery-studio">https://www.3ds.com/products/biovia/discovery-studio</a> (2023).</li>
<li>Maestro. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.schrodinger.com/platform/products/maestro/">https://www.schrodinger.com/platform/products/maestro/</a> (2024).</li>
<li>Molecular operating environment (MOE). , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.chemcomp.com/en/Products.htm">https://www.chemcomp.com/en/Products.htm</a> (2023).</li>
<li>The Syntax, Vocabulary and APIs of HTML5. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://dev.w3.org/html5/html-author/">https://dev.w3.org/html5/html-author/</a> (2023).</li>
<li>Cascading Style Sheets. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.w3.org/Style/CSS/">https://www.w3.org/Style/CSS/</a> (2023).</li>
<li>ECMAScript 2020 language specification, 11th edition. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.ecma-international.org/publications-and-standards/standards/ecma-262/">https://www.ecma-international.org/publications-and-standards/standards/ecma-262/</a> (2023).</li>
<li>Pieper, U., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ModBase%2C+a+database+of+annotated+comparative+protein+structure+models%2C+and+associated+resources%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">ModBase, a database of annotated comparative protein structure models, and associated resources.</a> Nucleic Acids Res. 39, Database D465-D474 (2011).</li>
<li>Kiefer, F., Arnold, K., Kunzli, M., Bordoli, L., Schwede, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+SWISS-MODEL+Repository+and+associated+resources%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">The SWISS-MODEL Repository and associated resources.</a> Nucleic Acids Res. 37, Database D387-D392 (2009).</li>
<li>De Vries, S. J., Van Dijk, M., Bonvin, A. M. J. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+HADDOCK+web+server+for+data-driven+biomolecular+docking%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Prot%22%5BJournal%5D)">The HADDOCK web server for data-driven biomolecular docking.</a> Nat Prot. 5 (5), 883-897 (2010).</li>
<li>Grosdidier, A., Zoete, V., Michielin, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((SwissDock%2C+a+protein-small+molecule+docking+web+service+based+on+EADock+DSS%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">SwissDock, a protein-small molecule docking web service based on EADock DSS.</a> Nucleic Acids Res. 39, suppl W270-W277 (2011).</li>
<li>Kozakov, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+ClusPro+web+server+for+protein-protein+docking%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Prot%22%5BJournal%5D)">The ClusPro web server for protein-protein docking.</a> Nat Prot. 12 (2), 255-278 (2017).</li>
<li>Santos, K. B., Guedes, I. A., Karl, A. L. M., Dardenne, L. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+flexible+ligand+docking%3A+Benchmarking+of+the+DockThor+program+on+the+LEADS-PEP+protein-peptide+data+set%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Info+Modeling%22%5BJournal%5D)">Highly flexible ligand docking: Benchmarking of the DockThor program on the LEADS-PEP protein-peptide data set.</a> J Chem Info Modeling. 60 (2), 667-683 (2020).</li>
<li>Ribeiro, J. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((QwikMD+-+Integrative+molecular+dynamics+toolkit+for+novices+and+experts%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">QwikMD - Integrative molecular dynamics toolkit for novices and experts.</a> Sci Rep. 6 (1), 26536(2016).</li>
<li>Rodríguez Martínez, A., et al. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRodr%C3%ADguez+Mart%C3%ADnez%2C+A+%22ASGARD.+A+simple+and+automatic+GROMACS+tool+to+analyze+Molecular+Dynamic+simulations%22">ASGARD. A simple and automatic GROMACS tool to analyze Molecular Dynamic simulations</a>. , (2023).</li>
<li>Singh, H., Raja, A., Prakash, A., Medhi, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gmx_qk%3A+An+automated+protein%2Fprotein-ligand+complex+simulation+workflow+bridged+to+MM%2FPBSA%2C+based+on+Gromacs+and+Zenity-Dependent+GUI+for+beginners+in+MD+simulation+study%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Info+Modeling%22%5BJournal%5D)">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.</a> J Chem Info Modeling. 63 (9), 2603-2608 (2023).</li>
<li>Yekeen, A. A., Durojaye, O. A., Idris, M. O., Muritala, H. F., Arise, R. O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((CHAPERONg%3A+A+tool+for+automated+GROMACS-based+molecular+dynamics+simulations+and+trajectory+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22Comp+Str+Biotechnol+J%22%5BJournal%5D)">CHAPERONg: A tool for automated GROMACS-based molecular dynamics simulations and trajectory analyses.</a> Comp Str Biotechnol J. 21, 4849-4858 (2023).</li>
<li>Bayarri, G., Andrio, P., Hospital, A., Orozco, M., Gelpí, J. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((BioExcel+building+blocks+workflows+%28BioBB-Wfs%29%2C+an+integrated+web-based+platform+for+biomolecular+simulations%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">BioExcel building blocks workflows (BioBB-Wfs), an integrated web-based platform for biomolecular simulations.</a> Nucleic Acids Res. 50 (W1), W99-W107 (2022).</li>
<li>Vieira, I. H. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Visual+dynamics%3A+a+WEB+application+for+molecular+dynamics+simulation+using+GROMACS%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Bioinfo%22%5BJournal%5D)">Visual dynamics: a WEB application for molecular dynamics simulation using GROMACS.</a> BMC Bioinfo. 24 (1), 107(2023).</li>
<li>Schüttelkopf, A. W., Van Aalten, D. M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((PRODRG+a+tool+for+high-throughput+crystallography+of+protein-ligand+complexes%5BTitle%5D)+AND+%22Acta+Crystallographica+Sect+D+Biol+Crystallography%22%5BJournal%5D)">PRODRG a tool for high-throughput crystallography of protein-ligand complexes.</a> Acta Crystallographica Sect D Biol Crystallography. 60 (8), 1355-1363 (2004).</li>
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<li>Sousa Da Silva, A. W., Vranken, W. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((ACPYPE+-+AnteChamber+PYthon+Parser+interfacE%5BTitle%5D)+AND+%22BMC+Res+Notes%22%5BJournal%5D)">ACPYPE - AnteChamber PYthon Parser interfacE.</a> BMC Res Notes. 5 (1), 367(2012).</li>
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<li>Páll, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heterogeneous+parallelization+and+acceleration+of+molecular+dynamics+simulations+in+GROMACS%5BTitle%5D)+AND+%22J+Chem+Phys%22%5BJournal%5D)">Heterogeneous parallelization and acceleration of molecular dynamics simulations in GROMACS.</a> J Chem Phys. 153 (13), 134110(2020).</li>
</ol>

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프로세스를 자동화하는 것은 쉽지 않지만 시스템을 처음부터 다시 프로그래밍하는 것보다 덜 어렵습니다. Gromacs는 현재 가장 인기 있는 분자 시뮬레이션 소프트웨어이며 지속적으로 업데이트됩니다. 흐로닝언 대학의 생물물리화학과가 처음 개발했으며, 현재는 스톡홀름 대학의 생명과학 연구소에서 관리하고 있습니다43.
새로운 사용자에게 시뮬레이션 기술을 배우는 것은 긴 여정입니다. VD는 이러한 학습 과정을 촉진할 뿐만 아니라 더 오랜 기간 동안 시뮬레이션을 실행하는 데 리소스를 투자하기 전에 실험을 검증하기 위한 대안으로 부상하고 있습니다. 사용자는 5ns의 시뮬레이션을 실행하여 시뮬레이션을 추가로 확장하는 것의 유용성을 평가할 수 있습니다.
Gromacs 명령에 대한 연결 및 매개 변수 전달의 자동화는 Linux가 터미널 관리를 제공하고 허용하는 방식을 통해서만 가능합니다. 완전 자동화를 가능하게 한 VD의 주요 기능 중 하나는 그림 3B에서 볼 수 있습니다. 수동 접근법에서는, 분석할 그룹을 선택하기 위해 실행 시작 시 사용자가 상호 작용할 필요가 있다16. 이 경우 그룹 4(백본)가 기본값으로 선택되었습니다. 이 단계를 건너뛰고 사용자 상호 작용을 자동화하기 위해 echo "4 4" 명령은 명령줄 자체에서 파이프(|)로 알려진 연결 도구와 함께 백그라운드에서 .gmx 명령에 전달됩니다. 이는 VD와 유사한 도구를 개발하려는 프로그래머에게 유용하며 사용자 상호 작용의 자동화 및 에뮬레이션을 허용합니다.
현재 VD는 WEB 서버에서 5 ns 기간의 시뮬레이션을 실행하는 것으로 제한됩니다. 이전 버전에서는 이 제한이 2ns39에 불과했습니다. 더 긴 시뮬레이션 시간이 필요한 경우 Gromacs가 설치된 사용자의 컴퓨터에서 실행할 스크립트 및 MDP 파일을 다운로드하는 것이 좋습니다. Neutralize System(시스템 중화) 및 Ignore Hydrogens(수소 무시) 옵션은 항상 활성화되어 있으며 비활성화할 수 없습니다. 마찬가지로, 배정밀도 사용(Use double precision) 옵션은 항상 비활성화되어 있습니다. 이러한 옵션은 사용자에게 알리기 위해 표시됩니다. 성능상의 이유로 고정되어 있습니다. 현재 버전은 OPLS 또는 CHARMM 힘 필드에서 준비된 리간드로 시뮬레이션을 수행하지 않습니다. 이 제한은 순전히 기술적이며 일시적입니다.
구조적으로 VD에는 사용자가 보는 응용 프로그램인 웹 프론트엔드와 MD를 설정하고 실행하는 어려운 작업을 수행하는 응용 프로그램인 서버 백엔드의 두 가지 응용 프로그램이 있습니다. 웹 프론트 엔드는 사용자가 선택, 토글 및 파일 선택기를 통해 수행하려는 작업을 수집하는 양식이 있는 간단한 인터페이스입니다. 웹 프론트엔드의 순서도는 프로토콜에서 단계별로 설명된 대로 지금은 생략됩니다.
서버 백엔드는 MD를 관리하고 설정하는 애플리케이션과 MD를 동시에 관리하고 실행하는 애플리케이션의 두 가지 서비스로 구성됩니다. 보충 그림 1 은 MD를 설정하는 데 소요된 흐름을 보여주고, 보충 그림 2 는 실행 큐 애플리케이션의 흐름을 보여줍니다.
Visual Dynamics 외에도 MD를 실행하기 위한 다른 자동화/웹 도구도 있으며, 각각 고유한 장단점이 있습니다. ASGARD35, Gmx_qk36 및 CHAPERONg37 은 GROMACS14 의 사용을 용이하게 하는 데 도움이 되는 훌륭한 도구이지만 여전히 사용자가 셸에 대한 최소한의 지식을 필요로 하는 CLI 응용 프로그램입니다. BioBB-Wfs38 은 VD39와 가장 유사한 응용 프로그램이며, 인기 있는 MD 도구 주변의 래퍼로 구성된 라이브러리인 BioBB44를 사용하기 때문에 VD가 제공하지 않는 많은 기능을 제공합니다. 화면은 막 시작하는 사람에게는 너무 복잡할 수 있습니다. 이 과정은 VD에 비해 상당히 복잡합니다. 많은 단계를 거친 후 HPC에서 실행하기 위해 CWL(Common Workflow Language)이라는 일종의 범용 구성 요소가 생성됩니다. 그러나 사용자는 당연히 무료가 아닌 이러한 서버에 액세스할 수 있어야 합니다.
VD의 현재 공개 인스턴스에는 프로세서를 사용하기 위해 Gromacs가 설치되어 있지만, 기계의 그래픽 처리 장치(GPU)를 사용하기 위한 지침과 함께 설치할 수 있으며, 이는 시뮬레이션 성능을 크게 향상시킵니다(45). 또한 VD에서 생성된 명령 스크립트는 GPU 투명하므로 명령을 수정할 필요 없이 GPU가 설치된 시스템에서 실행할 수 있습니다.
이 시점에서 VD는 MD를 처음 접하는 사람에게 MD를 소개할 수 있는 훌륭한 도구이지만, MD와 Gromacs에 익숙한 사람들이 가장 잘 사용할 수 있습니다. 교수가 연습을 실행하기 위해 설치 또는 매개변수 구성 문제 없이 빠른 접근 방식이 필요한 시뮬레이션 수업에서 사용할 수 있습니다. 또한 VD를 사용하여 시뮬레이션을 검증할 수 있습니다. 5 ns에 대해 실행되는 경우 VD.In 내에서 생성된 파일을 사용하여 시뮬레이션을 확장하는 데 투자하는 것이 타당합니다. 일반적으로 그룹은 H-Bonds 및 MMPBSA(Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area) 결합 에너지와 같은 보다 자동화된 분석을 포함하는 동시에 사용성을 개선하기 위해 지속적으로 노력하고 있습니다.

IUPAC 정의에 따르면 MD는 뉴턴의 운동 법칙에 따라 분자 내 원자 또는 고체, 액체 및 기체의 개별 원자 또는 분자의 운동을 계산하는 것으로 구성된 시뮬레이션 절차입니다. 원자의 운동을 시뮬레이션하는 데 필요한 원자에 작용하는 힘은 일반적으로 분자 역학1의 힘장을 사용하여 계산됩니다. 분자 및 종종 원자 수준2에서 정보를 추출하려는 모든 현상에 적용할 수 있습니다.
MD는 생물정보학, 특히 구조적 생물정보학에 통합된 기술 중 하나입니다. 이를 통해 생체 분자 구조의 운동 및 열역학적 특성을 얻을 수 있습니다. 예를 들어, 고분자 안정성, 알로스테릭 부위 식별, 효소 활성 메커니즘 규명, 분자 인식 및 소분자 복합체의 특성, 단백질 간의 연관성, 단백질 접힘 및 수화3. 또한 MD는 구조 및 정교화(X선, NMR 및 단백질 모델링)를 결정하는 데 있어 분자 설계(약물 설계에 널리 사용됨)를 포함한 광범위한 연구를 가능하게 합니다3. MD의 끝에서 얻은 결과는 비양자 시뮬레이션4 측면에서 가장 풍부하고 완벽합니다. 고전적 MD는 상당한 근사치의 수로 인해 생체 분자 시스템의 물리학을 완전히 고려할 때 기대할 수 있는 것보다 훨씬 더 효율적입니다. 특히, 양자 역학 효과는 일반적으로 무시됩니다3. 그러나 MD 실험을 구현하는 것은 간단하지 않다5. 컴퓨팅에 대한 지식이 필요하며, 특히 Linux 터미널에 대한 지식이 필요한데, 대부분의 구조적 생물정보학 소프트웨어가 이를 위해 만들어졌기 때문입니다. 이러한 지식이 있더라도 Gromacs 명령과 매개변수화를 배우는 것은 또 다른 가파른 학습 곡선입니다.
1977 년 생물학에 처음 적용된 이래로6 계산 처리의 증가와 코딩 개선으로 인해 많은 것이 발전했습니다. 20여 년 전, 생물학적 문제를 해결하기 위한 최초의 MD 소프트웨어인 Gromacs7, AMBER8 및 NAMD9가 출시되었습니다.
첫 번째 버전 이후 이러한 소프트웨어는 여전히 가장 많이 사용되고 인용되고 있습니다. 그러나 그들은 컴퓨터 전문가가 아닌 연구자들을 괴롭히는 동일한 일반적인 구현 어려움을 계속하고 있다5. 일부는 복잡한 설치 및 구성 단계를 가지고 있으며, 때로는 최대한 활용하기 위해 실행될 하드웨어에 대한 광범위한 지식과 고도로 컴퓨터 중심적인 기술 문서가 필요합니다. 명령 줄과 무한 매개 변수를 제외하고 그들과 인터페이스하는 더 쉬운 방법이 필요합니다.
인터페이스는 수행되어야 할 논리적 과정과 인간(10) 사이의 중개자 역할을 한다. 소프트웨어 실행 방식의 패러다임은 컴퓨팅 리소스가 향상됨에 따라 진화했습니다. 첫 번째 디지털 패러다임은 명령줄 인터페이스(CLI)였으며 그 후 알려진 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)11로 진화했습니다. 진화 주기에 따라 월드 와이드 웹(또는 간단히 WEB)에 의해 생성된 인터페이스는 GUI(11)의 진화로 간주됩니다. 이 세 가지 패러다임은 현재 개발자에 따라 공존하고 있습니다. CLI 애플리케이션은 운영 체제 콘솔에서 텍스트 명령을 사용합니다. 그래픽 데스크탑이라고도 하는 GUI 응용 프로그램은 창, 버튼 및 기타 구성 요소로 구성된 그래픽 인터페이스를 사용합니다. 운영 체제에 맞게 구체적이고 사전 프로그래밍되어 있습니다. CLI와의 주요 차이점은 인간-기계 상호 작용12에서 마우스를 추가 요소로 사용한다는 것입니다. 웹 응용 프로그램은 GUI와 혼동되지만 개발하기가 더 복잡하지만 더 다재다능하고 가장 민첩하게 작동합니다. 더욱이, 이들은 브라우저라고 불리는 통역사 소프트웨어에만 의존하는데, 이는 클라이언트 애플리케이션이 운영 체제(13)로부터 독립적인 네트워크를 통해 서버와 통신하는 것을 가능하게 한다.
구조적 생물정보학 소프트웨어는 CLI 및 GUI 패러다임을 가장 일반적으로 사용합니다. CLI를 사용하는 클래식 소프트웨어의 몇 가지 예로는 유사성 모델링을 위한 Modeller14 , 분자 도킹을 위한 Autodock15 , 분자 동역학을 위한 Gromacs16 등이 있습니다. GUI 유형을 채택하는 소프트웨어의 예로는 SwissPDBviewer17, Pymol18, VMD19, UCSF Chimera20, Autodock tools15, PyRx21, Biovia22, Maestro23 및 Moe24 등이 있습니다.
HTML5(Hypertext Markup Language version 5)25, CSS(Cascading Style Sheets)26 및 Javascript27 기술의 출현으로 많은 구조적 생물정보학 응용 프로그램을 웹으로 가져올 수 있어 접근성이 높아졌습니다. 유사성 모델링 웹 서버의 예로는 Modeller14를 백엔드로 사용하는 MODWEB28과 Swissmodel29가 있습니다. 분자 도킹을 위한 웹 애플리케이션 서버의 예로는 Haddock30, Swissdock31, Cluspro32, Dockthor33 등이 있습니다.
구조 해석, 모델링 및 도킹 방법론이 CLI 패러다임에서 GUI로, 그리고 최종적으로 WEB으로 발전하는 동안, MD는 여전히 대부분 명령줄 실행(CLI 유형)에 의해 지원됩니다. 이 파노라마를 개선하기 위한 몇 가지 좋은 이니셔티브가 등장했습니다. 이러한 이니셔티브의 예로는 VMD34에 대한 QwikMD 플러그인, PyMOL에 대한 GROMACS 플러그인, UCSF Chimera20의 분자 역학 시뮬레이션 옵션, ASGARD35, Gmx_qk36 및 CHAPERONg37과 같은 새롭고 쉬운 CLI 애플리케이션, 강력한 웹 플랫폼인 BioBB-Wfs38과 같은 기존 소프트웨어의 플러그인 구현이 있습니다. 이러한 플러그인과 애플리케이션의 사용은 발전했지만 대부분의 숙련되지 않은 연구원에게는 구현이 여전히 도전입니다. 일반적인 어려움에는 MD 소프트웨어의 설치 및 구성 문제가 포함되며, 이는 종종 시뮬레이션5의 전체 실행을 손상시킵니다.
2022년, Fiocruz Rondônia39의 Laboratório de Bioinformática e Química Medicinal에서 웹 기반 계산 시뮬레이션을 위한 Visual Dynamics 소프트웨어를 제공했습니다. 초기 버전은 Python과 Flask로 구축되어 단 2ns 동안 유리 단백질(아포엔자임)이 있는 시스템을 시뮬레이션할 수 있습니다. 그 후, PRODRG40을 사용하여 제조된 리간드를 포함한 자동화된 시뮬레이션 버전을 포함하도록 개선되었습니다.
VD는 구조 생물 물리학, 생명 공학 및 관련 분야의 모든 연구원을 지원하기 위해 구축되었습니다. 이 도구를 통해 연구원들은 고성능 컴퓨터(HPC)에 액세스하지 않고도 모든 운영 체제에서 MD 시뮬레이션과 관련된 가설을 테스트할 수 있습니다. 이 작업의 목적은 Visual Dynamics 버전 3.0의 새로운 기능을 소개하는 것입니다. 또한 도구에 대한 업데이트된 사용 프로토콜을 소개하고 현재까지의 사용 통계와 함께 향후 해결해야 할 제한 사항을 강조하는 것을 목표로 합니다(그림 1).

<table><tbody><tr><td>ACPYPE 서버</td><td>Bio2Byte</td><td></td><td>https://www.bio2byte.be/acpype/</td></tr> <tr><td>GRACE 소프트웨어</td>에서 사용 <td>가능 Weizmann Institute of Science</td><td></td>의 플라즈마 연구소 <td>https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/</td></tr> <tr><td>GROMACS 소프트웨어</td>에서 사용 가능 <td>GROMACS 팀</td><td></td><td>설치 지침 https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html</td></tr><tr><td> 억제제 D5 RCSB 단백질 데이터 뱅크와 복합체를 이룬 Plasmodium vivax의 FK506 결합 단백질 구조</td><td></td> https://www.rcsb.org/structure/4mgv <td></td><td> 이미 거대분자에 복합체가 있는 리간드를 포함하고 있습니다.</td></tr></tbody></table>

visual dynamics 3.0의 새로운 기능

New Features in Visual Dynamics 3.0

VD(Visual Dynamics)는 Gromacs에서 실행되는 MD(Molecular Dynamics)의 사용 및 적용을 용이하게 하는 것을 목표로 하는 웹 도구로, 계산에 익숙하지 않은 사용자도 검증, 시연 및 교육 목적으로 단시간 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 양자 방법이 가장 정확한 것은 사실입니다. 그러나 현재로서는 MD가 수행하는 실험을 수행할 수 있는 계산 타당성이 없습니다. 여기에 설명된 도구는 지난 몇 년 동안 지속적으로 개선되었습니다. 이 프로토콜은 ACPYPE에서 이전에 준비된 단백질-리간드 복합체를 사용하여 VD에서 시뮬레이션을 실행하는 데 필요한 사항과 사용 가능한 다른 시뮬레이션 모델에 대한 몇 가지 일반적인 지침을 설명합니다. 상세 시뮬레이션을 위해 억제제 D5(PDB ID: 4mgv)와 복합된 Plasmodium vivax의 FK506 결합 단백질을 사용하며 사용된 모든 파일을 제공합니다. 이 프로토콜은 제시된 것과 동일한 결과를 얻기 위해 모든 옵션을 사용하도록 지시하지만 이러한 옵션만 사용할 수 있는 것은 아닙니다.

VD는 사용자 개입이나 사용자 제공 컴퓨팅 리소스가 필요 없는 완전 자율 시뮬레이션 실행을 제공합니다. 시뮬레이션을 실행에 제출한 후 사용자는 시뮬레이션을 종료하고 컴퓨터를 끌 수 있으며 시뮬레이션은 계속 실행됩니다. 또한 사용자가 랩톱 또는 모바일 장치와 같은 모든 장치에서 결과에 액세스할 수 있습니다.
WEB을 통해 자동 모드에서 VD를 사용하는 예로, 억제제 D5(PDB ID: 4mgv)41와 복합화된 Plasmodium vivax의 FK506 결합 단백질 구조를 사용하여 ACPYPE로 제조된 단백질-리간드 복합체에 대한 테스트를 수행했습니다. 준비는 설명된 프로토콜을 따랐으며 분석 결과는 그림 2A-D에 나와 있습니다.
그림 2A 는 초기 단백질 구조와 5ns 동안의 시뮬레이션 사이의 RMSD(Root Mean Square Deviation)를 나타냅니다(시스템에 고정됨). 단백질 골격은 시뮬레이션 전반에 걸쳐 2.5 Å 미만의 RMSD를 나타냈습니다. 그림 2B 는 5 ns 시뮬레이션 동안 단백질의 조밀도를 설명하는 Rg(Radius of Gyration)를 표시합니다. 이 그래프는 세 좌표 x, y, z의 Rg와 전체 값을 보여줍니다. 그림 2C 는 5 ns 시뮬레이션 동안 단백질 구조에서 각 아미노산의 평균 변동 거리를 나타내는 RMSF(Root Mean Square Fluctuation)를 보여줍니다. 그림 2D 는 가장 가파른 하강 방법을 사용하는 에너지 최소화 프로세스 중 시스템의 에너지 변동(kJ/mol)을 보여줍니다. 이 그래프에서 시스템이 1000kJ/mol/nm 미만의 최대 힘으로 안정화되었음을 관찰할 수 있습니다.
또 다른 사용 사례는 사용자가 Gromacs가 설치된 자신의 서버에서 실행하려는 경우입니다. 이러한 형태의 사용은 Linux 터미널 및 CLI 애플리케이션에 대한 중간 수준의 지식이 필요하기 때문에 이 프로토콜에서 다루지 않았습니다. 이 방법은 VD를 수정 가능한 Gromacs 명령의 생성기로 사용하며, 생성된 대로 실행될 때 VD와 동일한 결과를 얻습니다. MDP 파일과 생성된 명령이 포함된 파일을 다운로드합니다(그림 3A). VD에서는 모든 것을 사용할 수 있습니다. Linux 터미널에서 실행하면 그림 3B와 같은 결과를 얻을 수 있습니다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66964/66964fig03.jpg"> 그림 1: VD를 사용하여 명령 스크립트 생성 (A) 명령 목록 다운로드 옵션을 선택한 경우 VD에서 생성된 명령 목록입니다. (B) 명령 실행의 출력 예. 로컬 Linux 프롬프트에서 복사, 붙여넣기 및 실행하기만 하면 됩니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/66964fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66964/66964fig01.jpg"> 그림 2: Visual Dynamics 액세스 및 사용 통계. 약 63개국에서 4,000명 이상의 단일 IP 사용자가 이미 VD에 액세스했습니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/66964fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66964/66964fig02.jpg"> 그림 3: 자동 VD 분석과 관련된 출력 그래프의 예. (A) 5 ns 동안 RMSD(Root Mean Square Deviation). (B) 5 ns 동안 선회 반경 (Rg). (C) 5 ns 과정에 대한 RMSF(Root Mean Square Fluctuation). RMSF 그래프의 x축은 효소의 아미노산 수를 나타내며 이미징 소프트웨어가 최소 크기로 출력합니다. 단백질이 더 크면 x축이 증가합니다. (D) 에너지 최소화 과정 중 에너지 변동. 에너지 변동은 공정이 적절한 값에 도달하면 끝납니다. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/66964fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 그림 1: Visual Dynamics가 새 시뮬레이션을 설정하는 데 사용하는 프로세스의 단순화된 순서도. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/Supplemental%20Figure%201.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 그림 2: Visual Dynamics가 대기 중인 시뮬레이션의 실행을 관리하는 데 사용하는 프로세스의 단순화된 순서도. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/Supplemental%20Figure%202.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 1: 단백질 pdb 파일. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/Supplementary%20File%201_RE.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 2: Ligand itp 파일. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/Supplementary%20File%202_RE.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>
보충 파일 3: Ligand pdb 파일. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66964/Supplementary%20File%203_RE.zip" target="_blank">이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.</a>

Visual Dynamics는 Gromacs를 사용하여 분자 역학 시뮬레이션의 구현 및 학습을 가속화하는 오픈 소스 도구입니다. 제시된 프로토콜은 ACPYPE에서 준비된 단백질-리간드 시뮬레이션을 쉽게 수행하는 단계와 다른 시뮬레이션 모델에 대한 일반적인 단계를 안내합니다.

Visual Dynamics 3.0의 새로운 기능

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