Method Article

Nieuwe functies in Visual Dynamics 3.0

DOI:

10.3791/66964

August 9th, 2024

In This Article

Summary

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

Visual Dynamics is een open-source tool die implementaties en leren versnelt in moleculaire dynamica-simulatie met behulp van Gromacs. Het gepresenteerde protocol leidt u door de stappen om met gemak een eiwit-ligandsimulatie uit te voeren die is voorbereid in ACPYPE en algemene stappen naar andere simulatiemodellen.

Abstract

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

Visual Dynamics (VD) is een webtool die tot doel heeft het gebruik en de toepassing van moleculaire dynamica (MD) in Gromacs te vergemakkelijken, waardoor gebruikers zonder computationele vertrouwdheid kortstondige simulaties kunnen uitvoeren voor validatie-, demonstratie- en onderwijsdoeleinden. Het is waar dat kwantummethoden het meest nauwkeurig zijn. Er is momenteel echter geen computationele haalbaarheid om de experimenten uit te voeren die MD uitvoert. De hier beschreven tool is in de loop van de afgelopen jaren voortdurend verbeterd. Dit protocol beschrijft wat er nodig is om een simulatie in VD uit te voeren met een eiwit-ligandcomplex dat eerder in ACPYPE is bereid en enkele algemene aanwijzingen voor de andere beschikbare simulatiemodellen. Voor de gedetailleerde simulatie zal het FK506-bindende eiwit van Plasmodium vivax gecomplexeerd met de remmer D5 (PDB ID: 4mgv) worden gebruikt en zullen alle gebruikte bestanden worden verstrekt. Merk op dat dit protocol elke optie zal vertellen die moet worden gebruikt om dezelfde gepresenteerde resultaten te bereiken, maar deze opties zijn niet noodzakelijkerwijs de enige die beschikbaar zijn.

Introduction

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

Volgens de IUPAC-definitie is MD de simulatieprocedure die bestaat uit het berekenen van de beweging van atomen in een molecuul of van individuele atomen of moleculen in vaste stoffen, vloeistoffen en gassen, volgens de bewegingswetten van Newton. De krachten die op atomen inwerken en die nodig zijn om hun beweging te simuleren, worden gewoonlijk berekend met behulp van krachtvelden uit de moleculaire mechanica1. Het kan worden toegepast op elk fenomeen dat informatie probeert te extraheren op moleculair en vaak atomair niveau2.

MD is een van de technieken die worden opgenomen in de bio-informatica, met name structurele bio-informatica. Hiermee is het mogelijk om kinetische en thermodynamische kenmerken van biomoleculaire structuren te verkrijgen. Bijvoorbeeld macromoleculaire stabiliteit, identificatie van allosterische plaatsen, opheldering van mechanismen van enzymatische activiteit, moleculaire herkenning en eigenschappen van complexen met kleine moleculen, associatie tussen eiwitten, eiwitvouwing en de hydratatie ervan3. Bovendien maakt MD een breed scala aan onderzoeken mogelijk, waaronder moleculair ontwerp (veel gebruikt bij het ontwerpen van geneesmiddelen), bij het bepalen van de structuur en de verfijning ervan (röntgenfoto's, NMR en eiwitmodellering)3. De resultaten die aan het einde van een MD worden verkregen, zijn de rijkste en meest complete in termen van niet-kwantumsimulatie4. Klassieke MD is veel efficiënter dan zou kunnen worden verwacht op basis van een volledige beschouwing van de fysica van biomoleculaire systemen vanwege het aantal substantiële benaderingen. Met name kwantumdynamische effecten worden meestal genegeerd3. Het uitvoeren van een MD-experiment is echter niet triviaal5. Het vereist kennis van computers, met name de Linux Terminal, aangezien de meeste structurele bio-informaticasoftware ervoor is gemaakt. Zelfs met die kennis is het leren van Gromacs-commando's en parametrisatie een andere steile leercurve.

Sinds de eerste toepassing in de biologie in 19776 is er veel geëvolueerd als gevolg van de toegenomen computationele verwerking en verbeterde codering. Meer dan twee decennia geleden werd de eerste MD-software bedoeld voor biologische problemen gelanceerd, namelijk Gromacs7, AMBER8 en NAMD9.

Sinds hun eerste versies blijven deze software nog steeds de meest gebruikte en geciteerde. Ze gaan echter door met dezelfde veelvoorkomende implementatieproblemen die onderzoekers teisteren die geen computerspecialisten zijn5. Sommige hebben complexe installatie- en configuratiestappen, die soms uitgebreide kennis vereisen over de hardware waarop het zal draaien om er het maximale uit te halen en zeer computergerichte technische documentatie. Er is een eenvoudigere manier nodig om met hen te communiceren, afgezien van de opdrachtregel en oneindige parameters.

Een interface fungeert als intermediair tussen het uit te voeren logische proces en de mens10. Het paradigma van hoe software wordt uitgevoerd, is geëvolueerd naarmate de computerbronnen zijn verbeterd. Het eerste digitale paradigma waren de command line interfaces (CLI), gevolgd door de evolutie naar de bekende grafische gebruikersinterfaces (GUI)11. Na de evolutionaire cyclus wordt de interface die door het World Wide Web (of kortweg WEB) wordt geproduceerd, beschouwd als een evolutie van GUI's11. Deze drie paradigma's bestaan momenteel naast elkaar, afhankelijk van ontwikkelaars. CLI-toepassingen maken gebruik van tekstuele opdrachten op de console van het besturingssysteem. GUI-toepassingen, ook wel grafische desktops genoemd, gebruiken een grafische interface die bestaat uit vensters, knoppen en andere componenten. Het is specifiek en voorgeprogrammeerd voor een besturingssysteem. Het belangrijkste verschil met de CLI is het gebruik van de muis als een extra element in de interactie tussen mensen machine 12. WEB-applicaties zijn, ondanks dat ze worden verward met een GUI, complexer om te ontwikkelen, maar zijn veelzijdiger en verreweg het meest wendbaar in gebruik. Bovendien zijn zij slechts afhankelijk van een tolksoftware, een browser genaamd, die het mogelijk maakt dat de clienttoepassing met de server communiceert via een netwerk dat onafhankelijk is van het besturingssysteem13.

Structurele bio-informaticasoftware maakt meestal gebruik van CLI- en GUI-paradigma's. Enkele voorbeelden van klassieke software die CLI gebruikt, zijn Modeller14 voor gelijkenismodellering, Autodock15 voor moleculaire docking en Gromacs16 voor moleculaire dynamica. Voorbeelden van software die het GUI-type aanneemt, zijn onder andere SwissPDBviewer17, Pymol18, VMD19, UCSF Chimera20, Autodock tools15, PyRx21, Biovia22, Maestro23 en Moe24.

Met de opkomst van onder andere Hypertext Markup Language versie 5 (HTML5)25, Cascading Style Sheets (CSS)26 en Javascript27-technologieën zouden veel structurele bioinformaticatoepassingen naar het WEB kunnen worden gebracht, waardoor ze toegankelijker worden. Voorbeelden van similarity modeling WEB servers zijn MODWEB28, dat Modeller14 als back-end gebruikt en Swissmodel29. Voorbeelden van webapplicatieservers voor moleculaire docking zijn Haddock30, Swissdock31, Cluspro32, Dockthor33 en andere.

Terwijl methodologieën voor structurele analyse, modellering en docking zijn geëvolueerd van CLI-paradigma's naar GUI en uiteindelijk naar WEB, wordt MD nog steeds voornamelijk ondersteund door opdrachtregeluitvoering (CLI-type). Er zijn enkele goede initiatieven ontstaan om dit panorama te verbeteren. Voorbeelden van deze initiatieven zijn de implementatie van plug-ins in bestaande software, zoals de QwikMD-plug-in voor VMD34, de GROMACS-plug-in voor PyMOL en de Molecular Dynamics Simulation-optie in UCSF Chimera20, enkele nieuwe en eenvoudigere CLI-toepassingen, zoals ASGARD35, Gmx_qk36 en CHAPERONg37, en een robuust webplatform, BioBB-Wfs38. Hoewel het gebruik van deze plug-ins en applicaties een vooruitgang is, is de implementatie ervan nog steeds een uitdaging voor de meeste ongeschoolde onderzoekers. Veel voorkomende problemen zijn problemen bij het installeren en configureren van de MD-software, die vaak de volledige uitvoering van de simulatie in gevaar brengen5.

In 2022 werd de Visual Dynamics-software voor webgebaseerde computationele simulatie beschikbaar gesteld door het Laboratório de Bioinformática e Química Medicinal aan de Fiocruz Rondônia39. De eerste versie was gebouwd in Python en Flask, waardoor simulaties van systemen met vrije eiwitten (apo-enzymen) voor slechts 2 ns mogelijk waren. Vervolgens werd het uitgebreid met een geautomatiseerde simulatieversie met liganden bereid met behulp van PRODRG40.

VD is gebouwd om alle onderzoekers op het gebied van structurele biofysica, biotechnologie en aanverwante gebieden te helpen die beperkingen hebben in computationele kennis; de tool stelt deze onderzoekers in staat om hun hypothesen met MD-simulaties te testen vanuit elk operationeel systeem en zonder toegang tot een krachtige computer (HPC). Het doel van dit werk is om de nieuwe functies van Visual Dynamics versie 3.0 te presenteren. Daarnaast is het de bedoeling om een bijgewerkt gebruiksprotocol voor de tool te introduceren en de beperkingen te benadrukken die in de toekomst moeten worden aangepakt, samen met gebruiksstatistieken tot op dit moment (Figuur 1).

Protocol

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

1. Toegang tot de software en registratie van nieuwe gebruikers

  1. Ga naar de webpagina van Visual Dynamics (VD). Klik op het +Registreer icoontje rechtsboven om een account aan te maken. Registreer u om de software te gebruiken.
    OPMERKING: Alleen e-mailadressen van instellingen zijn toegestaan. De gebruiker ontvangt een e-mailmelding zodra zijn registratie is goedgekeurd.
  2. Klik rechtsboven op Inloggen om het inlogscherm van het systeem te openen. Vul de velden gebruikersnaam/e-mailadres en wachtwoord in en klik op Inloggen. Na het inloggen heeft de gebruiker toegang tot het gebied voor het indienen van de simulatie. Ze kunnen ook tutorials en gebruiksstatistieken voor VD bekijken.

2. Indiening van apo-enzymsimulatie

  1. Klik op Nieuwe simulatie in de linkerzijbalk. Klik op het scherm dat verschijnt op de knop APO, die verwijst naar het apo-enzym.
  2. Upload het gratis eiwit 4mvg.pdb-bestand. Selecteer het AMBER94 krachtveld (of een andere geschikte optie).
    OPMERKING: 4mvg.pdb kan worden verkregen uit aanvullend bestand 1 of rechtstreeks worden gedownload van de Protein Data Bank (PDB).
  3. Selecteer het TIP3P Water Model. Selecteer de kubieke doos. Selecteer de afstand van 0,5 nm tussen het eiwit en de rand van de doos.
    OPMERKING: De geselecteerde opties zijn slechts suggesties. Alle andere opties werken in VD.
  4. Vink de optie Run in Our Servers aan om de simulatie uit te voeren met de ingediende bestanden en parameters. Na het klikken op Simulatie uitvoeren, ziet de gebruiker de evolutie van de simulatiestappen op het scherm en ontvangt hij na voltooiing een e-mailmelding over de simulatiestatus.

3. Indiening van simulatie van enzym gecomplexeerd met ligand bereid in ACPYPE

  1. Open met UCSF Chimera20 het eiwit-ligandcomplex 4mgv.pdb41, klik onder Selecteren op Residu en stel de code in op D5I. Klik vervolgens onder Bestand op PDB opslaan, selecteer Alleen geselecteerde atomen opslaan, stel de bestandsnaam in op ligand.pdb en klik op Opslaan.
  2. Dien het bestand ligand.pdb dat in de vorige stap is gegenereerd in bij de Bio2Byte ACPYPE-server42, van de uitvoerbestanden zullen ligand_NEW.itp en ligand_NEW.pdb degenen zijn die in dit experiment worden gebruikt en verstrekt.
    OPMERKING: De bestanden ligand_NEW.itp en ligand_NEW.pdb kunnen worden verkregen uit Aanvullend Bestand 2 en Aanvullend Bestand 3.
  3. Klik op Nieuwe simulatie in de linkerzijbalk. Klik op de knop Eiwit + Ligand (bereid in ACPYPE).
  4. Upload het gratis eiwit 4mvg.pdb-bestand. Selecteer de ligandbestanden die zijn voorbereid in ACPYPE: ligand_NEW.itp en ligand_NEW.pdb. Selecteer het AMBER94 krachtveld.
  5. Selecteer het TIP3P Water Model. Selecteer de kubieke doos. Selecteer de afstand van 0,5 nm tussen het eiwit en de rand van de doos. De geselecteerde opties zijn slechts suggesties. Alle andere opties werken in VD.
  6. Vink de optie Run in Our Servers aan om de simulatie uit te voeren met de ingediende bestanden en parameters. Na het klikken op Simulatie uitvoeren, ziet de gebruiker de evolutie van de simulatiestappen op het scherm en ontvangt hij na voltooiing een e-mailmelding over de simulatiestatus.

4. Toegang tot de simulatieresultaten

  1. Klik op Mijn simulaties in de linkerzijbalk.
  2. Klik op MDP-bestanden downloaden om de simulatieconfiguratiebestanden die door het platform worden gebruikt, naar de computer van de gebruiker te downloaden.
  3. Download simulatie-elementen zoals hieronder beschreven.
    1. Klik op Opdrachten om de lijst met opdrachten die door het platform worden uitgevoerd naar de computer van de gebruiker te downloaden.
    2. Klik op GROMACS Log om het logbestand met de .gmx-opdrachtuitvoer in volgorde naar de computer van de gebruiker te downloaden.
    3. Klik op Resultaten om bestanden die zijn gegenereerd door .gmx-opdrachten, zoals _npt.gro, _pr.edr, _pr.tpr, _pr_PBC.gro en pr_PBC.xtc, naar de computer van de gebruiker te downloaden.
    4. Klik op Figuurgrafieken om grafieken te downloaden voor het analyseren van elke simulatiestap in afbeelding en .xvg-indeling naar de computer van de gebruiker.

Results

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

VD biedt een volledig autonome simulatie-uitvoering die geen tussenkomst van de gebruiker of door de gebruiker verstrekte rekenmiddelen vereist. Nadat een simulatie is ingediend om uit te voeren, kan de gebruiker deze verlaten, zijn machines uitschakelen en blijft de simulatie actief. Het stelt gebruikers ook in staat om toegang te krijgen tot de resultaten vanaf elk apparaat, of het nu een laptop of een mobiel apparaat is.

Als voorbeeld van het gebruik van VD in geautomatiseerde modus via de WEB, werd de test uitgevoerd voor een eiwit-ligandcomplex bereid in ACPYPE met behulp van de structuur van het FK506-bindende eiwit van Plasmodium vivax gecomplexeerd met de remmer D5 (PDB ID: 4mgv)41. De voorbereiding volgde het beschreven protocol en de resultaten van de analyse zijn weergegeven in figuur 2A-D.

Figuur 2A geeft de Root Mean Square Deviation (RMSD) weer tussen de initiële eiwitstructuur en de simulatie ervan in de loop van 5 ns (zoals vastgelegd in het systeem). De eiwitruggengraat vertoonde gedurende de simulatie een RMSD van minder dan 2,5 Å. Figuur 2B toont de Radius of Gyration (Rg), die de compactheid van het eiwit tijdens de 5 ns-simulatie beschrijft. Deze grafiek toont Rg in de drie coördinaten, x, y en z, evenals de totale waarde. Figuur 2C illustreert de Root Mean Square Fluctuation (RMSF) die de gemiddelde fluctuatieafstand van elk aminozuur in de eiwitstructuur weergeeft tijdens de 5 ns-simulatie. Figuur 2D toont de energievariatie in kJ/mol voor het systeem tijdens het energieminimalisatieproces met behulp van de steilste afdalingsmethode. Uit deze grafiek zien we dat het systeem zich stabiliseerde met een maximale kracht van minder dan 1000 kJ/mol/nm.

Een andere use case is wanneer de gebruiker het op zijn eigen server wil draaien waarop Gromacs is geïnstalleerd. Deze vorm van gebruik is niet behandeld in dit protocol, omdat het een matig niveau van kennis vereist over de Linux Terminal en CLI-applicaties. Deze methode maakt gebruik van VD als een generator van aanpasbare Gromacs-commando's die hetzelfde resultaat bereiken als VD wanneer ze worden uitgevoerd zoals gegenereerd. Ze downloaden de MDP-bestanden en het bestand met de gegenereerde commando's (Figuur 3A). Alles is beschikbaar in VD. Wanneer ze het uitvoeren in de Linux-terminal, krijgen ze resultaten zoals Figuur 3B.

figure-results-1
Afbeelding 1: VD gebruiken om opdrachtscripts te genereren. (A) Lijst met opdrachten die in de VD worden gegenereerd wanneer de optie voor het downloaden van de opdrachtlijst is gekozen. (B) Voorbeeld van de output van het uitvoeren van een opdracht. Kopieer, plak en voer het uit in de lokale Linux-prompt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Afbeelding 2: Toegangs- en gebruiksstatistieken van Visual Dynamics. Meer dan 4 duizend single IP-gebruikers uit ongeveer 63 landen hebben al toegang gehad tot VD. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3: Voorbeelden van outputgrafieken met betrekking tot automatische VD-analyse. (A) Root Mean Square Deviation (RMSD) in de loop van 5 ns. (B) Straal van rotatie (Rg) in de loop van 5 ns. (C) Wortelgemiddelde kwadratische fluctuatie (RMSF) in de loop van 5 ns. De x-as van de RMSF-grafiek vertegenwoordigt het aantal aminozuren in het enzym en de uitvoer van de beeldvormingssoftware met een minimale grootte. Als het eiwit groter is, zal de x-as toenemen. (D) Energievariatie tijdens het energieminimalisatieproces. Energievariatie eindigt wanneer het proces een adequate waarde bereikt. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Aanvullende figuur 1: Vereenvoudigd stroomschema van het proces dat Visual Dynamics gebruikt om een nieuwe simulatie op te zetten. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullende figuur 2: Vereenvoudigd stroomschema van het proces dat Visual Dynamics gebruikt om de uitvoering van simulaties in de wachtrij te beheren. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 1: Eiwit pdb-bestand. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 2: Ligand itp-bestand. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Aanvullend bestand 3: Ligand pdb-bestand. Klik hier om dit bestand te downloaden.

Discussion

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

Het automatiseren van processen is niet eenvoudig, maar het is ook minder moeilijk dan het herprogrammeren van een systeem vanaf nul. Gromacs is momenteel de meest populaire moleculaire simulatiesoftware en wordt voortdurend bijgewerkt. De afdeling Biofysische Chemie van de Rijksuniversiteit Groningen ontwikkelde het in eerste instantie en wordt nu onderhouden door het Life Sciences Laboratory van de Universiteit van Stockholm43.

Voor elke nieuwe gebruiker is het leren van simulatietechnieken een lange reis. VD komt naar voren als een alternatief om dit leerproces te vergemakkelijken en om experimenten te valideren voordat middelen worden geïnvesteerd in het uitvoeren van simulaties voor langere duur. Gebruikers kunnen 5 ns simulatie uitvoeren en zo het nut van verdere uitbreiding van de simulatie beoordelen.

De automatisering van aaneenschakelingen en het doorgeven van parameters aan Gromacs-commando's is alleen mogelijk door de manier waarop Linux het beheer van zijn terminal levert en mogelijk maakt. Een van de belangrijkste kenmerken van VD die volledige automatisering mogelijk maakte, is te zien in figuur 3B. Bij een handmatige aanpak is het noodzakelijk dat de gebruiker aan het begin van de uitvoering interageert om de groepen te kiezen die moeten worden geanalyseerd16. In dit geval is groep 4 (Backbone) als standaard geselecteerd. Om deze stap te omzeilen en gebruikersinteractie te automatiseren, wordt de opdrachtecho "4 4" achter de schermen doorgegeven aan de .gmx-opdracht, samen met een aaneenschakelingstool die bekend staat als een pijp (|) in de opdrachtregel zelf. Dit is handig voor programmeurs die een tool willen ontwikkelen die vergelijkbaar is met VD en maakt automatisering en emulatie van gebruikersinteractie mogelijk.

Momenteel is VD beperkt tot het uitvoeren van simulaties met een duur van 5 ns op de WEB-server. In de vorige versie was deze limiet slechts 2 ns39. Als een langere simulatietijd nodig is, wordt aanbevolen om het script en de MDP-bestanden te downloaden voor uitvoering op de eigen machine van de gebruiker waarop Gromacs is geïnstalleerd. De opties Systeem neutraliseren en Waterstof negeren zijn altijd ingeschakeld en kunnen niet worden uitgeschakeld. Evenzo is de optie Dubbele precisie gebruiken altijd uitgeschakeld. Deze opties worden getoond om de gebruiker te informeren. Om prestatieredenen zijn ze vast. De huidige versie voert geen simulaties uit met liganden die zijn bereid in OPLS- of CHARMM-krachtvelden. Deze beperking is puur technisch en tijdelijk.

Structureel heeft VD twee applicaties: een web front-end, dat is de applicatie die de gebruiker ziet, en een server back-end, dat is de applicatie die het harde werk van het opzetten en uitvoeren van de MD zal doen. De webfront-end is een eenvoudige interface met formulieren om te verzamelen wat de gebruikers willen doen door middel van selecties, schakelaars en bestandsselectors; Het stroomschema van de web front-end wordt voorlopig achterwege gelaten, zoals het stap voor stap in het protocol wordt beschreven.

De back-end van de server bestaat uit twee services: een applicatie om MD's te beheren en in te stellen en een andere om MD's tegelijkertijd te beheren en uit te voeren. Aanvullende afbeelding 1 toont de stroom die is gebruikt om een MD in te stellen, en aanvullende afbeelding 2 toont de stroom van de uitvoeringswachtrijtoepassing.

Er zijn ook andere geautomatiseerde/webtools voor het uitvoeren van MD naast Visual Dynamics, elk met zijn eigen set voor- en nadelen. ASGARD35, Gmx_qk36 en CHAPERONg37 zijn uitstekende tools die het gebruik van GROMACS14 helpen vergemakkelijken, maar het zijn nog steeds CLI-applicaties die vereisen dat de gebruiker een minimale mate van kennis over de shell heeft. BioBB-Wfs38 is de applicatie die het meest lijkt op VD39, het biedt ook veel dingen die VD niet biedt, omdat het BioBB44 gebruikt, een bibliotheek die bestaat uit wrappers rond populaire MD-tools. De schermen kunnen een beetje te complex zijn voor iemand die net begint. Het proces is vrij complex in vergelijking met VD. Na vele stappen wordt een soort universele component genaamd Common Workflow Language (CWL) gegenereerd voor uitvoering op HPC's. De gebruiker moet echter toegang hebben tot deze servers, wat natuurlijk niet gratis is.

Op de huidige openbare versie van VD is Gromacs geïnstalleerd om de processor te gebruiken, maar het kan worden geïnstalleerd met instructies om de Graphics Processing Unit (GPU) van de machine te gebruiken, wat de simulatieprestaties aanzienlijk verbetert45. Bovendien is het in VD gegenereerde opdrachtscript GPU-transparant, wat betekent dat het kan worden uitgevoerd op een machine met een geïnstalleerde GPU zonder dat er iets in de opdrachten hoeft te worden gewijzigd.

Op dit moment is VD een geweldig hulpmiddel om MD te introduceren bij iemand die er nieuw in is, maar het kan het beste worden gebruikt door degenen die bekend zijn met MD en Gromacs. Het kan worden gebruikt in simulatielessen, waar de professor een snelle aanpak nodig heeft zonder installatie- of parameterconfiguratieproblemen om een oefening uit te voeren. Bovendien kan VD worden gebruikt om een simulatie te valideren; Als het 5 ns draait, is het gerechtvaardigd om te investeren in het uitbreiden van de simulatie met behulp van de bestanden die binnen VD.In worden gegenereerd. Over het algemeen werkt de groep aan het opnemen van meer geautomatiseerde analyses zoals h-bindingen en Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area (MMPBSA) bindingsenergie, terwijl het ook voortdurend op zoek is naar verbetering van de bruikbaarheid.

Disclosures

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgements

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

Dit werk werd ondersteund door de Fundação Oswaldo Cruz (Fiocruz), de Fundação para o Desenvolvimento Científico e Tecnológico em Saúde (Fiotec), het Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Epidemiologia da Amazônia Ocidental - INCT-EpiAmO, de Fundação Rondônia de Amparo ao Desenvolvimento das Ações Científicas e Tecnológicas e à Pesquisa do Estado de Rondônia (FAPERO), de Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) en de Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
ACPYPE ServerBio2ByteBeschikbaar op https://www.bio2byte.be/acpype/
GRACE softwarePlasma Laboratory at the Weizmann Institute of ScienceBeschikbaar op https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/
GROMACS softwareGROMACS TeamInstallatie-instructies op https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html
De structuur van het FK506-bindend eiwit
Van Plasmodium vivax complex met de
remmer D5
RCSB Protein Data BankBeschikbaar op https://www.rcsb.org/structure/4mgv
Bevat al de ligand complex met het macromolecuul.

References

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