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