Virtual Structural Biology Group » Учебные курсы

h1. Практические занятия для курсов по Моделированию нано- и биоструктур

h3. Упоров И.В., Головин А.В.

h2.  Презентации к лекциям

   * Лекция attachment:l6.pdf

h2.  Практическое занятие по молекулярной динамике в курсе моделирования нано- и биоструктур 

Цель данного занятия ознакомится с возможностями моделирования молекулярной динамики. 

В этом занятии мы будем рользоваться пакетом молекулярной динамики "Gromacs":http://www.gromacs.org. Это программное обеспечение распостраняется под лицензией GPL, т.е. пользователь может скачать исходный код и свободен его изменять по своему усмотрению.

----

h3. Общие положения

"Подсказки":http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_08/term3/unix.html по использованию оболочки bash в Linux.

> Вы будете работать на машине с адресом vsb.fbb.msu.ru порт 22025. Копирование файлов делать с помощью WinSCP.

*Типы файлов:*

   * gro - файл с координатами системы.

   * top - файл с описанием ковалентных  и нековалентных взаимодействий в молекулах.

   * mdp - файл с описанием параметров для работы молеклярно-механического движка.

   * tpr - файл для молеклярно-механического движка по сути есть объединение gro, top и mdp.

   * trr, xtc - файл с координатами после рассчёта.

----

*Основные программы из пакета, которые будут использованны на занятии:*

Программы запускаются в командной строке Linux, флаги запуска программ начинаются с -, например -f.

Как правило после флага следует либо имя файла либо значение параметра. Смотрите примеры ниже.

   * editconf - манипуляция форматом координат и самими координатами. Пример:

<pre>

editconf -f my.gro -o my.pdb

</pre>

   * genbox - наполнение ячейки растворителем.Пример:

<pre>

genbox -cp my.gro -cs mysolvent.gro -p my.top -o my_solvated.gro

</pre>

   * genion - утилита для замены n молекул растворителя на ионы.

<pre>

genion -s my.tpr -np 10 -p my.top -o my_ions.gro 

-np это добавить 10 положительно заряженых ионов

</pre>

   * grompp - объединение и проверка gro, top и mdp в tpr.

<pre>

grompp -f my.mdp -c my.gro -p my.top

</pre>

   * mdrun - молеклярно-механический движок. На входе принимает tpr файл.

<pre>

mdrun -deffnm my.tpr 

здесь параметр -deffnm означает, что выходные файлы будут называться как и входной файл, только с другими расщирениями

</pre>

h3. Настройка соединения с суперкомпьютером Chebyshev 

Доступ к суперкомпьютеру возможен только по ssh ключам. 

Проверьте соединение:

<pre>

ssh skif

</pre>

h3. Объекты для практикума 

На этом занятии Вам предлагается 4 различных систем для моделирования. Перейдите по ссылке для подробных инструкций по выполнению каждого задания.

   * "Моделирование самосборки липидного бислоя из случайной стартовой конформации.":https://kodomo.fbb.msu.ru/wiki/Main/Modelling/BioNanoPrac/SelfAss

   * "Моделирование поведения ДНК в формамиде.":https://kodomo.fbb.msu.ru/wiki/Main/Modelling/BioNanoPrac/DnaMelt

   * "Моделирование перехода А-формы ДНК в В-форму в воде.":https://kodomo.fbb.msu.ru/wiki/Main/Modelling/BioNanoPrac/DnaA2b

   * "Моделирование поведения короткого пептида в формамиде.":https://kodomo.fbb.msu.ru/wiki/Main/Modelling/BioNanoPrac/PepMelt

h3. Анализ результатов

Пакет программ Gromacs предоставляет "много":http://www.gromacs.org/Documentation/Gromacs_Utilities инструментов для анализа траекторий и свойств динамики. Суть любого анализа сводится к пониманию специфики динамики конкретной системы. 

Результаты анализа выдаваемые GROMACS имеют расширение xvg ( программа GRACE), но формат самих файлов текстовой, так что построение графиков можно делать в excel. 

Предлагаю называть результаты анализа согласно общему шаблону: 

   * Tool_system_param, где 

      * Tool- это название программы которой проводили анализ

      * sytem- это либо b (бислой) либо dna (ДНК).

      * param- это некое дполнительное описание.

   * Пример :  g_rmsd_dna_1

Внимание ! Опции программы анализа вы можете узнать, набрав: имя_программы –h

Связи с тем, мы работаем с разными системами, то для каждой системы предлагается свой подход к анализу:

   * [[BilAnalysiss|Анализ результатов моделирование самосборки липидного бислоя ]]

   * [[A2bAnalysis|Анализ результатов моделирование перехода А-формы ДНК в В-форму в воде]]

   * [[DnaMelAnalysis|Анализ результатов плавления ДНК в формамиде ]]

   * [[PepMelAnalysis|Анализ результатов плавления пептида в формамиде ]]

Для копирования результатов надо использовать scp на shadbox в своей директории:

<pre>

scp skif:mfk/chem/Ivanov/*pdb .

</pre>

Вместо pdb можно написать xvg для копирования результатов анализа

Любой анализ начинают с визуального анализа движений молекул.

Зависимости можно построить в Excel. 

Вам предлагается сделать это в gnuplot или используйте matplotlib в IPython Notebook.

Для matplotlib:

<pre>

%matplotlib inline

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from scipy import optimize

</pre>

<pre>

a = np.loadtxt("bond")

x_o=a[:,0]

y_o=a[:,1]

print "initial data:", y_o

#function is  f(x)=k(b-x)^2 + a

fitfunc = lambda p, x: p[0]*pow(p[1]-x,2) + p[2] # Target function

errfunc = lambda p, x, y: fitfunc(p, x) - y # Error function

p0 = [1,1, -79] # Initial guess for the parameters

p1, success = optimize.leastsq(errfunc, p0[:], args=(x_o, y_o))

print "Optimized params:", p1

#Plot it

plt.plot(x_o, y_o, "ro", x_o,fitfunc(p1,x_o),"r-",c='blue',alpha=0.5)

plt.xlim(1.3,1.8)

plt.show()

</pre>

Для Gnuplot:

Запустите Xming->XLaunch. Выберите тип расположения окон, удобно использовать Multiple windows. Next. Выберите Start Program. Run Remote-> Putty. Дальше всё как обычно: kodomo, username. <<BR>>

Перейдите в рабочую директорию. Запустите Gnuplot: 

<pre>

gnuplot

</pre>

Постройте зависимость энергии от длины связи, просто введите : plot "bond"

У вас должен появиться график с точками похожими на параболу. Теперь нам надо найти коэффициенты в функции f(x)=a+k(x-b)^2 которые бы позволили наиболее близко описать наблюдаемую зависимость. Для этого воспользуемся возможностями Gnuplot. Сначала зададим функцию в развернутом виде, в строке gnuplot введём:

<pre> f(x)=a + k*x*x - 2*k*x*b + k*b*b </pre>

И зададим стартовые значения коэффициентов:

<pre>

a=-80

k=1

b=1.5

</pre>

Проведём подгонку коэффициентов под имеющиеся точки в файле bond:

<pre> fit f(x) "bond" via a,k,b </pre>

Сохраните значения коэффициентов. Постройте графики функции и значений энергии из GAMESS.

<pre>

plot "bond", f(x)

</pre>