Virtual Structural Biology Group » Учебные курсы » Структурная биоинформатика в ВШЭ

Практическое занятие по молекулярной динамике.¶

Цель данного занятия ознакомится с возможностями моделирования молекулярной динамики.

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

---

Общие положения¶

Подсказки по использованию оболочки bash в Linux.

Для активации ядра надо сделать простые манипуляции в терминале:

export PATH=${PATH}:/home/shad/miniconda2/bin
python -m ipykernel install --user --name hse --display-name hse-py27

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:
  

  editconf -f my.gro -o my.pdb
  

• solvate - наполнение ячейки растворителем.Пример:
  

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

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

  genion -s my.tpr -np 10 -p my.top -o my_ions.gro 
  -np это добавить 10 положительно заряженых ионов
  или прочитайте про флажки -conc -neutral
  

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

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

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

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

Настройка соединения с суперкомпьютером Lomonosov¶

Доступ к суперкомпьютеру возможен только по ssh ключам.

Скопируем настройки ssh:

mkdir ~/.ssh
cp /tmp/.lom/* ~/.ssh
chmod 700 ~/.ssh
chmod 600 ~/.ssh/*

Проверьте соединение:

ssh lom

Объекты для практикума¶

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

Внимание выполнить надо только одно задание на Ваш выбор

• Моделирование самосборки липидного бислоя из случайной стартовой конформации.

• Моделирование поведения ДНК в формамиде.

• Моделирование перехода А-формы ДНК в В-форму в воде.

• Моделирование поведения короткого пептида в формамиде.

Особенности запуска на "Ломоносов"¶

Весьма вероятно, что система не позволит поставить в очередь много заданий одновременно. Есть два решения:

• подождать пока кто-то досчитается
• Добавить в файл ~/_scratch/hse/hse.job информацию о Вашей задаче (это заготовка!):
  

     {
          'name': 'Ivanov/my_task_name_change_it',
          'nodes': 1,
          'options': '--ntasks-per-node=2',
          'path': '/mnt/data/users/dm4/vol12/fbbstudent/_scratch/hse/Ivanov',
          'command': '/opt/ccoe/gromacs-5.0.4/build/bin/gmx_mpi mdrun -testverlet -deffnm  b_md -v',
      },  
  

Анализ результатов¶

Пакет программ Gromacs предоставляет много 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 : 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:

• Анализ результатов моделирование самосборки липидного бислоя
• Анализ результатов моделирование перехода А-формы ДНК в В-форму в воде
• Анализ результатов плавления ДНК в формамиде
• Анализ результатов плавления пептида в формамиде

Любой анализ начинают с визуального анализа движений молекул.

Пдсказака про Nglview и файлы Gromacs¶

Сначала импорт модулей

import nglview
import mdtraj

Создадим объект для траектории

md =  mdtraj.load('b_pr.xtc', top='b_s.pdb')

Создадим объект nglview

n = nglview.show_mdtraj(md) 
n.clear_representations()
n.add_representation(repr_type='licorice') 

И посмотрим анимацию

n