Task8a

Version 2 (Andrey Golovin, 14.12.2017 01:34)

1 1 Andrey Golovin
h1. Изучение работы методов контроля температуры в молекулярной динамике
2 1 Andrey Golovin
3 1 Andrey Golovin
4 1 Andrey Golovin
Традиционные ссылки на полезные ресурсы: 
5 1 Andrey Golovin
6 1 Andrey Golovin
* Уроки по работе с GROMACS находятся [[http://www.gromacs.org/Documentation/Tutorials|здесь]].
7 1 Andrey Golovin
* Введение в скриптовании в Bash [[http://www.opennet.ru/docs/RUS/bash_scripting_guide |здесь]].
8 1 Andrey Golovin
9 1 Andrey Golovin
10 1 Andrey Golovin
11 1 Andrey Golovin
*Сегодня мы будем изучать как реализован контроль температуры в молекулярной динамике на примере GROMACS. Объект исследования это одна молекула этана.*
12 1 Andrey Golovin
13 1 Andrey Golovin
14 1 Andrey Golovin
15 2 Andrey Golovin
* 1. Начнем с того, что подготовим файл координат и файл топологии. 
16 1 Andrey Golovin
17 1 Andrey Golovin
> #  Вам предоставлен gro файл(http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_08/term6/etane.gro) с координатами этана.
18 1 Andrey Golovin
> #  Построим  файл топологии et.top для этана, который выгляди примерно так: 
19 1 Andrey Golovin
 
20 1 Andrey Golovin
<pre>
21 1 Andrey Golovin
22 1 Andrey Golovin
#include "/usr/share/gromacs/top/oplsaa.ff/forcefield.itp"
23 1 Andrey Golovin
24 1 Andrey Golovin
[ moleculetype ]
25 1 Andrey Golovin
; Name            nrexcl
26 1 Andrey Golovin
et            3
27 1 Andrey Golovin
28 1 Andrey Golovin
[ atoms ]
29 1 Andrey Golovin
;   nr  type  resnr  residue  atom   cgnr     charge       mass
30 1 Andrey Golovin
    1   CX      1    ETH      C1      1    -0.189      12.01
31 1 Andrey Golovin
    2   CX      1    ETH      C2      2    -0.155      12.01
32 1 Andrey Golovin
    3   HX      1    ETH      H1      3     0.0059       1.008
33 1 Andrey Golovin
    4   HX      1    ETH      H2      4     0.0059       1.008
34 1 Andrey Golovin
    5   HX      1    ETH      H3      5     0.0059       1.008
35 1 Andrey Golovin
    6   HX      1    ETH      H4      6     0.0056       1.008
36 1 Andrey Golovin
    7   HX      1    ETH      H5      7     0.0056       1.008
37 1 Andrey Golovin
    8   HX      1    ETH      H6      8     0.0056       1.008
38 1 Andrey Golovin
    
39 1 Andrey Golovin
[ bonds ]
40 1 Andrey Golovin
;  ai    aj funct  b0       kb
41 1 Andrey Golovin
     1   2   1  
42 1 Andrey Golovin
     1   3   1
43 1 Andrey Golovin
     1   4   1  
44 1 Andrey Golovin
     1   5   1  
45 1 Andrey Golovin
........... 
46 1 Andrey Golovin
надо дописать
47 1 Andrey Golovin
48 1 Andrey Golovin
[ angles ]
49 1 Andrey Golovin
;  ai    aj    ak funct  phi0   kphi
50 1 Andrey Golovin
;around c1
51 1 Andrey Golovin
    3     1     4     1  
52 1 Andrey Golovin
    4     1     5     1  
53 1 Andrey Golovin
    3     1     5     1  
54 1 Andrey Golovin
    2     1     3     1  
55 1 Andrey Golovin
    2     1     4     1  
56 1 Andrey Golovin
    2     1     5     1  
57 1 Andrey Golovin
;around c2
58 1 Andrey Golovin
........... 
59 1 Andrey Golovin
надо дописать 
60 1 Andrey Golovin
61 1 Andrey Golovin
[ dihedrals ]
62 1 Andrey Golovin
;  ai    aj    ak    al funct  
63 1 Andrey Golovin
    3    1     2     6      1  
64 1 Andrey Golovin
    3    1     2     7      1 
65 1 Andrey Golovin
    3    1     2     8      1  
66 1 Andrey Golovin
    4    1     2     6      1  
67 1 Andrey Golovin
 ........... 
68 1 Andrey Golovin
надо дописать 
69 1 Andrey Golovin
 
70 1 Andrey Golovin
[ pairs ]
71 1 Andrey Golovin
; список атомов 1-4
72 1 Andrey Golovin
;  ai    aj funct
73 1 Andrey Golovin
   3  6
74 1 Andrey Golovin
   3  7
75 1 Andrey Golovin
   3  8
76 1 Andrey Golovin
   4  6
77 1 Andrey Golovin
   4  7
78 1 Andrey Golovin
   4  8
79 1 Andrey Golovin
   5  6
80 1 Andrey Golovin
   5  7
81 1 Andrey Golovin
   5  8
82 1 Andrey Golovin
83 1 Andrey Golovin
[ System ]
84 1 Andrey Golovin
; any text here
85 1 Andrey Golovin
first one
86 1 Andrey Golovin
[ molecules ]
87 1 Andrey Golovin
;Name count
88 1 Andrey Golovin
 et    1
89 1 Andrey Golovin
90 1 Andrey Golovin
</pre>
91 1 Andrey Golovin
92 1 Andrey Golovin
Этот вариант топологии работать не будет, надо изменить типы атомов.
93 1 Andrey Golovin
94 1 Andrey Golovin
Вам придется угадать типы атомов из файла на shadbox:
95 1 Andrey Golovin
<pre>
96 1 Andrey Golovin
%%bash
97 1 Andrey Golovin
cat /usr/share/gromacs/top/oplsaa.ff/atomtypes.atp
98 1 Andrey Golovin
</pre>
99 1 Andrey Golovin
100 1 Andrey Golovin
или намек как это сделать программно:
101 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
102 1 Andrey Golovin
# загрузим модули
103 1 Andrey Golovin
import rdkit
104 1 Andrey Golovin
from rdkit import Chem
105 1 Andrey Golovin
from rdkit.Chem import AllChem, Draw
106 1 Andrey Golovin
from rdkit.Chem import Descriptors
107 1 Andrey Golovin
from rdkit import RDConfig
108 1 Andrey Golovin
from IPython.display import Image,display
109 1 Andrey Golovin
import numpy as np
110 1 Andrey Golovin
</code></pre>
111 1 Andrey Golovin
112 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
113 1 Andrey Golovin
# создадим этан
114 1 Andrey Golovin
mol=Chem.MolFromSmiles('CC')
115 1 Andrey Golovin
AllChem.Compute2DCoords(mol)
116 1 Andrey Golovin
m3d=Chem.AddHs(mol)
117 1 Andrey Golovin
Chem.AllChem.EmbedMolecule(m3d)
118 1 Andrey Golovin
AllChem.MMFFOptimizeMolecule(m3d,maxIters=500,nonBondedThresh=200 )
119 1 Andrey Golovin
</code></pre>
120 1 Andrey Golovin
121 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
122 1 Andrey Golovin
# и придумаем циклы 
123 1 Andrey Golovin
## связи
124 1 Andrey Golovin
bonds = m3d.GetBonds()
125 1 Andrey Golovin
for i,b in enumerate(bonds):
126 1 Andrey Golovin
    print b.GetBeginAtomIdx() , b.GetEndAtomIdx()
127 1 Andrey Golovin
128 1 Andrey Golovin
## углы    
129 1 Andrey Golovin
for b1 in m3d.GetBonds():
130 1 Andrey Golovin
    for b2 in m3d.GetBonds():
131 1 Andrey Golovin
        if b1.GetBeginAtomIdx() == b2.GetBeginAtomIdx() and b1.GetIdx() != b2.GetIdx():
132 1 Andrey Golovin
            print b1.GetEndAtomIdx() , b1.GetBeginAtomIdx(), b2.GetEndAtomIdx()
133 1 Andrey Golovin
## dihedrals            
134 1 Andrey Golovin
for b1 in m3d.GetBonds():
135 1 Andrey Golovin
    for b2 in m3d.GetBonds():
136 1 Andrey Golovin
        for b3 in ....
137 1 Andrey Golovin
             .......
138 1 Andrey Golovin
</code></pre>            
139 1 Andrey Golovin
140 1 Andrey Golovin
141 2 Andrey Golovin
* 2 Вам даны 5 файлов с разными параметрами контроля температуры:
142 2 Andrey Golovin
> * http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_08/term6/be.mdp - метод Берендсена для контроля температуры.
143 2 Andrey Golovin
> * http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_08/term6/vr.mdp - метод "Velocity rescale" для контроля температуры.
144 2 Andrey Golovin
> * http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_08/term6/nh.mdp - метод Нуза-Хувера для контроля температуры.
145 2 Andrey Golovin
> * http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_08/term6/an.mdp - метод Андерсена для контроля температуры.
146 2 Andrey Golovin
> * http://kodomo.fbb.msu.ru/FBB/year_08/term6/sd.mdp - метод стохастической молекулярной динамики.
147 1 Andrey Golovin
148 1 Andrey Golovin
Начиная с этого момента вы можете написать функции, а можете делать всё вручную. 
149 2 Andrey Golovin
  
150 2 Andrey Golovin
* 3 Очень краткое описание программ и типов файлов вы можете найти [[https://kodomo.fbb.msu.ru/wiki/Main/Modelling/BioNanoPrac|здесь]] Сначала надо построить входные файлы для молекулярно-динамического движка mdrun с помощью grompp: 
151 1 Andrey Golovin
152 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
153 1 Andrey Golovin
grompp -f %s.mdp -c et.gro -p et.top -o et_%s.tpr
154 1 Andrey Golovin
# где i: be,vr,nh,an,sd  см. выше список mdp файлов
155 1 Andrey Golovin
</code></pre>
156 1 Andrey Golovin
157 2 Andrey Golovin
*Задать i вне скрипта можно командой export i="be". * 
158 1 Andrey Golovin
159 2 Andrey Golovin
* 4 У Вас должно получиться 5 tpr файлов. Теперь для каждого из них запустим mdrun.
160 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python"> 
161 1 Andrey Golovin
mdrun -deffnm et_%s -v -nt 1
162 1 Andrey Golovin
</code></pre>
163 1 Andrey Golovin
164 2 Andrey Golovin
* 5 Теперь переходим к анализу результатов. Начнем с визуального анализа. Для каждой из 5 систем проведите конвертацию в pdb и просмотрите в PyMol.
165 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
166 1 Andrey Golovin
trjconv -f et_%s.trr -s et_%s.tpr -o et_%s.pdb
167 1 Andrey Golovin
</code></pre>
168 1 Andrey Golovin
169 1 Andrey Golovin
В отчёт занесите ваши наблюдения и предварительные выводы. 
170 2 Andrey Golovin
* 6 Сравним потенциальную энергию и кинетическую энергию для каждой из 5 систем.
171 1 Andrey Golovin
172 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
173 1 Andrey Golovin
g_energy -f et_%s.edr -o et_%s_en.xvg -xvg none
174 1 Andrey Golovin
</code></pre>
175 1 Andrey Golovin
176 1 Andrey Golovin
Постройте графики изменения энергий. Рекомендуемый вид это lines. Графики добавьте в отчёт.
177 1 Andrey Golovin
Удобно загружать данные с numpy.loadtxt
178 1 Andrey Golovin
179 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
180 1 Andrey Golovin
import numpy as np
181 1 Andrey Golovin
a= np.loadtxt('%s.xvg' % name)
182 1 Andrey Golovin
t=a[:,0]
183 1 Andrey Golovin
y=... догадайтесь
184 1 Andrey Golovin
</code></pre>
185 1 Andrey Golovin
186 1 Andrey Golovin
187 2 Andrey Golovin
* 7 Рассмотрим распределение длинны связи С-С за время моделирования. Сначала создадим индекс файл с одной связью. В текстовом редакторе создайте файл b.ndx со следующим содержимым:
188 1 Andrey Golovin
<pre> 
189 1 Andrey Golovin
[ b ]
190 1 Andrey Golovin
1 2 
191 1 Andrey Golovin
</code></pre>
192 1 Andrey Golovin
193 1 Andrey Golovin
И запустим утилиту по анализу связей g_bond:
194 1 Andrey Golovin
195 1 Andrey Golovin
<pre><code class="python">
196 1 Andrey Golovin
g_bond -f et_%s.trr -s et_%s.tpr -o bond_%s.xvg -n b.ndx -xvg none
197 1 Andrey Golovin
</code></pre>
198 1 Andrey Golovin
Постройте графики распределения длинн связей. Рекомендуемый вид это гистограмма. Графики добавьте в отчёт.
199 1 Andrey Golovin
200 2 Andrey Golovin
* 8 Учитывая форму распределения Больцмана и все Ваши наблюдения сделайте вывод о том какой из методов позволяет наиболее реалистично поддерживать температуру в системе. Опишите найденные Вами недостатки предложенных алгоритмов. Постройте таблицу зависимости быстродействия от алгоритма.