الميزات الجديدة في Visual Dynamics 3.0
Summary
Visual Dynamics هي أداة مفتوحة المصدر تعمل على تسريع عمليات التنفيذ والتعلم في محاكاة الديناميات الجزيئية باستخدام Gromacs. سيرشدك البروتوكول المقدم خلال خطوات إجراء محاكاة بروتين ليجند معدة في ACPYPE بسهولة وخطوات عامة لنماذج المحاكاة الأخرى.
Abstract
Visual Dynamics (VD) هي أداة ويب تهدف إلى تسهيل استخدام وتطبيق الديناميكيات الجزيئية (MD) المنفذة في Gromacs ، مما يسمح للمستخدمين الذين ليس لديهم معرفة حسابية بتشغيل عمليات محاكاة قصيرة الوقت لأغراض التحقق من الصحة والعرض والتعليم. صحيح أن الطرق الكمومية هي الأكثر دقة. ومع ذلك ، لا توجد حاليا جدوى حسابية لإجراء التجارب التي يقوم بها MD. تلقت الأداة الموضحة هنا تحسينات مستمرة على مدار العامين الماضيين. سيصف هذا البروتوكول ما هو مطلوب لتشغيل محاكاة في VD مع مركب بروتين ليجند تم إعداده مسبقا في ACPYPE وبعض التوجيهات العامة حول نماذج المحاكاة الأخرى المتاحة. بالنسبة للمحاكاة التفصيلية ، سيتم استخدام البروتين المرتبط ب FK506 من Plasmodium vivax المعقد مع المانع D5 (معرف PDB: 4mgv) ، وسيتم توفير جميع الملفات المستخدمة. لاحظ أن هذا البروتوكول سيخبر كل خيار لاستخدامه لتحقيق نفس النتائج المقدمة ، ولكن هذه الخيارات ليست بالضرورة الخيارات الوحيدة المتاحة.
Introduction
وفقا لتعريف IUPAC ، فإن MD هو إجراء المحاكاة الذي يتكون من حساب حركة الذرات في جزيء أو الذرات أو الجزيئات الفردية في المواد الصلبة والسوائل والغازات ، وفقا لقوانين نيوتن للحركة. عادة ما يتم حساب القوى المؤثرة على الذرات ، اللازمة لمحاكاة حركتها ، باستخدام مجالات القوة من الميكانيكا الجزيئية1. يمكن تطبيقه على أي ظاهرة تسعى إلى استخراج المعلومات على المستوى الجزيئي وغالباالذري 2.
MD هي واحدة من التقنيات المدمجة في المعلوماتية الحيوية ، وتحديدا المعلوماتية الحيوية الهيكلية. مع ذلك ، من الممكن الحصول على الخصائص الحركية والديناميكية الحرارية للهياكل الجزيئية الحيوية. على سبيل المثال ، الاستقرار الجزيئي ، وتحديد المواقع الخيفية ، وتوضيح آليات النشاط الأنزيمي ، والتعرف الجزيئي وخصائص المجمعات ذات الجزيئات الصغيرة ، والارتباط بين البروتينات ، وطي البروتين ، وترطيبه3. علاوة على ذلك ، يتيح MD مجموعة واسعة من الدراسات ، بما في ذلك التصميم الجزيئي (المستخدم على نطاق واسع في تصميم الأدوية) ، في تحديد البنية وصقلها (الأشعة السينية ، الرنين المغناطيسي النووي ، ونمذجة البروتين)3. النتائج التي تم الحصول عليها في نهاية MD هي الأغنى والأكثر اكتمالا من حيث المحاكاة غير الكمومية4. MD الكلاسيكي هو أكثر كفاءة بكثير مما هو متوقع من النظر الكامل في فيزياء النظم الجزيئية الحيوية بسبب عدد من التقريب الكبير. والجدير بالذكر أن التأثيرات الديناميكية الكمومية عادة ما يتم تجاهلها3. ومع ذلك ، فإن تنفيذ تجربة MD ليس تافها5. يتطلب معرفة الحوسبة ، وخاصة Linux Terminal ، حيث أن معظم برامج المعلوماتية الحيوية الهيكلية مصنوعة لذلك. حتى مع هذه المعرفة ، فإن تعلم أوامر Gromacs والمعلمات هو منحنى تعليمي حاد آخر.
منذ تطبيقه لأول مرة على علم الأحياء في عام 19776 ، تطور الكثير بسبب زيادة المعالجة الحسابية وتحسين الترميز. منذ أكثر من عقدين من الزمن ، تم إطلاق أول برنامج MD مخصص للمشاكل البيولوجية ، وهو Gromacs7 و AMBER8 و NAMD9.
منذ إصداراتها الأولى ، لا تزال هذه البرامج هي الأكثر استخداما واستشهادا. ومع ذلك ، فإنهم يستمرون في نفس صعوبات التنفيذ الشائعة التي تصيب الباحثين الذين ليسوا متخصصين في الكمبيوتر5. يحتوي بعضها على خطوات تثبيت وتكوين معقدة ، تتطلب أحيانا معرفة واسعة حول الأجهزة التي سيتم تشغيلها لتحقيق أقصى استفادة منها ووثائق فنية تتمحور حول الكمبيوتر بدرجة عالية. هناك حاجة إلى طريقة أسهل للتفاعل معهم ، بصرف النظر عن سطر الأوامر والمعلمات اللانهائية.
تعمل الواجهة كوسيط بين العملية المنطقية التي يتعين القيام بها والإنسان10. تطور نموذج كيفية تنفيذ البرامج مع تحسن موارد الحوسبة. كان النموذج الرقمي الأول هو واجهات سطر الأوامر (CLI) متبوعا بالتطور إلى واجهات المستخدم الرسومية المعروفة (GUI)11. بعد الدورة التطورية ، تعتبر الواجهة التي تنتجها شبكة الويب العالمية (أو ببساطة الويب) تطورا لواجهات المستخدم الرسومية11. تتعايش هذه النماذج الثلاثة حاليا اعتمادا على المطورين. تستخدم تطبيقات CLI الأوامر النصية على وحدة تحكم نظام التشغيل. تستخدم تطبيقات واجهة المستخدم الرسومية ، والتي تسمى أيضا أجهزة سطح المكتب الرسومية ، واجهة رسومية تتكون من النوافذ والأزرار والمكونات الأخرى. إنه محدد ومبرمج مسبقا لنظام التشغيل. الفرق الرئيسي من CLI هو استخدام الماوس كعنصر إضافي في التفاعل بين الإنسانوالآلة 12. تطبيقات الويب ، على الرغم من الخلط بينها وبين واجهة المستخدم الرسومية ، أكثر تعقيدا في التطوير ولكنها أكثر تنوعا والأكثر مرونة في التشغيل. علاوة على ذلك ، فهي تعتمد فقط على برنامج مترجم يسمى المتصفح ، مما يجعل من الممكن لتطبيق العميل الاتصال بالخادم من خلال شبكة مستقلة عن نظام التشغيل13.
تستخدم برامج المعلوماتية الحيوية الهيكلية بشكل شائع نماذج CLI و GUI. بعض الأمثلة على البرامج الكلاسيكية التي تستخدم CLI هي Modeller14 لنمذجة التشابه ، و Autodock15 للإرساء الجزيئي ، و Gromacs16 للديناميكيات الجزيئية. أمثلة على البرامج التي تعتمد نوع واجهة المستخدم الرسومية هي SwissPDBviewer17 و Pymol18 و VMD19 و UCSF Chimera20 وأدوات Autodock15 و PyRx21 و Biovia22 و Maestro23 و Moe24 وغيرها.
مع ظهور لغة ترميز النص التشعبي الإصدار 5 (HTML5) 25 ، وأوراق الأنماط المتتالية (CSS) 26 ، وتقنيات Javascript27 ، من بين أمور أخرى ، يمكن جلب العديد من تطبيقات المعلوماتية الحيوية الهيكلية إلى الويب ، وبالتالي تصبح أكثر سهولة. أمثلة على نمذجة التشابه خوادم WEB هي MODWEB28 ، والتي تستخدم Modeller14 كواجهة خلفية و Swissmodel29. أمثلة على خوادم تطبيقات الويب للإرساء الجزيئي هي Haddock30 و Swissdock31 و Cluspro32 و Dockthor33 وغيرها.
بينما تطورت منهجيات التحليل الهيكلي والنمذجة والإرساء من نماذج CLI إلى واجهة المستخدم الرسومية وأخيرا إلى الويب ، لا يزال MD مدعوما في الغالب من خلال تنفيذ سطر الأوامر (نوع CLI). ظهرت بعض المبادرات الجيدة لتحسين هذه البانوراما. ومن الأمثلة على هذه المبادرات تنفيذ المكونات الإضافية في البرامج الحالية ، مثل المكون الإضافي QwikMD إلى VMD34 ، والمكون الإضافي GROMACS إلى PyMOL ، وخيار محاكاة الديناميات الجزيئية في UCSF Chimera20 ، وبعض تطبيقات CLI الجديدة والأسهل ، مثل ASGARD35 و Gmx_qk36 و CHAPERONg37 ، ومنصة ويب قوية ، BioBB-WFS38. على الرغم من أن استخدام هذه المكونات الإضافية والتطبيقات يعد تقدما ، إلا أن تنفيذها لا يزال يمثل تحديا لمعظم الباحثين غير المهرة. تشمل الصعوبات الشائعة مشاكل تثبيت برنامج MD وتكوينه ، والتي غالبا ما تعرض التنفيذ الكامل للمحاكاة للخطر5.
في عام 2022 ، تم توفير برنامج Visual Dynamics للمحاكاة الحسابية المستندة إلى الويب من قبل مختبر المعلومات الحيوية و Química Medical في Fiocruz Rondônia39. تم بناء نسخته الأولية في Python و Flask ، مما يسمح بمحاكاة الأنظمة ذات البروتينات الحرة (apoenzymes) مقابل 2 نانوثانية فقط. بعد ذلك ، تم تحسينه ليشمل نسخة محاكاة آلية مع روابط معدة باستخدام PRODRG40.
تم بناء VD لمساعدة جميع الباحثين في مجال الفيزياء الحيوية الهيكلية والتكنولوجيا الحيوية والمجالات ذات الصلة الذين لديهم قيود في المعرفة الحسابية ؛ تسمح الأداة لهؤلاء الباحثين باختبار فرضياتهم التي تتضمن محاكاة MD من أي نظام تشغيلي ودون الوصول إلى جهاز كمبيوتر عالي الأداء (HPC). الغرض من هذا العمل هو تقديم الميزات الجديدة ل Visual Dynamics الإصدار 3.0. بالإضافة إلى ذلك ، يهدف إلى تقديم بروتوكول استخدام محدث للأداة وتسليط الضوء على القيود التي يجب معالجتها في المستقبل ، إلى جانب إحصاءات الاستخدام حتى اللحظة الحالية (الشكل 1).
Protocol
Representative Results
Discussion
أتمتة العمليات ليست سهلة ، ولكنها أيضا أقل صعوبة من إعادة برمجة النظام من البداية. يعد Gromacs حاليا أكثر برامج المحاكاة الجزيئية شيوعا ، ويتم تحديثه باستمرار. قام قسم الكيمياء الفيزيائية الحيوية في جامعة جرونينجن بتطويره في البداية ، ويتم صيانته الآن من قبل مختبر علوم الحياة في جامعة ستوكهو…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد حظي هذا العمل بدعم من مؤسسة أوزوالدو كروز (فيوكروز)، ومؤسسة التنمية العلمية والتكنولوجية في مجال العلوم (فيوتيك)، والمعهد الوطني للعلوم والتكنولوجيا في علم الأوبئة في الأمازون الأوغندية، ومؤسسة روندونيا لأمبارو أو ديسينفولفيمنتو في أسويس العلوم والتكنولوجيا، ومعهد دراسات البيولوجيا (فابيرو)، والمجلس الوطني للمهندسين العلميين والتقنيين (CNPq).
Materials
| ACPYPE Server | Bio2Byte | Available at https://www.bio2byte.be/acpype/ | |
| GRACE software | Plasma Laboratory at the Weizmann Institute of Science | Available at https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/ | |
| GROMACS software | GROMACS Team | Installation instructions at https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html | |
| The structure of the FK506-binding protein From Plasmodium vivax complexed with the inhibitor D5 |
RCSB Protein Data Bank | Available at https://www.rcsb.org/structure/4mgv Already contains the ligand complexed to the macromolecule. |
References
- . . The IUPAC Compendium of Chemical Terminology: The Gold Book. , (2019).
- Karplus, M., McCammon, J. A. Molecular dynamics simulations of biomolecules. Nat Str Biol. 9 (9), 646-652 (2002).
- Adcock, S. A., McCammon, J. A. Molecular dynamics: Survey of methods for simulating the activity of proteins. Chem Rev. 106 (5), 1589-1615 (2006).
- Stillinger, F. H., Rahman, A. Improved simulation of liquid water by molecular dynamics. J Chem Phys. 60 (4), 1545-1557 (1974).
- Zinovjev, K., Van Der Kamp, M. W. Enlighten2: molecular dynamics simulations of protein-ligand systems made accessible. Bioinformatics. 36 (20), 5104-5106 (2020).
- McCammon, J. A., Gelin, B. R., Karplus, M. Dynamics of folded proteins. Nature. 267 (5612), 585-590 (1977).
- 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).
- Pearlman, D. A., et al. AMBER, 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).
- Nelson, M. T. NAMD: A parallel, object-oriented molecular dynamics program. Int J Supercomp Appl High Performance Comp. 10 (4), 251-268 (1996).
- . . The Art of human-computer interface design. , (1990).
- Wigdor, D., Wixon, D. . Brave NUI World: Designing Natural User Interfaces for Touch and Gesture. , (2014).
- Unwin, A., Heike, H. . GUI and Command-line – Conflict or Synergy. , (2000).
- Clark, D. Developing Web Applications. Beginning C# Object-Oriented Programming. , 243-263 (2011).
- Eswar, N., et al. Comparative protein structure modeling using Modeller. Curr Protoc Bioinformatics. 5 (5.6), (2006).
- Morris, G. M. AutoDock4 and AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility. J Comp Chem. 30 (16), 2785-2791 (2009).
- 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).
- Guex, N., Peitsch, M. C. SWISS-MODEL and the Swiss-Pdb Viewer: An environment for comparative protein modeling. Electrophoresis. 18 (15), 2714-2723 (1997).
- . The PyMOL molecular graphics system Available from: https://pymol.org/ (2023)
- Humphrey, W., Dalke, A., Schulten, K. VMD: Visual molecular dynamics. J Mol Graph. 14 (1), 33-38 (1996).
- Pettersen, E. F., et al. UCSF Chimera-A visualization system for exploratory research and analysis. J Comp Chem. 25 (13), 1605-1612 (2004).
- . PyRx-python prescription v. 0.8 Available from: https://pyrx.sourceforge.io/ (2023)
- . PyRx-python prescription v. 0.8 Available from: https://pyrx.sourceforge.io/ (2023)
- . Maestro Available from: https://www.schrodinger.com/platform/products/maestro/ (2024)
- . Molecular operating environment (MOE) Available from: https://www.chemcomp.com/en/Products.htm (2023)
- . The Syntax, Vocabulary and APIs of HTML5 Available from: https://dev.w3.org/html5/html-author/ (2023)
- . Cascading Style Sheets Available from: https://www.w3.org/Style/CSS/ (2023)
- . ECMAScript 2020 language specification, 11th edition Available from: https://www.ecma-international.org/publications-and-standards/standards/ecma-262/ (2023)
- Pieper, U., et al. ModBase, a database of annotated comparative protein structure models, and associated resources. Nucleic Acids Res. 39 (Database), D465-D474 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kozakov, D., et al. The ClusPro web server for protein-protein docking. Nat Prot. 12 (2), 255-278 (2017).
- 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).
- Ribeiro, J. V., et al. QwikMD – Integrative molecular dynamics toolkit for novices and experts. Sci Rep. 6 (1), 26536 (2016).
- Rodríguez Martínez, A., et al. . ASGARD. A simple and automatic GROMACS tool to analyze Molecular Dynamic simulations. , (2023).
- 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).
- 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).
- 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), (2022).
- Vieira, I. H. P., et al. Visual dynamics: a WEB application for molecular dynamics simulation using GROMACS. BMC Bioinfo. 24 (1), 107 (2023).
- 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).
- 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).
- Sousa Da Silva, A. W., Vranken, W. F. ACPYPE – AnteChamber PYthon Parser interfacE. BMC Res Notes. 5 (1), 367 (2012).
- . Gromacs developmet and developers Available from: https://www.gromacs.org/development.html (2023)
- Andrio, P., et al. BioExcel building blocks, a software library for interoperable biomolecular simulation workflows. Sci Data. 6 (1), 169 (2019).
- Páll, S., et al. Heterogeneous parallelization and acceleration of molecular dynamics simulations in GROMACS. J Chem Phys. 153 (13), 134110 (2020).
