Visual Dynamics 3.0 の新機能

IUPACの定義によれば、MDは、ニュートンの運動の法則に従って、分子内の原子、または固体、液体、気体中の個々の原子または分子の運動を計算することからなるシミュレーション手順です。原子に作用する力は、その運動をシミュレートするために必要なもので、一般的には分子力学¹の力場を用いて計算される。これは、分子レベル、多くの場合原子レベル²で情報を抽出しようとするあらゆる現象に適用できます。

MDは、バイオインフォマティクス、特に構造バイオインフォマティクスに組み込まれている技術の1つです。それにより、生体分子構造の動力学的および熱力学的特性を得ることが可能である。例えば、高分子安定性、アロステリック部位の同定、酵素活性のメカニズムの解明、低分子との複合体の分子認識と物性、タンパク質間の会合、タンパク質のフォールディング、その水和などである³。さらに、MDは、分子設計(医薬品設計で広く使用されている)から、その構造とその精製(X線、NMR、およびタンパク質モデリング)を決定するための幅広い研究を可能にします³。MDの最後に得られる結果は、非^{量子シミュレーション4}の観点から最も豊富で完全です。古典的なMDは、実質的な近似の数のために、生体分子システムの物理学を十分に考慮して予想されるよりもはるかに効率的です。特に、量子力学効果は通常無視されます³。しかし、MD実験の実施は簡単ではありません⁵。コンピューティングの知識、特にほとんどの構造バイオインフォマティクスソフトウェアがLinuxターミナル用に作られているため、Linuxターミナルの知識が必要です。その知識があっても、Gromacsのコマンドとパラメータ化の学習は、別の急な学習曲線です。

1977年に生物学に初めて応用され^{て以来、計算}処理の増加とコーディングの改善により、多くの進化が遂げました。20年以上前、生物学的問題を対象とした最初のMDソフトウェア、すなわちGromacs⁷、AMBER⁸、NAMD⁹が発売されました。

最初のバージョン以来、これらのソフトウェアは依然として最も使用され、引用されています。しかし、彼らは、コンピュータの専門家ではない研究者を悩ませているのと同じ共通の実装上の困難を抱え続けています⁵。インストールと構成の手順が複雑なものもあり、最大限に活用するために実行するハードウェアに関する広範な知識と、高度にコンピューター中心の技術ドキュメントが必要になる場合があります。コマンドラインと無限パラメータを除けば、それらとインターフェースする簡単な方法が必要です。

インターフェースは、実行される論理プロセスと人間¹⁰との間の仲介者として機能する。ソフトウェアの実行方法のパラダイムは、コンピューティングリソースの向上とともに進化してきました。最初のデジタルパラダイムは、コマンドラインインターフェース(CLI)であり、その後、既知のグラフィカルユーザーインターフェース(GUI)¹¹に進化しました。進化のサイクルに続いて、World Wide Web(または単にWEB)によって生成されるインターフェースは、^GUI11の進化と見なされます。これら3つのパラダイムは、現在、開発者に依存して共存しています。CLI アプリケーションは、オペレーティング・システム・コンソールでテキスト・コマンドを使用します。GUI アプリケーション (グラフィカル デスクトップとも呼ばれます) は、ウィンドウ、ボタン、およびその他のコンポーネントで構成されるグラフィカル インターフェイスを使用します。これは、オペレーティングシステム用に固有で事前にプログラムされています。CLIとの主な違いは、ヒューマンマシンインタラクション¹²の追加要素としてマウスを使用することです。WEBアプリケーションは、GUIと混同されているにもかかわらず、開発はより複雑ですが、より用途が広く、運用においてはるかに機敏です。さらに、それらはブラウザと呼ばれるインタプリタソフトウェアにのみ依存しており、これにより、クライアントアプリケーションはオペレーティングシステム¹³から独立したネットワークを介してサーバと通信することが可能になる。

構造バイオインフォマティクスソフトウェアは、CLIおよびGUIパラダイムを最も一般的に使用します。CLIを使用する従来のソフトウェアの例としては、類似性モデリング用のModeller¹⁴ 、分子ドッキング用のAutodock¹⁵ 、分子動力学用のGromacs¹⁶ などがあります。GUIタイプを採用しているソフトウェアの例としては、SwissPDBviewer¹⁷、Pymol¹⁸、VMD¹⁹、UCSF Chimera²⁰、Autodockツール¹⁵、PyRx²¹、Biovia²²、Maestro²³、Moe²⁴などがあります。

Hypertext Markup Language version 5 (HTML5)²⁵、Cascading Style Sheets (CSS)²⁶、Javascript²⁷ などの技術の出現により、多くの構造バイオインフォマティクス アプリケーションを WEB に持ち込むことができ、よりアクセスしやすくなりました。類似性モデリングWEBサーバーの例としては、Modeller¹⁴をバックエンドとして使用するMODWEB²⁸や、Swissmodel²⁹があります。分子ドッキング用の Web アプリケーションサーバーの例としては、Haddock³⁰、Swissdock³¹、Cluspro³²、Dockthor³³ などがあります。

構造解析、モデリング、ドッキングの方法論は、CLIパラダイムからGUI、そして最終的にはWEBへと進化しましたが、MDは引き続きコマンドライン実行(CLIタイプ)によって主にサポートされています。このパノラマを改善するために、いくつかの優れたイニシアチブが生まれています。これらの取り組みの例としては、VMD³⁴ の QwikMD プラグイン、PyMOL の GROMACS プラグイン、UCSF Chimera²⁰ の分子動力学シミュレーション オプションなどの既存のソフトウェアへのプラグインの実装、ASGARD³⁵、Gmx_qk³⁶、CHAPERONg³⁷ などの新しくて簡単な CLI アプリケーション、堅牢な Web プラットフォームである BioBB-Wfs³⁸ などがあります.これらのプラグインやアプリケーションの使用は進歩ですが、その実装は、ほとんどの未熟な研究者にとって依然として課題です。一般的な問題には、MDソフトウェアのインストールと構成の問題が含まれ、シミュレーション⁵の完全な実行が損なわれることがよくあります。

2022年、フィオクルス・ロンドニア³⁹のLaboratório de Bioinformática e Química Medicinal から、ウェブベースの計算シミュレーション用のVisual Dynamicsソフトウェアが利用可能になりました。その初期バージョンはPythonとFlaskで構築されており、遊離タンパク質(アポエンザイム)を持つシステムのシミュレーションをわずか2nsで行うことができます。その後、PRODRG⁴⁰を使用して調製されたリガンドを使用した自動シミュレーションバージョンを含むように拡張されました。

VDは、構造生物物理学、バイオテクノロジー、および計算知識に限界がある関連分野のすべての研究者を支援するために設立されました。このツールにより、これらの研究者は、ハイパフォーマンスコンピューター(HPC)にアクセスすることなく、任意の運用システムからMDシミュレーションを含む仮説をテストできます。この作業の目的は、Visual Dynamics バージョン 3.0 の新機能を紹介することです。さらに、ツールの更新された使用プロトコルを導入し、現時点までの使用状況統計とともに、将来対処すべき制限を強調することを目的としています(図1)。