Новые возможности Visual Dynamics 3.0

Согласно определению ИЮПАК, МД — это процедура моделирования, которая заключается в вычислении движения атомов в молекуле или отдельных атомов или молекул в твердых телах, жидкостях и газах в соответствии с законами движения Ньютона. Силы, действующие на атомы, необходимые для моделирования их движения, обычно рассчитываются с использованием силовых полей из молекулярной механики¹. Он может быть применен к любому явлению, которое стремится извлечь информацию на молекулярном, а часто и атомном уровне^.

МД является одним из методов, включенных в биоинформатику, в частности в структурную биоинформатику. С его помощью можно получить кинетические и термодинамические характеристики биомолекулярных структур. Например, стабильность макромолекул, идентификация аллостерических сайтов, выяснение механизмов ферментативной активности, молекулярное распознавание и свойства комплексов с малыми молекулами, ассоциация между белками, сворачивание белка и его гидратация³. Кроме того, МД позволяет проводить широкий спектр исследований, включая молекулярный дизайн (широко используемый в разработке лекарств), определение структуры и ее уточнение (рентгенография, ЯМР и моделирование белков)³. Результаты, полученные в конце МД, являются наиболее богатыми и полными с точки зрения неквантового моделирования⁴. Классическая МД гораздо более эффективна, чем можно было бы ожидать при полном рассмотрении физики биомолекулярных систем из-за ряда существенных приближений. Примечательно, что квантово-динамические эффекты обычно игнорируются³. Тем не менее, проведение эксперимента MD не является тривиальной задачей⁵. Он требует знания вычислительной техники, особенно терминала Linux, так как большинство программ для структурной биоинформатики создано для этого. Даже с такими знаниями, изучение команд Gromacs и параметризации — еще одна крутая кривая обучения.

С момента его первого применения в биологии в 1977^{году6 многое} изменилось благодаря увеличению вычислительной обработки и улучшению кодирования. Более двух десятилетий назад было выпущено первое программное обеспечение MD, предназначенное для решения биологических проблем, а именно Gromacs⁷, AMBER⁸ и NAMD⁹.

С момента своих первых версий эти программы до сих пор остаются наиболее часто используемыми и цитируемыми. Тем не менее, они продолжают сталкиваться с теми же общими трудностями реализации, которые преследуют исследователей, не являющихся специалистами по компьютерам^. Некоторые из них имеют сложные этапы установки и настройки, иногда требующие обширных знаний об оборудовании, на котором они будут работать, чтобы получить максимальную отдачу от него, и технической документации, ориентированной на компьютер. Необходим более простой способ взаимодействия с ними, помимо командной строки и бесконечных параметров.

Интерфейс выступает в качестве посредника между логическим процессом, который должен быть выполнен, и человеком¹⁰. Парадигма выполнения программного обеспечения развивалась по мере совершенствования вычислительных ресурсов. Первой цифровой парадигмой стали интерфейсы командной строки (CLI), за которыми последовала эволюция до известных графических пользовательских интерфейсов (GUI)¹¹. Следуя эволюционному циклу, интерфейс, созданный Всемирной паутиной (или просто WEB), считается эволюцией графических интерфейсов¹¹. Эти три парадигмы в настоящее время сосуществуют в зависимости от разработчиков. Приложения CLI используют текстовые команды в консоли операционной системы. Приложения с графическим интерфейсом, также называемые графическими рабочими столами, используют графический интерфейс, состоящий из окон, кнопок и других компонентов. Он специфичен и предварительно запрограммирован для операционной системы. Основным отличием от CLI является использование мыши в качестве дополнительного элемента в человеко-машинном^{взаимодействии12}. Приложения WEB, несмотря на то, что их путают с графическим интерфейсом, более сложны в разработке, но более универсальны и, безусловно, наиболее гибки в работе. Кроме того, они зависят только от интерпретаторного программного обеспечения, называемого браузером, которое позволяет клиентскому приложению взаимодействовать с сервером через сеть, независимую от операционной системы¹³.

Программное обеспечение для структурной биоинформатики чаще всего использует парадигмы CLI и GUI. Некоторыми примерами классического программного обеспечения, использующего CLI, являются Modeller¹⁴ для моделирования подобия, Autodock¹⁵ для молекулярного докинга и Gromacs¹⁶ для молекулярной динамики. Примерами программного обеспечения, использующего тип графического интерфейса, являются SwissPDBviewer¹⁷, Pymol¹⁸, VMD¹⁹, UCSF Chimera²⁰, Autodock tools¹⁵, PyRx²¹, Biovia²², Maestro²³ и Moe²⁴, среди прочих.

С появлением технологий Hypertext Markup Language версии 5 (HTML5)²⁵, Cascading Style Sheets (CSS)²⁶ и Javascript²⁷ , среди прочих, многие приложения структурной биоинформатики могли быть перенесены в Интернет, тем самым став более доступными. Примерами WEB-серверов для моделирования сходства являются MODWEB²⁸, который использует Modeller¹⁴ в качестве бэкенда и Swissmodel²⁹. Примерами серверов веб-приложений для молекулярного докинга являются Haddock³⁰, Swissdock³¹, Cluspro³², Dockthor³³ и другие.

В то время как методологии структурного анализа, моделирования и стыковки эволюционировали от парадигм CLI к графическому интерфейсу и, наконец, к WEB, MD по-прежнему в основном поддерживается выполнением командной строки (тип CLI). Появилось несколько хороших инициатив, направленных на улучшение этой панорамы. Примерами таких инициатив являются внедрение плагинов в существующее программное обеспечение, такое как плагин QwikMD для VMD³⁴, плагин GROMACS для PyMOL и опция моделирования молекулярной динамики в UCSF Chimera²⁰, некоторые новые и более простые приложения CLI, такие как ASGARD³⁵, Gmx_qk³⁶ и CHAPERONg³⁷, а также надежная веб-платформа BioBB-Wfs³⁸. Несмотря на то, что использование этих плагинов и приложений является прогрессом, их внедрение все еще является проблемой для большинства неквалифицированных исследователей. К распространенным трудностям относятся проблемы с установкой и конфигурированием программного обеспечения MD, которые часто ставят под угрозу полноценное выполнение симуляции⁵.

В 2022 году программное обеспечение Visual Dynamics для компьютерного моделирования на основе веб-технологий стало доступно Лабораторией биоинформатики и медицинских приборов по адресу Fiocruz Rondônia³⁹. Его первоначальная версия была построена на Python и Flask, что позволяло моделировать системы со свободными белками (апоферментами) всего за 2 нс. Впоследствии он был расширен за счет включения автоматизированной версии моделирования с лигандами, полученными с помощью PRODRG⁴⁰.

VD был создан для помощи всем исследователям в области структурной биофизики, биотехнологии и смежных областей, которые имеют ограничения в вычислительных знаниях; этот инструмент позволяет исследователям проверять свои гипотезы, связанные с моделированием MD из любой операционной системы и без доступа к высокопроизводительному компьютеру (HPC). Целью данной работы является представление новых возможностей Visual Dynamics версии 3.0. Кроме того, он направлен на то, чтобы представить обновленный протокол использования инструмента и выделить ограничения, которые будут устранены в будущем, а также статистику использования до настоящего момента (рис. 1).