Visual Dynamics 3.0'daki Yeni Özellikler

IUPAC tanımına göre MD, Newton’un hareket yasalarına göre bir moleküldeki atomların veya katılar, sıvılar ve gazlardaki tek tek atomların veya moleküllerin hareketini hesaplamaktan oluşan simülasyon prosedürüdür. Atomlara etki eden ve hareketlerini simüle etmek için gerekli olan kuvvetler, genellikle moleküler mekanik^1’den gelen kuvvet alanları kullanılarak hesaplanır. Moleküler ve genellikle atomik düzeyde² bilgi elde etmeye çalışan herhangi bir fenomene uygulanabilir.

MD, biyoinformatiğe, özellikle yapısal biyoinformatiğe dahil edilen tekniklerden biridir. Bununla beraber, biyomoleküler yapıların kinetik ve termodinamik özelliklerini elde etmek mümkündür. Örneğin, makromoleküler stabilite, allosterik bölgelerin tanımlanması, enzimatik aktivite mekanizmalarının aydınlatılması, küçük moleküllü komplekslerin moleküler tanınması ve özellikleri, proteinler arasındaki ilişki, protein katlanması ve hidrasyonu³. Ayrıca, MD, yapının ve arıtılmasının (X-ışını, NMR ve protein ^modellemesi) belirlenmesinde moleküler tasarım (ilaç tasarımında yaygın olarak kullanılır) dahil olmak üzere çok çeşitli çalışmalara olanak tanır3. Bir MD’nin sonunda elde edilen sonuçlar, kuantum olmayan simülasyon açısından en zengin ve en eksiksiz olanlardır⁴. Klasik MD, önemli yaklaşımların sayısı nedeniyle biyomoleküler sistemlerin fiziğinin tam olarak değerlendirilmesinden beklenenden çok daha verimlidir. Özellikle, kuantum dinamik etkileri genellikle göz ardı edilir³. Bununla birlikte, bir MD deneyi uygulamak önemsiz değildir⁵. Çoğu yapısal biyoinformatik yazılımı bunun için yapıldığından, özellikle Linux Terminali olmak üzere bilgi işlem bilgisi gerektirir. Bu bilgiyle bile, Gromacs komutlarını ve parametrelendirmeyi öğrenmek başka bir dik öğrenme eğrisidir.

1977’de biyolojiye ilk uygulamasından bu^yana6, artan hesaplamalı işleme ve gelişmiş kodlama nedeniyle çok şey gelişti. Yirmi yıldan fazla bir süre önce, biyolojik problemlere yönelik ilk MD yazılımı, yani Gromacs⁷, AMBER⁸ ve NAMD⁹ piyasaya sürüldü.

İlk sürümlerinden bu yana, bu yazılımlar hala en çok kullanılan ve alıntı yapılan yazılımlar olmaya devam ediyor. Bununla birlikte, bilgisayar uzmanı olmayan araştırmacıları rahatsız eden aynı yaygın uygulama zorluklarıyla devam ediyorlar⁵. Bazılarının karmaşık kurulum ve yapılandırma adımları vardır, bazen ondan en iyi şekilde yararlanmak için üzerinde çalışacağı donanım hakkında kapsamlı bilgi ve son derece bilgisayar merkezli teknik belgeler gerektirir. Komut satırı ve sonsuz parametrelerin yanı sıra onlarla arayüz oluşturmanın daha kolay bir yoluna ihtiyaç vardır.

Bir arayüz, gerçekleştirilecek mantıksal işlem ile insan¹⁰ arasında bir aracı görevi görür. Yazılımın nasıl yürütüldüğüne dair paradigma, bilgi işlem kaynakları geliştikçe gelişmiştir. İlk dijital paradigma, komut satırı arayüzleri (CLI) idi ve bunu bilinen grafiksel kullanıcı arayüzlerine (GUI) evrim ^izledi.11. Evrimsel döngüyü takiben, World Wide Web (veya kısaca WEB) tarafından üretilen arayüz, GUI’lerin^11’in bir evrimi olarak kabul edilir. Bu üç paradigma şu anda geliştiricilere bağlı olarak bir arada var olmaktadır. CLI uygulamaları, işletim sistemi konsolunda metin komutlarını kullanır. Grafik masaüstleri olarak da adlandırılan GUI uygulamaları, pencereler, düğmeler ve diğer bileşenlerden oluşan bir grafik arabirim kullanır. Bir işletim sistemi için özeldir ve önceden programlanmıştır. CLI’dan temel farkı, farenin insan-makine etkileşiminde ek bir unsur olarak kullanılmasıdır¹². WEB uygulamaları, bir GUI ile karıştırılmasına rağmen, geliştirilmesi daha karmaşıktır, ancak daha çok yönlüdür ve operasyonda açık ara en çevik olanlardır. Ayrıca, yalnızca tarayıcı adı verilen bir tercüman yazılımına bağımlıdırlar, bu da istemci uygulamasının işletim sisteminden bağımsız bir ağ üzerinden sunucuyla iletişim kurmasını mümkün kılar¹³.

Yapısal biyoinformatik yazılımı en yaygın olarak CLI ve GUI paradigmalarını kullanır. CLI kullanan klasik yazılımların bazı örnekleri, benzerlik modellemesi için Modeller¹⁴ , moleküler yerleştirme için Autodock¹⁵ ve moleküler dinamikler için Gromacs^16’dır . GUI türünü benimseyen yazılımlara örnek olarak SwissPDBviewer¹⁷, Pymol¹⁸, VMD¹⁹, UCSF Chimera²⁰, Autodock tools¹⁵, PyRx²¹, Biovia²², Maestro²³ ve Moe²⁴ verilebilir.

Diğerlerinin yanı sıra Hypertext Markup Language sürüm 5 (HTML5)²⁵, Cascading Style Sheets (CSS)²⁶ ve Javascript²⁷ teknolojilerinin ortaya çıkmasıyla, birçok yapısal biyoinformatik uygulaması WEB’e getirilebilir ve böylece daha erişilebilir hale gelebilir. Benzerlik modelleme WEB sunucularına örnek olarak, arka uç olarak Modeller¹⁴ kullanan MODWEB²⁸ ve Swissmodel²⁹ verilebilir. Moleküler yerleştirme için web uygulama sunucularına örnek olarak Haddock³⁰, Swissdock³¹, Cluspro³², Dockthor³³ ve diğerleri verilebilir.

Yapısal analiz, modelleme ve yerleştirme metodolojileri CLI paradigmalarından GUI’ye ve son olarak WEB’e evrimleşirken, MD çoğunlukla komut satırı yürütme (CLI tipi) tarafından desteklenmeye devam ediyor. Bu panoramayı geliştirmek için bazı iyi girişimler ortaya çıktı. Bu girişimlere örnek olarak, VMD^34’e QwikMD eklentisi, PyMOL’e GROMACS Eklentisi ve UCSF Chimera^20’deki Moleküler Dinamik Simülasyon seçeneği gibi mevcut yazılımlarda eklentilerin uygulanması, ASGARD^{35, Gmx_qk 36} ve CHAPERONg³⁷ gibi bazı yeni ve daha kolay CLI uygulamaları ve sağlam bir web platformu olan BioBB-Wfs³⁸ verilebilir. Bu eklentilerin ve uygulamaların kullanımı bir ilerleme olsa da, bunların uygulanması çoğu vasıfsız araştırmacı için hala bir zorluktur. Yaygın zorluklar arasında, genellikle simülasyonun tam olarak yürütülmesini tehlikeye atan MD yazılımının yüklenmesi ve yapılandırılması sorunları yer alır⁵.

2022’de, web tabanlı hesaplamalı simülasyon için Visual Dynamics yazılımı, Fiocruz Rondônia^39’daki Laboratório de Bioinformática e Química Medicinal tarafından kullanıma sunuldu. İlk versiyonu Python ve Flask’ta inşa edildi ve sadece 2 ns için serbest proteinler (apoenzimler) içeren sistemlerin simülasyonlarına izin verdi. Daha sonra, PRODRG⁴⁰ kullanılarak hazırlanan ligandlarla otomatik bir simülasyon versiyonunu içerecek şekilde geliştirildi.

VD, yapısal biyofizik, biyoteknoloji ve ilgili alanlarda, hesaplama bilgisinde sınırlamaları olan tüm araştırmacılara yardımcı olmak için inşa edilmiştir; araç, bu araştırmacıların herhangi bir operasyonel sistemden ve yüksek performanslı bir bilgisayara (HPC) erişim olmadan MD simülasyonlarını içeren hipotezlerini test etmelerine olanak tanır. Bu çalışmanın amacı, Visual Dynamics sürüm 3.0’ın yeni özelliklerini sunmaktır. Ek olarak, araç için güncellenmiş bir kullanım protokolü sunmayı ve şu ana kadar olan kullanım istatistikleriyle birlikte gelecekte ele alınacak sınırlamaları vurgulamayı amaçlamaktadır (Şekil 1).