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EXPRORER_MSMD

共溶媒分子動力学 (mixed-solvent molecular dynamics; MSMD) シミュレーションエンジンと、解析ツールをまとめたリポジトリ

システムの説明

GROMACSを用いたMSMDを自動的に行うためのシステム。

簡単な使い方

環境構築

このgithubにはDockerファイルが含まれており、dockerを用いることで実行可能な環境を容易に作ることができる。

中で利用されている特筆すべきアプリは以下の通り。

  • python 3 ($PYTHON)
    • 利用しているライブラリは .devcontainer/Dockerfile を参照のこと。
  • AmberTools 20 ($TLEAP, $CPPTRAJ)
  • Gromacs 2021.5 ($GMX)
  • packmol 18.169 ($PACKMOL)

MSMDシミュレーションの実施 ( exprorer_msmd )

タンパク質、共溶媒（プローブ）分子、シミュレーションプロトコルを定義したyamlファイルを用意し（例えば example/example_protocol.yaml ）、 以下のコマンドを実行することで系の構築からシミュレーションの実施、確率密度マップ (spatial probability distribution map; PMAP) の作成を自動的に行う。

./exprorer_msmd example/example_protocol.yaml

なお、このシミュレーションの手順は

  • MSMDの系を作成する preprocess
  • GROMACSを用いたシミュレーションを実施する simulation
  • シミュレーション結果からPMAPファイル等を作成する postprocess

の3つに分かれており、それぞれは --skip-preprocess 、 --skip-simulation 、 --skip-postprocess で飛ばすことができる。

MSMDシミュレーション結果の解析

シミュレーションのトラジェクトリを確認する

./exprorer_msmd を実行すると、出力ディレクトリの中に独立試行ごとに system フォルダが作成される。この中に、[プロジェクト名]_woWAT_10ps.pdb など、いくつかのPDBファイルが作成されるが、これがMSMDのトラジェクトリである。PyMOLで当該ファイルを開くことで、シミュレーション中のタンパク質とプローブの動きを見ることができる。（水分子は除外されている）

タンパク質のホットスポットを探索する ( protein_hotspot )

タンパク質表面のどの部分にプローブ分子が存在しやすいか？という ホットスポット探索を行う。

./protein_hotspot example/example_protocol.yaml

これによって、出力ディレクトリ直下に maxPMAP_[プロジェクト名]_nV.dx などのOpenDXフォーマットのボクセルが作成される。このボクセルは、入力タンパク質構造に重なるように作成されている。これはPyMOLで読み込むことができ、 PyMOLの isomesh コマンドを用いることで描画することができる。

実行結果は以下のようなものになる（これは複数のプローブの計算結果を複数重ね合わせて表示している）。 ホットスポット探索

EXPRORER1 はこの結果を用いて、ボクセル間の類似度を計算、プローブ同士の類似度を計算している。

プローブ分子周辺残基環境2を取得する ( probe_profile )

前述のホットスポット解析とは反対に、プローブ分子の周囲にどのような残基が存在しやすいか？を描画する。

./protein_hotspot example/example_protocol.yaml

これによって、出力ディレクトリ直下に [プロジェクト名]_[プローブ名]_mesh_anion.dx など8種類のOpenDXフォーマットのボクセルが作成される。これは alignedresenv_[プロジェクト名].pdb に重なるように作成されており、これもPyMOLの isomesh コマンドで描画できる。

実行結果は以下のようなものになる。 プローブ分子周辺残基環境

yamlファイルの書き換え

すべての設定は yaml ファイルに記述されている。 （工事中）

Footnotes

  1. Keisuke Yanagisawa, Yoshitaka Moriwaki, Tohru Terada, Kentaro Shimizu. "EXPRORER: Rational Cosolvent Set Construction Method for Cosolvent Molecular Dynamics Using Large-Scale Computation", Journal of Chemical Information and Modeling, 61: 2744-2753, 2021/06. DOI: 10.1021/acs.jcim.1c00134 ↩

  2. Keisuke Yanagisawa, Ryunosuke Yoshino, Genki Kudo, Takatsugu Hirokawa. "Inverse Mixed-Solvent Molecular Dynamics for Visualization of the Residue Interaction Profile of Molecular Probes", International Journal of Molecular Sciences, 23: 4749, 2022/04. DOI: 10.3390/ijms23094749 ↩