Очарование - CHARMM

Очарование
Разработчики)Мартин Карплюс, Accelrys
изначальный выпуск1983; 37 лет назад (1983)
Стабильный выпуск
c40b1, c40b2 / 2015; 5 лет назад (2015)
Предварительный выпуск
c41a1, c41a2 / 2015; 5 лет назад (2015)
Написано вFORTRAN 77-95, CUDA
Операционная системаUnix-подобный: Linux, macOS, AIX, iOS[1]
Платформаx86, РУКА, Nvidia GPU; Cray XT4, XT5[1]
Доступно ванглийский
ТипМолекулярная динамика
ЛицензияПроприетарный
Интернет сайтwww.charmm.org

Химия в Гарвардском университете макромолекулярной механики (Очарование) - это название широко используемого набора силовые поля за молекулярная динамика, и название компьютера для моделирования и анализа молекулярной динамики. программного обеспечения связанный с ними пакет.[2][3][4] Проект развития CHARMM включает всемирную сеть разработчиков, работающих с Мартин Карплюс и его группа в Гарвард развивать и поддерживать программу CHARMM. Лицензии на это программное обеспечение доступны за плату людям и группам, работающим в академических кругах.

Силовые поля

ОЧАРОВАНИЕ силовые поля для белков включают: объединенный атом (иногда называемый расширенный атом) CHARMM19,[5] полностью атомный CHARMM22[6] и вариант CHARMM22 / CMAP с поправкой на его двугранный потенциал.[7] В силовом поле белка CHARMM22 парциальные заряды атомов были получены из квантово-химических расчетов взаимодействий между модельными соединениями и водой. Кроме того, CHARMM22 параметризован для явного TIP3P водная модель. Тем не менее, его часто используют с неявные растворители. В 2006 году специальная версия CHARMM22 / CMAP была повторно параметризована для постоянного использования с неявным растворителем GBSW.[8]

Силовое поле CHARMM22 имеет следующую функцию потенциальной энергии:[6]

Связь, угол, двугранность и несвязанные члены аналогичны тем, которые встречаются в других силовых полях, таких как ЯНТАРЬ. Силовое поле CHARMM также включает неправильный термин, учитывающий изгиб вне плоскости (который применяется к любому набору из четырех атомов, которые не связаны последовательно), где - силовая постоянная и - угол отклонения от плоскости. Термин Ури-Брэдли - это перекрестный термин, который учитывает 1,3 несвязанные взаимодействия, не учитываемые условиями связи и угла; - силовая постоянная и расстояние между 1,3 атомами.

За ДНК, РНК, и липиды, CHARMM27[9] используется. Некоторые силовые поля можно комбинировать, например CHARMM22 и CHARMM27 для моделирования связывания белок-ДНК. Также можно загрузить параметры для НАД +, сахаров, фторированных соединений и т. Д. Эти номера версий силового поля относятся к версии CHARMM, в которой они впервые появились, но, конечно, могут использоваться с последующими версиями исполняемой программы CHARMM. Точно так же эти силовые поля могут использоваться в других программах молекулярной динамики, которые их поддерживают.

В 2009 году было введено общее силовое поле для молекул, подобных лекарствам (CGenFF). Он «охватывает широкий спектр химических групп, присутствующих в биомолекулах и молекулах, подобных лекарствам, включая большое количество гетероциклических каркасов».[10] Общее силовое поле предназначено для покрытия любой комбинации химических групп. Это неизбежно приводит к снижению точности представления любого конкретного подкласса молекул. На веб-сайте Mackerell пользователей неоднократно предупреждают не использовать параметры CGenFF для молекул, для которых уже существуют специальные силовые поля (как упоминалось выше для белков, нуклеиновых кислот и т. Д.).

CHARMM также включает поляризуемые силовые поля, используя два подхода. Один основан на модели флуктуирующего заряда (FQ), также называемой уравновешиванием заряда (CHEQ).[11][12] Другой основан на Друде оболочка или модель осциллятора дисперсии.[13][14]

Параметры всех этих силовых полей можно бесплатно загрузить с веб-сайта Mackerell.[15]

Программа молекулярной динамики

Программа CHARMM позволяет создавать и анализировать широкий спектр молекулярных симуляций. Самыми основными видами моделирования являются минимизация заданной структуры и производственных циклов траектории молекулярной динамики.

Более продвинутые функции включают возмущение свободной энергии (FEP), оценка квазигармонической энтропии, корреляционный анализ и комбинированный квант, и квантовая механика - молекулярная механика (QM / MM ) методы.

CHARMM - одна из старейших программ молекулярной динамики. В нем накоплено множество функций, некоторые из которых дублируются под несколькими ключевыми словами с небольшими вариантами. Это неизбежный результат многих взглядов и групп, работающих над CHARMM по всему миру. В файл журнала изменений и исходный код CHARMM - хорошие места для поиска имен и аффилированных лиц основных разработчиков. Участие и координация со стороны Чарльз Л. Брукс III группа в университет Мичигана является заметным.

История программного обеспечения

Примерно в 1969 г. возник значительный интерес к разработке функций потенциальной энергии для малых молекул. CHARMM возник в Мартин Карплюс группа в Гарварде. Карплус и его тогдашний аспирант Брюс Гелин решили, что пришло время разработать программу, которая позволила бы взять заданную аминокислотную последовательность и набор координат (например, из рентгеновской структуры) и использовать эту информацию для рассчитать энергию системы как функцию положения атомов. Karplus признал важность значительного вклада в разработку (на тот момент безымянной) программы, включая:

  • Группа Шнейора Лифсона в Институте Вейцмана, особенно из Арие Варшел который отправился в Гарвард и принес свое последовательное силовое поле (CFF) программа с ним
  • Гарольд Шерага группа в Корнельском университете
  • Осознание Майкл Левитт новаторские вычисления энергии для белков

В 1980-х годах наконец появилась газета, и CHARMM дебютировал на публике. К тому времени программа Гелина была значительно реструктурирована. Для публикации Боб Брукколери придумал название HARMM (HARvard Macromolecular Mechanics), но оно показалось неуместным. Поэтому они добавили C по химии. Карплюс сказал: "Иногда я задаюсь вопросом, могло бы первоначальное предложение Брукколери послужить полезным предупреждением для неопытных ученых, работающих с программой."[16] CHARMM продолжает расти, и последний выпуск исполняемой программы был выпущен в 2015 году как CHARMM40b2.

Запуск CHARMM под Unix-Linux

Общий синтаксис использования программы:

charmm -i filename.inp -o filename.out

  • очарование - Имя программы (или сценария, запускающего программу) в используемой компьютерной системе.
  • filename.inp - Текстовый файл, содержащий команды CHARMM. Он начинается с загрузки молекулярных топологий (вверху) и силовое поле (номинал). Затем загружаются декартовы координаты молекулярных структур (например, из файлов PDB). Затем можно модифицировать молекулы (добавляя атомы водорода, изменяя вторичную структуру). Раздел расчета может включать в себя минимизацию энергии, производство динамики и инструменты анализа, такие как корреляции движения и энергии.
  • filename.out - Файл журнала для запуска CHARMM, содержащий повторяющиеся команды и различный объем вывода команд. Уровень выходной печати в целом может быть увеличен или уменьшен, а такие процедуры, как минимизация и динамика, имеют спецификации частоты распечатки. На этой частоте выводятся значения температуры, энергетического давления и т. Д.

Волонтерские вычисления

Док-станция @ Home, организованный Университетом Делавэра, одним из проектов, использующих Открытый исходный код платформа для распределенных вычислений, BOINC, использовали CHARMM для анализа атомных деталей белок-лигандных взаимодействий с точки зрения молекулярная динамика (MD) моделирование и минимизация.

Сетка мирового сообщества, спонсируемая IBM, запустила проект под названием The Clean Energy Project[17] который также использовал CHARMM на своем первом завершенном этапе.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б "Установка". CHARMM (химия в HARvard Macromolecular Mechanics). Гарвардский университет. 2016 г.. Получено 14 ноября 2016.
  2. ^ Брукс Б.Р., Брюкколери Р.Э., Олафсон Б.Д., Государственный ди-джей, Сваминатан С., Карплюс М. (1983). «CHARMM: программа для расчета энергии макромолекул, минимизации и динамики». J. Comput. Chem. 4 (2): 187–217. Дои:10.1002 / jcc.540040211. S2CID  91559650.
  3. ^ MacKerell, A.D., Jr .; Brooks, B .; Брукс, К. Л., III; Nilsson, L .; Roux, B .; Выиграл, Y .; Карплюс, М. (1998). «CHARMM: функция энергии и ее параметризация с обзором программы». В Schleyer, P.v.R .; и другие. (ред.). Энциклопедия вычислительной химии. 1. Чичестер: Джон Уайли и сыновья. С. 271–277.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  4. ^ Brooks BR, Brooks CL 3rd, Mackerell AD Jr, Nilsson L, Petrella RJ, Roux B, Won Y, Archontis G, Bartels C, Boresch S, Caflisch A, Caves L, Cui Q, Dinner AR, Feig M, Fischer S, Гао Дж., Ходошек М., Им В., Кучера К., Лазаридис Т., Ма Дж., Овчинников В., Пачи Е., Пастор Р. У., Пост CB, Пу Дж. З., Шефер М., Тидор Б., Венейбл Р. М., Вальдшнеп Х. Л., Ву Х, Ян В. , York DM, Karplus M (29 июля 2009 г.). «CHARMM: Программа биомолекулярного моделирования». Журнал вычислительной химии. 30 (10): 1545–1614. Дои:10.1002 / jcc.21287. ЧВК  2810661. PMID  19444816.
  5. ^ Рейхер, III WH (1985). «Теоретические исследования водородных связей». Докторская диссертация в Гарвардском университете.
  6. ^ а б MacKerell AD Jr; и другие. (1998). «Всеатомный эмпирический потенциал для молекулярного моделирования и изучения динамики белков». J Phys Chem B. 102 (18): 3586–3616. Дои:10.1021 / jp973084f. PMID  24889800.
  7. ^ МакКерелл А.Д. младший, Фейг М., Брукс III CL (2004). «Расширение рассмотрения энергетики скелета в силовых полях белка: ограничения газовой квантовой механики при воспроизведении конформационных распределений белков в моделировании молекулярной динамики». J Comput Chem. 25 (11): 1400–1415. Дои:10.1002 / jcc.20065. PMID  15185334. S2CID  11076418.
  8. ^ Брукс С.Л., Чен Дж., Им В. (2006). «Уравновешивание сольватации и внутримолекулярных взаимодействий: к согласованному обобщенному силовому полю (опция CMAP для GBSW)». J Am Chem Soc. 128 (11): 3728–3736. Дои:10.1021 / ja057216r. ЧВК  2596729. PMID  16536547.
  9. ^ МакКерелл А.Д. младший, Банавали Н., Фолоппе Н. (2001). «Развитие и текущее состояние силового поля CHARMM для нуклеиновых кислот». Биополимеры. 56 (4): 257–265. Дои:10.1002 / 1097-0282 (2000) 56: 4 <257 :: AID-BIP10029> 3.0.CO; 2-W. PMID  11754339.
  10. ^ Vanommeslaeghe K, Hatcher E, Acharya C, Kundu S, Zhong S, Shim J, Darian E, Guvench O, Lopes P, Vorobyov I, Mackerell AD Jr (2009). «Общее силовое поле CHARMM: силовое поле для молекул, подобных лекарству, совместимое с полностью атомными дополнительными биологическими силовыми полями CHARMM». J Comput Chem. 31 (4): 671–90. Дои:10.1002 / jcc.21367. ЧВК  2888302. PMID  19575467.
  11. ^ Патель С., Брукс С.Л., третье (2004 г.). "Поле силы флуктуирующего заряда CHARMM для белков: параметризация и применение для моделирования объемных органических жидкостей". J Comput Chem. 25 (1): 1–15. Дои:10.1002 / jcc.10355. PMID  14634989. S2CID  39320318.
  12. ^ Патель С., Маккерелл А. Д. Младший, Брукс С. Л., третий (2004 г.). «Силовое поле флуктуирующего заряда CHARMM для белков: II свойства белка / растворителя из молекулярно-динамического моделирования с использованием неаддитивной электростатической модели». J Comput Chem. 25 (12): 1504–1514. Дои:10.1002 / jcc.20077. PMID  15224394. S2CID  16741310.
  13. ^ Ламурё Г., Ру Б. (2003). «Моделирование индуцированной поляризации с помощью классических осцилляторов Друде: теория и алгоритм моделирования молекулярной динамики». J Chem Phys. 119 (6): 3025–3039. Bibcode:2003ЖЧФ.119.3025Л. Дои:10.1063/1.1589749.
  14. ^ Lamoureux G, Harder E, Воробьев IV, Roux B, MacKerell AD (2006). «Поляризуемая модель воды для молекулярно-динамического моделирования биомолекул». Chem Phys Lett. 418 (1–3): 245–249. Bibcode:2006CPL ... 418..245L. Дои:10.1016 / j.cplett.2005.10.135.
  15. ^ Веб-сайт Mackerell
  16. ^ Карплюс М (2006). «Шпинат на потолке: возвращение химика-теоретика в биологию». Annu Rev Biophys Biomol Struct. 35 (1): 1–47. Дои:10.1146 / annurev.biophys.33.110502.133350. PMID  16689626.
  17. ^ Проект чистой энергии

внешняя ссылка