Изучение работы методов контроля температуры в GROMACS

В данном практикуме изучается то, как реализован контроль температуры в молекулярной динамике на примере GROMACS. Объект исследования - одна молекула этана.

1. Подготовка файлов координат и топологии.

Используя файл из прошлого практикума, создаем его индекс файл, в котором будет группа из одной молекулы этана.

make_ndx -f box_38.gro -o 1.ndx
r1

А затем создаем gro файл с одной молекулой и зададим ячейку. При запуске ediconf выбираем номер соответствующей группы из одной молекулы.

editconf -f box_38.gro -o et1.gro -n 1.ndx
#зададим ячейку и расположим молекулу по центру ячейку
editconf -f et1.gro -o et.gro -d 2 -c

Cтроим файл топологии et.top для этана. Для этого берем данный в задании файл и изменяем типы атомов. Чтобы проверить правильность файлы, можно попробовать следующую команду:

grompp -f be.mdp -c et.gro -p et.top -o et_test.tpr

Ссылки на файлы

1.ndx
et.gro
et.top
et_test.tpr

2.

В работе используются следующие файлы с разными параметрами контроля температуры:

  • be.mdp - метод Берендсена для контроля температуры;
  • vr.mdp - метод "Velocity rescale" для контроля температуры;
  • nh.mdp - метод Нуза-Хувера для контроля температуры;
  • an.mdp - метод Андерсена для контроля температуры;
  • sd.mdp - метод стохастической молекулярной динамики.

    • 3.

    Строим входные файлы для молекулярно-динамического движка mdrun с помощью grompp:

    grompp -f ${i}.mdp -c et.gro -p et.top -o et_${i}.tpr
# где i: be,vr,nh,an,sd  см. выше список mdp файлов

    Ссылки на файлы

    et_an.tpr
    et_be.tpr
    et_nh.tpr
    et_sd.tpr
    et_vr.tpr

    4.

    Получаем 5 .tpr файлов и для каждого запускаем mdrun

    mdrun -deffnm et_${i} -v -nt 1

    5. Визуальный анализ

    Для визуального анализа результатов конвертируем в pdb и смотрим в pymol. 

    trjconv -f et_${i}.trr -s et_${i}.tpr -o et_${i}.pdb

  • Движения молекулы этана, полученные с использованием метода Андерсена (an.mdp). Вращений нет, колебания не сильные, затрагивают длины связи и углы. Видео
  • Движения молекулы этана, полученные с использованием метода Берендсена (be.mdp).В начале можно видеть слабые колебания длинн связей и углов, но затем молекула кроме колебаний начинает вращаться .Видео
  • Движения молекулы этана, полученные с использованием метода Нуза-Хувера (nh.mdp). Молекула вращается вокрус С-С связи. Видео
  • Движения молекулы этана, полученные с использованием метода стохастической молекулярной динамики (sd.mdp). Молекула активно вращается и двигается в пространстве. Видео
  • Движения молекулы этана, полученные с использованием метода "Velocity rescale" (vr.mdp). Молекула колеблется и со временем начинает вращаться вокруг одной оси, меняя конформации. Видео

    • Ссылки на файлы

    et_an.pdb
    et_be.pdb
    et_nh.pdb
    et_sd.pdb
    et_vr.pdb

    6. Сравнение потенциальной и кинетической энергий

    Для сравнения вводим следующую команду для каждой системы:

    g_energy -f et_${i}.edr -o et_${i}_en.xvg

    и сторим графики изменения энергий.

    Ссылки на файлы

    et_an_en.xvg
    et_be_en.xvg
    et_nh_en.xvg
    et_sd_en.xvg
    et_vr_en.xvg

    7. Распределение длинны связи С-С

    Сначала создаем индекс-файл b.ndx с одной связью. 

    [ b ]
1 2

    И запускаем утилиту по анализу связей g_bond: 

    g_bond -f et_${i}.trr -s et_${i}.tpr -o bond_${i}.xvg -n b.ndx

    Строим графики распределения длин связей (гистограммой).

    Ссылки на файлы

    bond_an.xvg
    bond_be.xvg
    bond_nh.xvg
    bond_sd.xvg
    bond_vr.xvg

    Полученные графики

  • Метод Андерсена для контроля температуры

  • Метод Берендсена для контроля температуры

  • Метод Нуза-Хувера для контроля температуры

  • Метод стохастической молекулярной динамики

  • Метод"Velocity rescale" для контроля температуры

    • 8. Выводы

    Судя по всему, наиболее реалистично поддерживать температуру в системе позволяют методы "Velocity rescale" и стохастической молекулярной динамики, так как для них полученные графики больше похожи на распределение Больцмана.