Цель данного занятия - ознакомится с возможностями моделирования молекулярной динамики. Для этого будем использовать пакет молекулярной динамики Gromacs.

Моделирование самосборки липидного бислоя.

0. Настройка соединения с суперкомпьютером.

rm ~/.ssh
mkdir ~/.ssh
cp /home/preps/golovin/skif/* ~/.ssh
cat /home/preps/golovin/skif/config >> ~/.ssh/config
chmod 600 ~/.ssh/chemprac

1.Исходные файлы.

Для работы нам даны следующие файлы:

• файл дополнительной топологии для липида DPPC, dppc.itp;
• параметры для липидов lipid.itp;
• координаты одного липида dppc.gro;
• файл-заготовка тополгии системы b.top;
• файл праметров для минимизации энергии em.mdp;
• файл праметров для "утряски" воды pr.mdp;
• файл праметров для молекулярной динамики md.mdp;

2. Подготовка системы.

Сначала на основе одного липида создаем ячейку с 64 липидами:

genconf -f dppc.gro -o b_64.gro -nbox 4 4 4

Преобразовываем dppc.gro и b_64.gro в .pdb-файлы:

editconf -f dppc.gro -o dppc.pdb
editconf -f b_64.gro -o b_64.pdb

Полученные структуры изображены на рисунках 1,2.

Рисунок 1. Структура одной молекулы липида.

PyMOL определяет в боковой цепи одной из жирных кислот пятичленный цикл, хотя его там нет.

Рисунок 2. Ячейка, содержащая 64 молекулы липида.

В текстовом редакторе в файле b.top устанавливаем правильное количество липидов в системе:

[ molecules ]
; name	number
DPPC    64

Делаем небольшой отступ в ячейке от липидов, что бы добавить примерно 2500 молекул воды:

editconf -f b_64.gro -o b_ec -d 0.5

Проводим оптимизацию геометрии системы, чтобы удалить "плохие" контакты молекул:

grompp -f em -c b_ec -p b -o b_em -maxwarn 2
mdrun -deffnm b_em -v

Начальное значение максимальной силы: 4.37970e+05
Конечное значение максимальной силы: 6.16887e+02
Потенциальная энергия: 3.2059077e+03
Максимальное значение силы: 6.1937860e+02 на атоме 915
Норма силы: 1.7839124e+02
Более подробную информацию можно найти в файле force.txt.

Добавляем в ячейку молекулы воды типа spc:

genbox -cp b_em -p b -cs spc216 -o b_s

Проводим "утряску" воды:

grompp -f em -c b_s -p b -o b_empr -maxwarn 1
mdrun -deffnm b_empr -v

grompp -f pr -c b_empr -p b -o b_pr -maxwarn 1
mdrun -deffnm b_pr -v

Преобразовываем b_pr.gro и b_s.gro в .pdb-файлы:

editconf -f b_pr.gro -o b_pr.pdb
editconf -f b_s.gro -o b_s.pdb

Полученные структуры представлены на рисунках 3-5.

Рисунок 3. Ячейка с липидами после добавления воды. Приведено два изображения ячейки, с выделенными молекулами воды (слева) и с выделенными молекулами липида (справа).

Рисунок 4. Ячейка с липидами после добавления воды и ее "утряски". Приведено два изображения ячейки, с выделенными молекулами воды (слева) и с выделенными молекулами липида (справа).

Можно сказать, что после "утряски", молекулы воды стали распологаться чуть менее упорядоченно (хотя и до "утряски" они были расположены довольно хаотично). А вот молекулы липидов стали заметно менее упорядоченными. Сама молекула липида немного изменила конформацию (рисунок 5).

Рисунок 5. Молекула липида после "утряски".

Углы в молекуле немного изменились, по сравнению с исходной молекулой, и здесь уже не наблюдается ложного пятичленного цикла.

3. Запуск задачи на суперкомпьтере.

Копируем файлы на суперкомпьютер (работа проводилась в директории Lanina):

cd ..
scp -r ./Lanina skif:_scratch/fbb

Запускаем тестовое моделирование на суперкомпьтере:

ssh skif
cd _scratch/fbb/Lanina
cp /home/users/golovin/progs/share/gromacs/top/residuetypes.dat .
grompp -f md -c b_pr -p b -o b_md -maxwarn 1
sbatch -n 4 -e error.log -o output.log -t 5 -p test impi /mnt/msu/
users/fbbstudent/gmx-4.6.7-intel-impi-mkl-single/bin/mdrun_mpi -deffnm b_md -v

Номер задачи 1043338. Программа не выдает ошибок, но и не создает файл mdrun_mpi.out-1043338 (который должен содержать ход счета).
Запускаем основное моделирование на суперкомпьтере:

sbatch -n 16 -e error.log -o output.log -t 500 -p regular4 impi /mnt/msu/
users/fbbstudent/gmx-4.6.7-intel-impi-mkl-single/bin/mdrun_mpi-deffnm b_md -v

Номер задачи 1044443.

Все файлы, использованные и полученные при выполнении практикума, можно посмотреть в папке.