Молекулярная динамика биологических молекул в GROMACS

В качестве объекта моделирования было выбрано поведение ДНК в формамиде.

1..4

Файлы, использованные при моделировании:

• координаты дуплекса ДНК (А-форма), dna.pdb
• файл с ячейкой уравновешенных молекул формамида, fam_em.gro
• файл дополнительной топологии для формамида, fam.itp
• файл параметров для минимизации энергии, em.mdp
• файл параметров для "утряски" воды, pr.mdp
• файл параметров для молекулярной динамики, md.mdp

5

Вначале pdb файл со структурой ДНК-дуплекса был приведен к виду, который воспринимает GROMACS. Для этого название каждого нуклеотида было изменено (G → DG и так далее), атом C5M тимина переименован в C7, удалены фосфаты на 5'-концах. По получившемуся файлу dna.pdb была построена топология в силовом поле amber99sb и файл с координатами в формате GROMACS. Используемая модель воды - tip3p (из трех частиц).

pdb2gmx -f dna.pdb -o dna -p dna -ffamber99sb -water tip3p

• dna.gro

6

С помощью editconf в ячейке был создан отступ от ДНК в 1.5 nm:

editconf -f dna.gro -o dna_ec -d 1.5

• dna_ec.gro

7

После этого была оптимизирована геометрия системы, чтобы удалить "плохие" контакты в молекуле:

grompp -f em -c dna_ec -p dna -o dna_em -maxwarn 1
mdrun -deffnm dna_em -v

• dna_em.gro
• dna_em.tpr

Значение максимальной силы уменьшилось в ходе оптимизации геометрии:

Step 0	 Fmax = 4.684e+03
Step 1	 Fmax = 1.375e+03
...
Step 97	 Fmax = 6.318e+02

8

Добавлены молекулы формамида:

genbox -cp dna_em -p dna -cs fam_em.gro -o dna_s

Всего было добавлено 1289 молекул растворителя.

• dna_s.tpr

9

После этого файл топологии dna.top был вручную изменен: добавлена ссылка на itp формамида и число молекул формамида.

• dna.top

10

Для нейтрализации заряда системы был построен tpr (из вывода grompp был получен заряд системы = -10), а затем добавлено, соответственно, 10 положительно заряженных ионов (Na+).

grompp -f em -p dna -c dna_s -o dna_s
genion -s dna_s -o dna_si -p dna -np 10

11

"Утряска" воды:

grompp -f pr -c dna_si -p dna -o dna_pr -maxwarn 1
mdrun -deffnm dna_pr -v

12

Файлы dna_si.gro (до утряски растворителя) и dna_pr.gro (после утряски) были переформатированы в pdb с помощью editconf. До утряски молекулы формамида располагались упорядоченно:

После утряски они расположены более или менее хаотично:

13..15

Был создан окончательный tpr файл для моделирования:

grompp -f md -c dna_pr -p dna -o dna_md -maxwarn 1

И, наконец, запущено само моделирование (в конечном итоге количество шагов составило 2000000, что соответствует 40 нс).

• dna_md.tpr