Анализатор траекторий молекулярной динамики и его применение к изучению механических свойств белков тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.02, кандидат наук Лихачев, Илья Вячеславович

• Лихачев, Илья Вячеславович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Лихачев, Илья Вячеславович

Содержание

Введение

Глава 1. Обзор подходов и методов

1.1 Молекулярная динамика и анализ траекторий молекулярной динамики

1.2 Программы для работы в области молекулярной динамики

Глава 2. Создание Анализатора траекторий

2.1 Назначение

2.2 Принцип работы

2.3 Краткое описание возможностей

2.3 Работа по увеличению быстродействия

2.4 Расширенные динамические контактные карты и ленты контактов

2.5 Коэффициент вариации молекулярной динамики. Распознавание процессов на исследуемой системе без предварительных сведений

2.6 Квазигармонический метод

2.7 Сценарии анализа траекторий молекулярной динамики. Платформа TAMD

Глава 3. Механические свойства кадгерина

3.1 Введение

3.2 Постановка расчетов

3.3 Проведение расчетов

3.4 Результаты

Глава 4. Исследование механической стабильности лево- и правозакрученных альфа-спиральных белков

4.1 Введение

4.2 Постановка расчетов

4.3 Проведение расчетов

4.4 Результаты

Заключение

Выводы

Список литературы

Список сокращений и условных обозначений

Приложение I. Инструкция по эксплуатации TAMD

1.1 Назначение

1.2 Общий порядок работы с ПО

1.2.1 Открытие файлов

1.2.2 Перемещение вдоль траектории. Молекулярное кино

1.2.3 Расчет общих характеристик

1.2.4 Средство работы с графиками

1.3 Дополнительные режимы работы

1.3.1 Выделение групп атомов

1.3.2 Визуализация расширенных траекторий

1.3.3 Расширенные динамические контактные карты

1.3.4 Квазигармонический анализ

Приложение II

II. 1 Базовые команды TAMD-Script

11.2 Базовые команды TAMD-Script

11.3 Пример. Сценарий анализа лево- и правозакрученных альфа-спиральных белков в опытах их разворачивания под действием постоянной силы, приложенной к концам

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализатор траекторий молекулярной динамики и его применение к изучению механических свойств белков»

Введение

Стремительное развитие вычислительной техники, особенно за последние 10 лет, привело к бурному росту количества научных работ в физике, химии, биологии и смежных науках, основным методом исследования в которых является так называемое «компьютерное моделирование» (или «компьютерный эксперимент»). Эти термины применяются в случаях, когда компьютер в научной работе используется не в традиционном качестве, т. е. в виде средства ускорения процесса расчета искомых величин по аналитически заданным формулам (или средства обработки введенной информации), но как особый «прибор». На этом приборе с помощью заданной модели и специально составленных программ проводится детальная имитация исследуемого процесса, в итоге которой извлекается информация об искомых свойствах системы. Технический прогресс в области вычислительной техники стимулировал развитие множества численных алгоритмов для решения различных задач с использованием компьютеров. В итоге компьютерное моделирование, наряду с традиционными теоретическими (аналитическими) подходами, а также экспериментальными методами, превратилось в мощное средство изучения свойств различных молекулярных систем и объектов, в ряде случаев едва ли не единственно возможное, а потому представляющее специальный интерес.

Результатом МД-расчетов являются траектории молекулярной динамики. Траекторные файлы представляют собой последовательную запись координат атомов макромолекулы через определенные промежутки времени. Исходя из определения, траекторные файлы в текстовом формате отличаются своей простотой и бесполезностью. Для извлечения информации из таких файлов используются специальные программы и методы обработки информации: от показа молекулярного кино до нахождения характеристик вдоль траектории (от времени).

Данная работа содержит описание новых методов и характеристик анализа траекторий молекулярной динамики - коэффициента вариации молекулярной динамики, квазигармонического метода, расширенных динамических контактных карт и лент контактов, расширенных траекторий.

Актуальность темы исследования

Методом моделирования молекулярной динамики (МД) пользуются во многих научно-исследовательских лабораториях. После проведения МД-эксперимента ставится задача анализа полученных данных. Возможны случаи, когда необходимо ответить на конкретные вопросы по эксперименту, а также когда возникает потребность описать эксперимент в целом, заострив внимание на структурные перестроения в ходе эксперимента.

Как правило, при анализе траекторий многие исследователи пишут собственные несложные программы для расчета простых характеристик. Вместе с тем, сложные алгоритмы работы с траекториями заложены в такие объемные пакеты как VMD и GROMACS, на изучение которых требуется до полугода рабочего времени.

Разработанная программа TAMD (Trajectory Analyzer of Molecular Dynamics, далее по тексту Анализатор) сочетает в себе: интуитивный графический пользовательский интерфейс, новые характеристики, направленные на быстрый анализ траектории в целом, а также является платформой для написания новых характеристик на траекториях и управляемой программой-платформой с интерпретатором скриптового языка для автоматизации рутинных действий.

В целях повышения быстродействия для анализа МД-систем из большого количества атомов, реализация Анализатора траекторий использует современные технологии, направленные на ускорение обработки информации, такие как технология вывода трехмерной графики OpenGL,

параллельное программирование, в том числе массивно-параллельное (технология США [110]).

Некоторые белки в клетке испытывают механические деформации при таких биологических процессах как межклеточная адгезия, сокращение мышц, транслокация белков через мембрану. Для понимания молекулярной природы механической стабильности белков необходимо провести большое количество МД экспериментов для исследования зависимости механических свойств белков от различных параметров. Исследование этого вопроса представляет практический интерес для конструирования биоматериалов с повышенной механической стабильностью.

При помощи Анализатора в данной работе проведен анализ механического разворачивания белка межклеточной адгезии кадгерина, а также влияние хиральности восьми альфа-спиральных белков на их механические свойства.

Цели и задачи

1. Разработка Анализатора траекторий молекулярной динамики как программного средства для анализа МД-траекторий с одной стороны, так и платформы для создания инструментария по анализу траекторий с другой. Создание новых алгоритмов исследования МД траекторий биомолекулярных систем. Обеспечение работы с молекулярными системами, содержащими до 100 ООО атомов.

2. Получение МД-траекторий для различных гидратированных белков и решение следующих задач:

а) Сравнение механических характеристик белка клеточной адгезии С-кадгерина (С-СасШепп) в зависимости от присутствия ионов различного типа.

Ь) Исследование влияния хиральности альфа-спиральных белков на их механические свойства.

Научная новизна

Создан новый инструмент для анализа МД-траекторий, позволяющий в интерактивном режиме рассчитывать конфигурационные и динамические характеристики молекулярных систем. В том числе, получение расширенных динамических контактных карт и лент контактов, нормальных мод, коэффициентов вариации.

Впервые методом молекулярной динамики проведен анализ механических характеристик макромолекулы белка С-кадгерина с ионами магния.

Впервые произведен сравнительный анализ последовательности разворачивания восьми альфа-спиральных белков по МД-экспериментам. Показано, что правозакрученные домены обладают большей механической стабильностью, чем левозакрученные.

Теоретическая и практическая значимость работы

Анализатор траекторий является необходимым средством при проведении МД-исследований. Основная направленность Анализатора - способность дать быструю характеристику динамики исследуемого объекта в целом, включая системы до 100 ООО атомов. Применение Анализатора способствует повышению эффективности исследований методом молекулярной динамики.

Исследование механической стабильности белковых молекул представляет практический интерес для конструирования биоматериалов с повышенной механической стабильностью.

Глава 1. Обзор подходов и методов

1.1 Молекулярная динамика и анализ траекторий молекулярной динамики

К настоящему моменты времени метод молекулярной динамики является одним из наиболее востребованных средств теоретического анализа молекулярных структур.

Существует ряд программ по проведению численных расчетов методом молекулярной динамики (МД): GROMACS (GROMOS), HyperChem, CHARMM (CHARMm), NAMD, PUMA. История развития последних тесно связана с историей вычислительной техники. К настоящему моменту времени существуют и активно поддерживаются версии программ для всех основных вычислительно мощных классов компьютерной техники: персональных компьютеров (однопроцессорное и малопроцессорное вычисление), суперкомпьютеры (многопроцессорные комплексы), вычисления с поддержкой GPU (сверхмногопотоковые алгоритмы для CUDA [110]). Отмечается, что направленность определенной программы на конкретную аппаратную базу слабо связана с возможностями самой программы.

В настоящей работе в качестве комплекса программ для моделирования молекулярной динамики выбрана PUMA [45, 46]. Выбор обусловлен, прежде всего, полнотой понимания программного комплекса - это наиболее важный фактор для проведения вычислительных экспериментов с конкретными образцами. Опыты проводились как на персональных компьютерах, так и на серверном оборудовании. Исходный код PUMA доступен и, при необходимости, может быть изменен и/или дополнен.

Как представитель своего класса, PUMA получает на входе pdb-файл, в котором содержится информация о пространственной структуре молекулярного комплекса к начальному моменту времени. Информация о моделируемом объекте может быть изменена или дополнена встроенными средствами PUMA, например, заполнение пространства заданного объема растворителем (молекулами воды).

Следующий этап - подготовительный. На основе координат атомов, их типов, а также наименований аминокислот программа составляет списки постоянно взаимодействующих частиц (используя силовое поле Amber), а также задает начальные скорости атомов по первоначальной температуре. Аналогичным образом работает и программа GROMACS.

Процесс моделирования - процесс интегрирования уравнений 2-го закона Ньютона - самая важная часть эксперимента. Внутри программы происходит вычисление координат атомов и сопутствующих величин через заданный промежуток времени - шаг интегрирования. Результат работы программы - траектории молекулярной динамики и сопутствующих величин. Траектория - это последовательная запись координат интересуемых частиц моделирования через заданные промежутки времени - период вывода траектории МД. Под сопутствующими величинами понимаются текущее значение времени, энергии (Ван-дер-Ваальса, свободная), прикладываемы силы, температура системы, термостата и пр.

Анализ полученных данных является одной из важнейших задач по теоретическому молекулярному моделированию

1.1.1 Задача анализа траекторий молекулярной динамики

После того, как проведен МД-опыт, траектории молекулярной динамики являются основными объектами теоретического исследования.

Они с требуемой детализацией несут в себе подавляющую часть информации о поведении молекулярной системы.

1.1.2 Аппаратная база

Помимо важности самой траектории, толчком для создания и развития программ по анализу файлов траекторий послужило бурное развитие вычислительной техники. С одной стороны, объем современных устройств хранения информации исчисляется гигабайтами. С другой, возможности отображения графической информации с некоторого момента времени стали особо привлекательными для показа графического образа молекулярной системы. Определенную временную точку назвать нельзя, процесс шел и идет ступенчатым образом. Можно упомянуть об устройствах вывода графической информации на бумажные носители. Огромный вклад внесло появление мониторов с графическим режимом, цветных мониторов. Увеличения разрешения мониторов. Если переходить к эре массовых персональных компьютеров, то особый вклад в развитие средств визуального анализа траекторий сделало появление отдельных графических адаптеров. Компания IBM в 1981 году выпустила видеокарту CGA (Color Graphics Adapter), а также первый стандарт для цветных мониторов. После некоторых промежуточных моделей (EGA, MCGA) эта же фирма в 1987 году выпустила видеокарту и одноименный стандарт VGA (Video Graphics Array), который, спустя 23 года, сохранился и по сей день. Видеокарты, поддерживающие этот стандарт, способны в режиме 640x480 точек по горизонтали и вертикали соответственно отображать картинку с частотой 60 Гц. Стандарт поддерживает 256 цветов, каждый из которых может принимать одно из 262 144 различных значений (отводится по 6 битов на красный, зелёный и синий компоненты), объём видеопамяти VGA — 256 кБ. Уже на этом видеоадаптере возможно уверенное отображение графического представления молекул в динамике. Следующий стандарт появился в 1991 -

активно используется и по сей день - SVGA (SuperVGA). Разработчики увеличили количество цветов до 16 и 24 бит, разрешение и стали поддерживать любую частоту вывода информации. Последняя постоянно росла в эру в CRT-мониторов и резко упала до 60-75 Гц с появлением жидкокристаллических мониторов.

Следующим шагом в развитии видеоадаптеров стало появление трехмерных ускорителей, в большей степени, благодаря играм, нежели научным потребностям. В начале 1990-х компания 3dfx Interactive на основе собственных видеокарт Voodoo Graphics предложила использовать Glide -API для трехмерной графики. Дело не в том, что изображение стало еще более реалистичным - его можно было посчитать и центральным процессором, стандарта SVGA было уже достаточно. Благодаря трехмерным ускорителям процесс создания изображений стал быстрым, благодаря чему появилась способность быстро менять изображения, создавая эффект анимации. Дальше поколения видеокарт можно разделять по версиям DirectX и OpenGL, которые они поддерживают - современных API, которые активно развиваются и по сей день.

1.1.3 Методика проведения экспериментов

К настоящему моменту времени исследователи из разных стран мира, использующие данные молекулярно-динамических расчетов как один из способов получения информации об окружающих нас биологических и химических молекулярных объектах, пользуются двумя типами методик изучения объектов:

1) Анализ статических структур (например, pdb-файлов).

2) Исследование динамических свойств (молекулярно-динамический эксперимент).

Нередко, исследователи из второй группы, проведя серию молекулярно-динамических расчетов, переходят в первую группу, используя лишь снимки из эксперимента.

В подавляющем большинстве случаев, ставится вопрос, каким образом ведет себя молекулярная система. Строится молекулярная система, выбираются начальные условия, проводится молекулярно-динамический эксперимент. Результат исследований - характеристика на траектории, либо любые другие вычисляемые по эксперименту величины - рассчитываются по заранее выбранной методике. Перед началом эксперимента исследователь должен знать, что его интересует. Именно на это рассчитаны все существующие программу по анализу молекулярных данных.

Несмотря на правильность традиционного подхода, отмечается, что в ходе работы с исследуемой системой возникают дополнительные вопросы, о которых не могла идти речь до проведения основных исследований -постановки численного эксперимента. Схема «вопрос-исследование-ответ» заменяется на «вопрос-исследование-{вопрос-исследование}-ответ». Именно для возможности ставить задачи и решать их непосредственно в ходе самого исследования и был создан класс программ, нацеленных на анализ траекторий молекулярных данных. Кроме того, современному исследователю необходим готовый программный комплекс по быстрому интерактивному анализу молекулярных данных. Последнему вопросу удовлетворяет TAMD -Trajectory analyzer of molecular dynamics - Анализатор траекторий молекулярной динамики.

В данной работе представлены методики исследования биологических и химических молекулярных систем путем обработки данных молекулярно-динамических расчетов. Предлагаются новые алгоритмы анализа молекулярных данных. Особое внимание уделяется комплексному исследованию биологического объекта.

1.1.4 TAMD - важный шаг написания работы

На настоящий момент мировое сообщество накопило некий набор программных инструментов для обработки данных молекулярно-динамических расчетов. Выбор инструмента исследований - в некоторой степени задача больше субъективная, она может решаться по-разному, в зависимости от имеющихся ресурсов. В текущих условиях автор работы руководствовался следующими пунктами при принятии решении написания собственной программы обработки данных траекторий молекулярной динамики:

1) необходимость обработки траекторий молекулярной динамики произвольной природы (биологической, химической, работа с квазичастицами);

2) работа с траекторными файлами в формате PUMA;

3) потребность в создании уникальных характеристик вдоль траекторий;

4) как следствие, потребность иметь API для работы с файлами молекулярной динамики, универсального вывода различных характеристик в виде графиков и молекулярного кино;

5) возможность создавать сложные программные продукты (более 10 ООО строчек кода);

6) потребность в создании интерактивных программных продуктов с развитым, интуитивно понятным пользовательским интерфейсом;

7) потребность в быстрой работе алгоритмов.

TAMD для авторов является прежде всего платформой для реализации в том числе и новых характеристик вдоль траекторий молекулярной динамики. Как следствие, с одной стороны мы получаем возможность

простой и быстрой реализации математических алгоритмов. С другой стороны, мы можем детально исследовать поведение характеристик, в зависимости от исходных данных и параметров, делая тем самым общие выводы о процессах, происходящих в химических и биологических системах.

1.1.5 TAMD возможности

1. Показ молекулярного кино в трехмерном виде больших молекулярных объектов (100 ООО атомов) с настройкой выводимой информации.

2. Возможность работы с подструктурами.

3. Расчет характеристик вдоль траектории, основанных на геометрии системы.

4. Средство работы с графиками функций, в том числе их статистической обработки.

5. Расчет коэффициента вариации молекулярной динамики.

6. Визуализатор квазигармонических колебаний.

7. Интерактивное построение расширенных динамических контактных карт больших молекулярных объектов при поддержке технологии CUDA.

8. Работа с расширенными траекториями молекулярной динамики.

9. Средство исправления траекторий (поврежденных в результате системных ошибок).

10. Средство построения отчетов об ошибках.

11.Реализации ресурсоемких алгоритмов в 3-х видах: для одного процессора, для многопроцессорной системы, для массивно-параллельной ЭВМ (CUDА).

12. Анализ траекторий по сценарию.

1.1.6 TAMD критика. Место среди других программ

TAMD является исключительно программой анализа траекторий. Для проведения экспериментов необходимо использовать другую, внешнюю программу для проведения молекулярно-динамических экспериментов.

Также иногда бывает необходимо использовать программы-конструкторы для исследования молекулярно-динамических ансамблей.

Универсальные программы типа всё в одном, такие как GROMACS, Hyper Chem, имеют успех, в основном, благодаря развитию одного из своих компонентов. В HyperChem есть оригинальная возможность проведения МД-эксперимента одновременно с его визуализацией. Программа работает на персональном компьютере. О быстродействии не может быть и речи. Если говорить о GROMACS, то это, в первую очередь, молекулярно-динамические расчеты. Да, он содержит и ряд инструментов для анализа результатов. Но взглянем на практикум [94]. Автор материала постоянно просит использовать Microsoft Excel для визуализации полученных данных. Управление программой производится в командно-текстовом режиме. Программа не дает быстрое представление о процессах, происходящих в системе.

VMD относится именно к программам анализа траекторий молекулярной динамики, хотя умеет работать и со статическими pdb-файлами. Скорость работы VMD превышает TAMD по части трехмерного отображения больших систем. VMD имеет в своем арсенале много сложных алгоритмов анализа траекторий. TAMD содержит много легко доступных в интерактивном режиме алгоритмов анализа трехмерной структуры на основе геометрии системы. VMD загружает траектории многих форматов в оперативную память целиком, a TAMD, в свою очередь, предлагает буфер случайного доступа к траектории.

Ни одна из перечисленных программ не способна работать с расширенными траекториями молекулярной динамики. Данный тип траекторий пока еще не получил широкого распространения. В данной работе показываются преимущества анализа расширенных траекторий по сравнению с обычными.

Помимо прочих особенностей, ТАМГО нацелен на анализ динамики систем. Сложные характеристики, которые присутствуют в других программах (такие как контактные карты), реализованы и в других программных продуктах. К тому же алгоритм их работы несложно написать имея минимум знаний по любому языку программирования. Уникальность ТАМБ заключается в предоставлении динамической интерактивной работы со сложными характеристиками.

Здесь «динамический» употребляется как синоним «характеристика вдоль траектории или функция от времени». Интерактивность - свойство программ быстро реагировать на требования пользователя. Относительно ТАМЭ - это возможность быстро перестраивать характеристики в зависимости от входных параметров.

1.2 Программы для работы в области молекулярной динамики

Современные программы по анализу траекторий молекулярной динамики, прежде всего, поддерживают показ траектории в виде так называемого молекулярного кино. При этом весьма желательно, чтобы вывод на экран производился с использованием аппаратного ускорения. Как правило, в таких программах присутствует возможность ориентирования макромолекулы в трехмерном пространстве.

Помимо анимированного показа теплового движения молекулярных систем, программы по работе с траекториями содержат некий арсенал дополнительных функций. Последний очень сильно зависит от создателей программы и не поддается строгой классификации.

Данный раздел содержит не только описание программ для обработки траекторий, но и класс продуктов, направленных на подготовку

молекулярно-динамических экспериментов. С одной стороны, часть программ по молекулярному моделированию уже содержит в себе некоторые инструменты анализа траекторий. С другой стороны, описание полного набора программ необходимо для лучшей ориентации в вопросе и понимания местоположения Анализатора траекторий.

1.2.1 VMD

VMD - продукт группы теоретической биофизики Университета штата Иллинойс (сокращение от Visual Molecular Dynamics) [81, 90, 38, 40, 41, 16]. VMD разработан специально для визуализации и анализа таких биологических систем, как белки, нуклеиновые кислоты, молекулярные системы на основе липидов (например, компоненты клеточных мембран). Программа понимает формат Protein Data Bank (PDB) и позволяет использовать различные варианты и методы визуализации и расцвечивания молекул. VMD пригоден для анимации и анализа фазовой траектории, полученной в результате молекулярно-динамического моделирования. Интересной особенностью программы является то, что она может использоваться в качестве графической составляющей компьютерной системы моделирования и работать на удаленном компьютере. Программа интегрируется с NAMD.

VMD поддерживает большое число форматов файлов биомолекул, позволяет работать с большими объёмами данных, имеет обширные возможности по визуализации и рендеренгу изображении и анимации [74].

Приведем список дополнительных функций одной из самых известных систем по визуализации и анализу молекул, как ее позиционируют авторы -коллектив из University of Illinois and Beckman Institute:

• Визуальный анализ молекул.

• Быстрый выбор атомов, аминокислотных остатков.

• Сравнение двух структур.

• Поддержка записи операций использования пользовательского интерфейса в скрипты.

• Поддержка Raster3D format (растрового формата для получения высококачественных изображений).

• Построение карт Рамачадрана.

• Поддержка множества типов отображения молекул.

• Стереоскопический режим вывода.

• Поддержка ввода команд с командной строки.

• Поддержка работы с матрицами и векторами.

• Поддержка скриптового языка.

1.2.2 CMView

Контактные карты являются ценным инструментом визуализации в структурной биологии. Они представляют собой удобный способ отображения белков на двухмерном рисунке и способствуют быстрому определению структурных функций, таких как доменная архитектуры, вторичная структура и контакт кластеров. Инструмент под названием CMView [13, 79] объединяет богатые возможности анализа контактных карт с 3D визуализацией с помощью PyMol. Инструмент предоставляет функции для вычисления контактной карты по структуре, базового редактирования, визуализации в ЗБ-пространстве и структурное сравнение различными встроенными методами выравнивания. Уникальной особенностью является интерактивное уточнение структурного выравнивания на основе выбранных пользователем подструктур.

В отличие от CMView, предлагаемый программный продукт TAMD ориентирован на анализ траекторий молекулярной динамики, а не отдельных статических структур. В TAMD присутствует собственный настраиваемый

вывод молекулярного кино (без задействования внешних программ, таких как PyMol [64]) с одновременным выводом контактной карты в динамике вдоль траектории с нанесением пользовательской информации (структуры).

Из-за потребности вычислять контактную карту в динамике в режиме реального времени в Анализаторе траекторий используется технология массивно-параллельного программирования (технология CUDA [110] компании NVIDIA [98]). За счет применения данной технологии становится возможным вычисление контактных карт с последующим их выводом на экран монитора с частотой в несколько десятков кадров в секунду - для контактных карт, содержащих несколько тысяч атомов. Более точные сведения приводить некорректно, т.к. скорость расчетов зависит от конкретных моделей центрального и графического процессоров, а также от пропускной способности применяемых шин передачи данных.

1.2.3 Проект WhatIF

Проект What If [83] развивается группой ученых из Центра Молекулярной и Биологической Информатики (the Centre for Molecular and Biomolecular Informatics, the CMB) под руководством Герта Френда (Gert Vriend). Разработка началась в Гронингенском университете в 1989 г. Позиционируется авторами не только как компьютерная программа, а как система взглядов, т.к. над проектом работали ученые из многих стран. Помимо самой программы, бесплатно доступной для академических пользователей, есть некоторое количество веб-сервисов, обрабатывающие -молекулярные данные. Как правило, они запрашивают входные данные и возращают результат через некоторое время, в зависимости от загрузки сервера.

Заключение диссертации по теме «Биофизика», Лихачев, Илья Вячеславович

Заключение

В работе описаны новые характеристики анализа траекторий молекулярной динамики: коэффициента вариации молекулярной динамики, визуализатор квазигармонических колебаний, расширенных динамических контактных карт и лент контактов, расширенных траекторий, а также коэффициента вариации молекулярной динамики.

Все новые характеристики рассчитаны на анализ поведения молекулярных систем вдоль времени. Коэффициент вариации молекулярной динамики позволяет просмотреть и локализовать структурные элементы, подверженные изменению. Расширенные динамические контактные карты позволяют отследить образование и разрыв контактов между структурами. Квазигармонический метод, в отличии от анализа нормальных мод, позволяет работать с готовой траекторией, а не получать требовать новых запусков программы моделирования молекулярной динамики. Визуализатор квазигармонических колебаний привносит наглядность полученным частотным характеристикам. Расширенные траектории - новый способ получения информации от программы моделирования молекулярной динамики, ТАМБ - первый инструмент, который поддерживает такие траектории.

Анализатор траекторий молекулярной динамики, разработанный в рамках описанной работы, содержит в себе все описанные методы и подходы к работе с траекториями. Одновременно Анализатор служит интерактивным средством работы с траекториями молекулярной динамики. Это означает, что все алгоритмы, заложенные в Анализатор, работают максимально быстро, чтобы диалог пользователя и компьютера оставался именно диалогом. В ходе реализации программы были применены современные технологии программирования, включая многопроцессорную обработку данных и массивно-параллельную (технологию С1ЮА).

Согласно работам [75] стабильность палочковидной конформации, присущая кадгерину в межклеточном пространстве, зависит от наличия ионов кальция в макромолекуле. При их отсутствии кадгерин принимает случайное свернутое состояние. В настоящей работе проведено моделирование растяжения молекулы кадгерина как в присутствии ионов Са2+, Мё2+, Ыа+, К4 , так и в апоформе с постоянной скоростью. Опыты по растяжению кадгерина за концы с постоянной скоростью с разными ионами выявили два типа поведения системы: ионы Са и придают белку

большую механическую стабильность, чем ионы и К+. За Знс

моделирований во всех случаях наблюдалось два пика силы, связанные с разворачиванием полипептидной цепочки первого домена и с увеличением расстояний между доменами. Для наборов независимых траекторий, полученных для систем с каждым из типов ионов, сценарии разворачивания повторяются.

При сравнении молекулярно-динамического моделирования с опытами по атомно-силовой микроскопии возможно лишь качественное сравнение результатов. Скорости растяжения макромолекулы в компьютерных экспериментах на порядки превосходят скорости в эксперименте. Это приводит к тому, что силовое воздействие на кадгерин при моделировании оказывается большим (1500-2500 пН против 100-200 пН в эксперименте). Тем не менее, можно предположить, что присущие системе закономерности качественно передаются правильно. Проведенное компьютерное моделирование, как и атомно-силовые эксперименты, указывают на важную роль ионов металла в механических свойствах кадгерина.

Методом молекулярной динамики были изучены четыре правозакрученных и четыре левозакрученных альфа-спиральных белка в экспериментах при растяжении с постоянной скоростью (192 траекторий) и под действием постоянной силы (64 траекторий). Анализ траекторий

молекулярной динамики с явным растворителем показали, что правозакрученные альфа-спиральные домены более механически устойчивы, чем левозакрученные. Этот результат можно объяснить, по крайней мере частично, тем, что правозакрученные альфа-спиральные белки имеют большее число контактов на остаток, чем левозакрученные белки.

Выводы

1. Разработано новое ПО для интерактивного анализа траекторий молекулярной динамики, в рамках которого предложены новые характеристики и подходы для анализа структуры и динамики биологических макромолекул. Это коэффициент вариации МД, работа с расширенными траекториями, визуализатор квазигармонических колебаний, расширенные динамические контактные карты.

2. По результатам молекулярно-динамического моделирования установлено, что белок межклеточного взаимодействия С-кадгерин с ионами М£2+ имеет механические свойства схожие со свойствами белка с ионами Са2+.

3. Установлено, что механические свойства трехспиральных белков зависят от их хиральности. При этом правозакрученные домены обладают большей механической стабильностью, чем левозакрученные.

4. Созданное ПО и предложенные подходы могут быть применены для анализа траекторий МД расчетов сложных биомолекулярных систем, в том числе белков и нуклеиновых кислот.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лихачев, Илья Вячеславович, 2014 год

Список литературы

1. Abraham MJ. Performance enhancements for GROMACS nonbonded interactions on BlueGene // J Comput Chem. 2011. V. 15. № 32(9). P. 2041-6.

2. Alden K., Read M., Timmis J., Andrews P.S., Veiga-Fernandes H., Coles M. Spartan: a comprehensive tool for understanding uncertainty in simulations of biological systems // PLoS Comput Biol. 2013. № 9(2). el002916.

3. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer simulation of liquids // Clarendon Press 1989.

4. Aqvist J. Ion-water interaction potentials derived from free energy perturbation simulations // J Phys Chem. 1990. № 94. P. 8021-4.

5. Belkina N.V., Skvortsov V.S., Ivanov A.S., Archakov A.I. Modeling of a three-dimensional structure of cytochrome P-450 1A2 and search for its new ligands // Vopr Med Khim. 1998. № 44(5). P. 464-73.

6. Boggon T.J., Murray J., Chappuis-Flament S., Wong E., Gumbiner B.M., Shapiro L. C-cadherin ectodomain structure and implications for cell adhesion mechanisms // Science. 2002. № 296. P. 1308-13.

7. Brockwell D.J., Beddard G.S., Paci E., West D.K., Olmsted P.D., Smith D.A., Radford S.E. Mechanically unfolding the small, topologically simple protein L // Biophys J. 2005. № 89. P. 506-519.

8. Carrion-Vazquez M., Li H., Lu H., Marszalek P.E., Oberhauser A.F., Fernandez J.M. The mechanical stability of ubiquitin is linkage dependent // Nat Struct Biol. 2003. № 10. P. 738-743.

9. Carrion-Vazquez M., Oberhauser A.F., Fowler S.B., Marszalek P.E., Broedel S.E., Clarke J., Fernandez J.M. Mechanical and chemical unfolding of a single protein: a comparison // Proc Natl Acad Sci USA. 1999. № 96. P. 3694-3699.

10. Chen J., Zolkiewska A. Force-induced unfolding simulations of the human Notchl negative regulatory region: possible roles of the heterodimerization domain in mechanosensing // PLoS One. 2011. № 6. e22837.

11. Chen J., Ruan H., Ng S.M., Gao C., Soo H.M., Wu W., Zhang Z., Wen Z., Lane D.P., Peng J. Loss of function of def selectively up-regulates Delta 113p53 expression to arrest expansion growth of digestive organs in zebra—sh. // Genes Dev. 2005. № 19(23). P. 2900-2911.

12. Choi Y.S., Sehgal R., McCrea P., Gumbiner B.M. A cadherin-like protein in eggs and cleaving embryos of Xenopus laevis is expressed in oocytes in response to progesterone // J. Cell Biol. 1990. № 110. P. 1575-1582.

13. CMView официальный сайт // URL: http://www.bioinformatics.org/cmview/.

14. Crampton N., Brockwell D.J. Unravelling the design principles for single protein mechanical strength // Curr Opin Struct Biol. 2010. № 20. P. 508-517.

15. Dyer R.B. Ultrafast and downhill protein folding // Curr Opin Struct Biol. 2007. № 17. P. 38^7.

16. Falsafi-Zadeh S., Karimi Z., Galehdari H. VMD DisRg: New User-Friendly Implement for calculation distance and radius of gyration in VMD program // Bioinformation. 2012. № 8(7). P. 341-3.

17. Fotv R.A., Steinberg M.S. The differential adhesion hypothesis: a direct evaluation. // DevBiol. 2005. V. 1 № 278(1). P. 255-63.

18. Froimowitz M. HyperChem: a software package for computational chemistry and molecular modeling // Biotechniques. 1993. № 14(6). P 1010-3.

19. Gianni S., Guydosh N.R., Khan F., Caldas T.D., Mayor U., White G.W.N., DeMarco M.L., Daggett V., Fersht A.R. Unifying features in proteinfolding mechanisms // Proc Natl Acad Sci USA. 2003. V. 100. P. 13286-13291.

20. Ginsberg D., DeSimone D., Geiger B. Expression of a novel cadherin (EP-cadherin) in unfertilized eggs and early Xenopus embryos // Development. 1991. V. 111. P 315-325.

21. Glyakina A.V., Balabaev N.K., Galzitskaya O.V. Mechanical unfolding of proteins L and G with constant force: similarities and differences // J. Chem. Phys. 2009. V. 131. №4. P. 045102.

22. Glyakina A.V., Balabaev N.K., Galzitskaya O.V. Multiple unfolding intermediates obtained by molecular dynamics simulations under stretching for immunoglobulin-binding domain of protein G // The Open Biochem. J. 2009. V. 3. P. 66-77.

23. Glyakina A.V., Balabaev N.K., Galzitskaya O.V. Two-, Three-, and Four-State Events Occur in the Mechanical Unfolding of Small Protein L Using Molecular Dynamics Simulations // Protein and Peptide Letters. 2010. V. 17. №1. P. 92103.

24. Glyakina A.V., Balabaev N.K., Galzitskaya O.V. Mechanical unfolding of proteins L and G with constant force: similarities and differences // J Chem Phys. 2009. №131. e045102.

25. Glyakina A.V., Balabaev N.K., Galzitskaya O.V. Multiple unfolding intermediates obtained by molecular dynamics simulations under stretching for immunoglobulin-binding domain of protein G // Open Biochem J. 2009 № 3 P. 66-77.

26. Glyakina A.V., Balabaev N.K., Galzitskaya O.V. Two-, three-, and fourstate events occur in the mechanical unfolding of small protein L using molecular dynamics simulations // Protein Pept Lett. 2010. № 17. P. 92-103.

27. Glyakina A.V., Pereyaslavets L.B., Galzitskaya O.V. Right- and lefthanded three-helix proteins. I. Experimental and simulation analysis AQ2 of differences in folding and structure // Proteins. 2013. № 81(9). P. 1527-41.

28. Gruber C.C., Pleiss J. Systematic benchmarking of large molecular dynamics simulations employing GROMACS on massive multiprocessing facilities. // J Comput Chem. 2011. № 32(4). P. 600-6.

29. Gutowska I., Machoy Z., Machaliriski B. The role of bivalent metals in hydroxyapatite structures as revealed by molecular modeling with the HyperChem software // J Biomed Mater Res A. 2005. V. 15. № 75(4). P. 78893.

30. Harrison O.J., Jin X., Hong S., Bahna F., Ahlsen G., Brasch J., Wu Y., Vendome J., Felsovalyi K., Hampton C.M., Troyanovsky R.B., Ben-Shaul A., Frank J., Troyanovsky S.M., Shapiro L., Honig B. The extracellular architecture of adherens junctions revealed by crystal structures of type I cadherins // Structure. 2011. № 19(2). P. 244-256.

31. Haussinger D., Ahrens T., Aberle T., Engel J., Stetefeld J., and Grzesiek S. Proteolytic E-cadherin activation followed by solution NMR and X-ray crystallography //EMBO J. 2004. № 23. P. 1699-1708.

32. Hekkelman ML, Te Beek TA, Pettifer SR. Thorne D. Attwood TK, Vriend G. WIWS: a protein structure bioinformatics Web service collection // Nucleic Acids Res. 2010. № 38. P 719-23.

33. Pearson H. Together PCs forecast fold // Nature. 2002. doi:10.1038/news021014-14.

34. Higo J., Nakasako M. Hydration structure of human lysozyme investigated by molecular dynamics simulation and cryogenic X-ray crystal structure analyses: on the correlation between crystal water sites, solvent density, and solvent dipole //J Comput Chem. 2002. V. 15. № 23(14). P. 1323-36.

35. Islam S.A., Karplus M., Weaver D.L. Application of the diffusioncollision model to the folding of three-helix bundle proteins // J Mol Biol. 2002. № 318. P. 199-215.

36. Ivanov A.S, Dubanov A.V., Skvortsov V.S., Archakov A.I. Computer drug design based on analysis of a target macromolecule structure. I. Search and description of a ligand binding site in a target molecule // Vopr Med Khim. 2002. №48(3). P. 304-15.

37. Jagannathan B., Elms P.J., Bustamante C., Marqusee S. Direct observation of a force-induced switch in the anisotropic mechanical unfolding pathway of a protein // Proc Natl Acad Sci USA. 2012. № 109. P. 17820-17825.

38. Hsin J., Arkhipov A., Yin Y., Stone J., Schulten K. Using VMD - an introductory tutorial. Current Protocols // Bioinformatics. 2008. V. 5. Unit 5.7.

39. Jiang W., Hardy D.J., Phillips J.C., Mackerell A.D. Jr, Schulten K., Roux B. High-performance scalable molecular dynamics simulations of a polarizable force field based on classical Drude oscillators in NAMD // J Phys Chem Lett. 2011. №2(2). P. 87-92.

40. Stone J.E., Isralewitz B., and Schulten K. Early experiences scaling VMD molecular visualization and analysis jobs on Blue Waters //XSEDE. 2013. In press.

41. Knapp B., Lederer N., Omasits U., Schreiner W. vmdICE: a plug-in for rapid evaluation of molecular dynamics simulations using VMD // J Comput Chem. 2010. №31(16). P. 2868-73.

42. Kota P. GUIMACS - a Java based front end for GROMACS // In Silico Biol. 2007. № 7(1). P. 95-9.

43. Kumara S., Li M.S. Biomolecules under mechanical force // Phys Rep. 2010. № 486. P. 1-74.

44. Kutzner C., van der Spoel D., Fechner M., Lindahl E., Schmitt U.W., de Groot B.L., Grubmiiller H. Speeding up parallel GROMACS on high-latency networks // J Comput Chem. 2007. № 28(12). P. 2075-84.

45. Lemak A.S., Balabaev N.K. Molecular dynamics simulation of a polymer chain in solution by collisional dynamics method. // J Comp Chem. 1996. № 17. P. 1685-95.

46. Lemak A.S., Balabaev N.K. A comparison between collisional dynamics and Brownian dynamics //Mol Simul. 1995. № 15. P. 223-31.

47. Levy R.M., Rojas O.L., Friesner R.A. Quasi-harmonic method for calculating vibration spectra from classical simulations on multidimensional anharmonic potential suraces // J.Phys.Chem. 1984 V. 88. P. 4233-4238.

48. Levy R.M., Srinivasan A.R., Olson W.K. Quasi-harmonic method for studying very low frequency modes in proteins // Biopolymers. 1984. V. 23. P. 10991112.

49. Li M.S., Kouza M. Dependence of protein mechanical unfolding pathways on pulling speeds // J Chem Phys 2009. № 130. el45102.

50. Meloty-Kapella L., Shergill B., Kuon J, Botvinick E., Weinmaster G. Notch ligand endocytosis generates mechanical pulling force dependent on dynamin, epsins, and actin // Dev Cell. 2012. № 22. P. 1299-1312.

51. Mitternacht S., Luccioli S., Torcini A., Imparato A., Irb€ack A. Changing the mechanical unfolding pathway of FnllllO by tuning the pulling strength // Biophys J. 2009. № 96. P. 429-441.

52. Morrone A., Giri R., Toofanny R.D., Travaglini-Allocatelli C., Brunori M., Daggett V., Gianni S. GB1 is not a two-state folder: identi—cation and characterization of an on-pathway intermediate // Biophys J. 2011. № 101. P. 2053-2060.

53. Nagar B., Overduin M., Ikura M., Rini J.M. Structural basis of calcium-induced E-cadherin rigidi—cation and dimerization // Nature. 1996. № 380. P. 360-364.

54. Nagar B., Overduin M., Ikura M., Rini, J. M. Structural basis of calcium-induced E-cadherin rigidification and dimerization // Nature. 1996. № 380. P. 360-364.

55. Ng S.P., Rounsevell R.W.S., Steward A., Christian D., Geierhaas C.D., Williams P.M., Paci E., Clarke J. Mechanical unfolding of TNfn3: the unfolding pathway of a fnlll domain probed by protein engineering, AFM and MD simulation // J Mol Biol. 2005. № 350. P. 776-789.

56. Niessen C.M., Gumbiner B.M. Cadherin-mediated cell sorting not determined by binding or adhesion speci—city. // J Cell Biol. 2002. № 156(2). P. 389-399.

57. Patel N.A., Curiel S., Zhang Q., Sridharan T.K., Ho P., Torrelles J.M. Submillimeter Array Observations of 321 GHz Water Maser Emission in Cepheus A // The Astrophysical Journal. 2007. № 658. L55-L58.

58. Noel J.K., Whitford P.C., Sanbonmatsu K.Y., Onuchic J.N. SMOG@ctbp: simplified deployment of structure-based models in GROMACS // Nucleic Acids Res. 2010. W657-61.

59. Nose H., Mack G.W., Shi X., Nadel E.R. Role of osmolality and plasma volume during rehydration in humans // J Appl Physiol. 1988. № 65(1). P. 32531.

60. Oroz J., Valbuena A., Vera A.M., Mendieta J., Gómez-Puertas P., Carrión-Vázquez M. Nanomechanics of the cadherin ectodomain: "canalization" by Ca binding results in a new mechanical element // J Biol Chem. 2011. № 286(11). P. 9405-18.

61. Phillips J.C., Braun R., Wang W., Gumbart J., Tajkhorshid E., Villa E., Chipot C., Skeel R.D., Kalé L., Schulten K. Scalable molecular dynamics with NAMD // J Comput Chem. 2005. № 26(16). P. 1781-802.

62. Pokutta S., Herrenknecht K., Kemler R., Engel J. Conformational changes of the recombinant extracellular domain of E-cadherin upon calcium binding. // Eur. J. Biochem. 1994. № 223. P. 1019-1026.

63. Pronk S., Páll S., Schulz R., Larsson P., Bjelkmar P., Apostolov R., Shirts M.R., Smith J.C., Kasson P.M., van der Spoel D., Hess В., Lindahl E. GROMACS 4.5: a high-throughput and highly parallel open source molecular simulation toolkit // Bioinformatics. 2013. № 29(7). P. 845-54.

64. PyMol официальный сайт // URL: http://www.pvmol.org/.

65. QuteMol официальный сайт // URL: http://qutemol.sourceforge.net/.

66. Rodriguez R., Chinea G., Lopez N„ Vriend G. Full window stereo // J Mol Graph Model. 1999. № 17(5-6). P. 310-4.

67. Roopra S., Knapp В., Omasits U., Schreiner W. jSimMacs for GROMACS: a Java application for advanced molecular dynamics simulations with remote access capability. // J Chem Inf Model. 2009. № 49(10). P. 2412-7.

68. Sato S., Religa T.L., Daggett V., Fersht A.R. Testing protein-folding simulation by experiment: B domain of protein A // Proc Natl Acad Sci USA. 2004. № 101. P.6952-6956.

69. Schlierf M., Li H., Fernandez J.M. The unfolding kinetics of ubiquitin captured with single-molecule force-clamp techniques // Proc Natl Acad Sci USA. 2004. № 101. P. 7299-7304.

70. Sellis D., Vlachakis D., Vlassi M. Gromita: a fully integrated graphical user interface to gromacs 4 // Bioinform Biol Insights. 2009. № 3. P. 99-102.

71. Fisher T.E, Marszalek P.E., Fernandez J.M. Stretching single molecules into novel conformations using the atomic force microscope // Nat Struct Biol. 2000. № 7. p. 719-724.

72. Shergill B., Meloty-Kapella L., Musse A.A., Weinmaster G., Botvinick E. Optical tweezers studies on Notch: single-molecule interaction strength is independent of ligand endocytosis // Dev Cell. 2012. № 22. P. 1313-1320.

73. Shimoyama Y., Tsujimoto G., Kitajima M., Natori M. Identification of three human type-II classic cadherins and frequent heterophilic interactions between different subclasses of type-II classic cadherins // Biochem. J. 2000. № 349: P. 159-167.

74. Cross S., Kuttel M., Stone J., Gain J. Visualisation of cyclic and multi-branched molecules with VMD // J. Mol. Graphics and Modeling. 2009. № 28. P. 131-139.

75. Sotomayor M., Schulten K. The Allosteric Role of the Ca2+ Switch in Adhesion and Elasticity of C-Cadherin // Biophysical Journal. 2008. № 94. P. 4621^1633.

76. Spector S., Raleigh D.P. Submillisecond folding of the peripheral subunit-binding domain // J Mol Biol. 1999. № 293. P. 763-768.

77. Tanner D.E., Chan K.Y., Phillips J.C., Schulten K. Parallel Generalized Born Implicit Solvent Calculations with NAMD // J Chem Theory Comput. 2011. № 7(11). P. 3635-3642.

78. Van Der Spoel D., Lindahl E., Hess В., Groenhof G., Mark A.E., Berendsen H.J. GROMACS: fast, flexible, and free // J Comput Chem. 2005. № 26(16). P. 1701-18.

79. Vehlow C., Stehr H., Winkelmann M., Duarte J.M., Petzold L., Dinse J., Lappe M. CMView: interactive contact map visualization and analysis. // Bioinformatics. 2011. № 27(11). P. 1573-4.

80. Venselaar H., Те Beek T.A., Kuipers R.K., Hekkelman M.L., Vriend G. Protein structure analysis of mutations causing inheritable diseases. An e-Science approach with life scientist friendly interfaces // BMC Bioinformatics. 2010. № 11. № 548.

81. VMD официальный сайт // URL: http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd/.

82. Vriend G., Sander C. Detection of common three-dimensional substructures in proteins // Proteins. 1991. № 11(1). P. 52-8.

83. Vriend G. WHAT IF: a molecular modeling and drug design program // J Mol Graph. 1990. № 8(1). P. 52-6.

84. Hehre W.J. A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations // Wave function, Inc. 2003.

85. Waldauer S.A., Bakajin O., Ball Т., Chen Y., Decamp S.J., Корка M., Jager M., Singh V.R., Wedemeyer W.J., Weiss S., Yao S., Lapidus L.J. Ruggedness in the folding landscape of protein L // HFSP J. 2008. № 2. P. 388-395.

86. Wang J., Cieplak P., Kollmann P.A. How well does a restrained electrostatic potential (RESP) model perform in calculating conformational energies of organic and biological molecules // J Comp Chem. 2000. № 21. P. 1049-1074.

87. Wang Y., Harrison C.B., Schulten К., McCammon J.A. Implementation of Accelerated Molecular Dynamics in NAMD // Comput Sei Discov. 2011. № 4(1). doi:pii: 015002.

88. Weiss S. Measuring conformational dynamics of biomolecules by single molecule fluorescence spectroscopy. Nat Struct Biol. 2000. № 7. P. 724-729.

89. West D.K., Olmsted P.D., Paci E. Mechanical unfolding revisited through a simple but realistic model // J Chem Phys. 2006. № 124. P. 154909-154918.

90. Humphrey W., Dalke A., Schulten K. VMD - Visual Molecular Dynamics // J. Mol. Graphics. 1996. № 14. P. 33-38.

91. Williams E.-J., Williams G., Howell F.V., Skaper S.D., Walsh F.S., Doherty P. Identification of an N-cadherin motif that can interact with the firoblast growth factor receptor and is required for axonal growth // J. Biol. Chem. 2001. № 276. P. 43879-43886.

92. Zhang Y., Sivasankar S., Nelson J., Chu S. Resolving cadherin interactions and binding // PNAS. 2009. V. 106. № 1, P. 109-114.

93. Zhu J.-H., Chen C.-L., Flavahan S., Harr J., Su В., Flavahan N.A. Cyclic stretch stimulates vascular smooth muscle cell alignment by redox dependent activation ofNotch3 //Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2011. № 300. H1770-H1780.

94. Андреева JI. Анализ молекулярной динамики биологических молекул в GROMACS. //URL: http://kodomo.cmm.msu.ru/~lu.andreeva/prac8.html

95. Богатырев Р. Природа и эволюция сценарных языков // Мир ПК. 2001. № 11.

96. Глякина А.В., Балабаев Н.К., Галзитская О.В. Сравнение переходных состояний иммуноглобулинсвязывающих доменов белков L и G, полученных при моделировании разворачивания под действием внешних сил и в экспериментах под действием денатуранта // Биохимия. 2009. Т. 74. С. 389-403.

97. Глякина А.В., Галзитская О.В., Балабаев Н.К. Исследование механических свойств иммуноглобулинсвязывающих доменов белков L и G методом молекулярной динамики // Компьютерные исследования и моделирование. 2010. Т. 2. № 1. С. 73-81.

98. Компания NVIDIA официальный сайт // URL: http://www.nvidia.ru/.

99. Лихачев И.В., Балабаев H.K. Анализатор траекторий молекулярной динамики //Математическая биология и биоинформатика. 2007. Т. 2. № 1. С. 120-129.

100. Лихачев И.В., Балабаев Н.К. Анализатор траекторий молекулярной динамики (TAMD) // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014612313.

101. Лихачев И.В., Балабаев Н.К. Построение расширенных динамических контактных карт по данным молекулярно-динамических расчетов // Математическая биология и биоинформатика. 2009. Т. 4. № 1. С. 36-45.

102. Официальный сайт Alchemy 2000 i // URL: http://www.ggasoflware.com/services/alchemy-2000.

103. Официальный сайт GGA Software Serveces // URL: http://www.ggasoftware.com/.

104. Официальный сайт HyperChem // URL: http://www.hyper.com/7tabicN360.

105. Официальный сайт Hypercube // URL: http://www.hyper.com/.

106. Официальный сайт Wavefimction, Inc // URL: http://www.wavefun.com/.

107. Проект MD@home // URL: https://distributed.ru/forum/?fH 1.

108. Страница проекта NAMD на сайте группы PPL // URL: http://charm.cs.uiuc.edu/research/moldyn/.

109. Страница проекта NAMD на сайте группы ТСВ // URL: http://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/.

110. Технология CUDA официальный сайт // URL: http://www.nvidia.ru/object/cuda-parallel-computing-ru.html.

Список сокращений и условных обозначений

TAMD - Trajectory analyzer of molecular dynamics, Анализатор траекторий молекулярной динамики.

МД - молекулярная динамика, молекулярно-динамический.

CUDA - computer unified device architecture.

EC - extra cellular.

A - Ангстрем.

пН - пиконьютон (10"12 H).

пс - пикосекунда (10"12 с).

не - наносекунда (10"9 с).

К - Кельвин.

API - application program interface.

PUMA - Pushchino molecular analysis.

ЭВМ - электронная вычислительная машина.

НТ - hyper threading.

SMP - Symmetric Multiprocessing.

SQL - Structured Query Language — Структурированный язык запросов. ГБ - Гигабайт.

BMP - bitmap, точечный рисунок.

WMF - Windows metafile, универсальный формат векторных графических файлов для Windows приложений.

RAM - random access memory, оперативная память.

FIFO - first input - first output; первым пришел - первым обработан.

Приложение I. Инструкция по эксплуатации ТА1УГО

1.1 Назначение

«Анализатор траектории» предназначен для изучения поведения определенных характеристики во времени, полученных на основе геометрического расположения атомов, среди которых:

• Угол между прямыми, проходящими через 4 атома.

• Угол между прямыми, проходящими через атом и геометрический центр группы атомов.

• Длина отрезка, соединяющего 2 атома.

• Длина отрезка, соединяющего атом и геометрический центр группы атомов.

• Матрицу...

Полученная характеристика представляет собой некоторую величину, изменяющуюся во времени - сигнал. По полученному сигналу можно найти следующие характеристики:

• Плотность распределения. ® Преобразование Фурье.

• Оконное преобразование Фурье.

• Тренд (усредненные значения).

1.2 Общий порядок работы с ПО

Алгоритмически порядок работы с «Анализатором траектории» можно представить на следующей диаграмме.

Рисунок 27. Схема работы с программой

В целом, работа с программой аналогична работе с большинством Windows-пpилoжeний. Главное окно программы содержит в себе:

• панель инструментов для исполнения некоторых действий (на кнопках имеются подсказки);

• ортогональную проекцию молекулы (или групп атомов);

• панель параметров (все параметры сохраняются при выходе до следующего сеанса работы);

• окно графика сигнала;

• бегунок, позволяющий переходить на требуемый момент времени.

Рисунок 28. Работа с программой.

1.2.1 Открытие файлов

В программе предусмотрено 2 способа открытия файлов: непосредственный выбор из файловой системы и загрузка из истории. В любом случае загружаются два файла: файл траектории (*.trj) и файл pdb-структуры (*.pdb).

Для непосредственного открытия файла необходимо воспользоваться меню File -> Open. Сначала выбирается файл траектории. Далее pdb-файл. Если файл траектории уже был загружен, программа предложит выбрать запомненный pdb-файл.

Для повторного открытия файлов предусмотрен режим загрузки из истории, меню File -> Loader. Необходимо выбрать интересуемую пару файлов и нажать на кнопку Load, расположенную на нижней панеле инструментов.

10 BeMameTij FleNamePDB AIM Comment

32 1ЛНаука\Бапаб. 1\Наука\Балаб

33 E:\Trajectories\1. E:\Ttaiedortes\1...

34 I \Наука\Бапа6 1 \Наука\Бапаб

35 I \Наука\Бапаб 1 \Наука\Бапаб

Зв Е \Trajectories\a E:\Traiectoriee\a

37 E:\Tf4ectoriei\a. EATraject<xtra\a...

41 G \Наука\Балаб G \Наука\Балаб

42 G \Наука\Балаб... G \Наука\Багаб

43 G \Наука\Бзлав G \Наука\Балаб ..

* 1

114 i 11 of 23 I ► Н Ф > Load [

1.2.2 Перемещение вдоль траектории. Молекулярное кино

После того, как траектория открыта, с ней можно работать. Наиболее распространённый режим работы - просмотр молекулярного кино.

Окно перспективной/ортогональной проекции отображается выбором 3D Vision меню View.

Анимация визуализации управляется кнопками Play и Stop из главного

окна.

View options - toolStripLabdl Extended Trajectories: Manual Min/Max |0.0 -Й 0 0 Ertended nurber [l

Л Л Л' л

%xt

т-SfciJ

V .«

Вращение изображения осуществляется при помощи перемещения мышью и одновременного нажатия на левую клавишу.

Перемещение изображения осуществляется при помощи перемещения мышью и одновременного нажатия на правую клавишу.

Масштабирование изображения осуществляется при помощи колеса мыши.

1.2.3 Расчет общих характеристик

Анализатор траекторий позволяет находить зависимость требуемой параметризованной величины вдоль траектории.

Для расчета характеристики требуется сначала загрузить траекторию. Далее следует вызвать режим работы с функциями View -> Function.

ШЦ

Arguments

А*«п1 а I «юг I

Ai от 2 ,852

НотЗ I" _1Ы

Нот* Й|с*г|

Atom5 ¡0 шмн

Atome ¡0

Function

II Ы

Balance (Atom 1. HomZh Antfe (Aioml. Atom2. Hi-,

R JO|_

Angle CAtoml. A»om2. Hi Angle (Atom 1.A»om2 Hi

...............ICHga (A<o«"l-Atom2. |_I

Для расчета необходимо выбрать тип функции из списка Function. Далее задать ее аргументы из полей Arguments. Лишние аргументы не влияют на расчет. Запуск расчета - кнопка Go.

Доступны следующие функции:

• Расстояние между двумя атомами.

• Угол между прямыми, задаваемый тремя атомами.

• Тензор интерции.

• Угол между прямыми, задаваемый четырьмя атомами.

• Угол между двумя группами атомов, расчитываемый как угол

между главными осями инерции.

• Угол между геометрическими центрами двух групп атомов.

По окончинии расчета выводится соответствующий график, см. Средство работы с графиками.

1.2.4 Средство работы с графиками

Данный режим работы с программой доступен с помощью меню View -> Grapher. Также средство работы с графиками появляется автоматически после расчета характеристики вдоль траектории._

¡Л Change the color j^l Load from text

3530-

25 20 15 10 50 -5-

_Angle (Aloml. Aiom2. Alom3.

Aiom4)1 -Distance (Aloml. Alom2)2

Distance (Atom! Atom2)

I™

Ш

10 20 30 40 time

OMance (Aioml. Ai XtUe

Yale

dMance

29.9899376710978 31.07290S60S2557 29.4484537040189 30.5314216381788 31.6143895723347

Справа сверху выбирается интересуемый график. Его можно отобразить на рисунке, а также скрыть, убрав галочку напротив него.

При выборе графика внизу высвечивается плотность распределения характеристики.

У текущего графика можно изменить цвет, нажав на кнопку Change the

color.

Можно загружить из текстового файла набор зависимостей при помощи кнопки Load from text.

1.3 Дополнительные режимы работы

1.3.1 Выделение групп атомов

В программе предусмотрена возможность вывода химических связей между атомами. Делается это автоматически для всех пар атомов, расстояние между которыми не превышает заданное число.

Однако для больших молекул такой возможности визуализации может оказаться недостаточно - химические связи могут показаться слишком мелкими на общем фоне. Здесь мы предлагаем устанавливать свои связи между атомами, а также выделять атомы в группы.

шшт

ф-Рди -UBI Ад -Ав2

- mmm

- RetdIO -Me

-SecStrCadhenn

- Test Selection -SecStrCadieitn В only -Al 8300 atoms

Native stiusture Cadhenn

idjree

atom from

«stole

70 0 1610 □ 255 0

70 1611 3322 О 0 255

70 3323 5054 в 0 0

70 5055 6676 о 0 255

70 6677 8300 п 0 0

п

Рисунок 29. Окно групп и связей.

Записи о группировке структуры молекулы (или групп молекул) могут оказаться многочисленными и их неудобно вводить в ходе каждого эксперимента. Поэтому в программе предусмотрена возможность хранение сведений о структуре эксперимента в дереве, напоминающем структуру каталогов жесткого диска. Пользователь может создавать свою структуру дерева произвольной степени вложенности.

Для управления деревом служат кнопки Add и Add as a child.

• Add (добавить элемент). Добавляет новый элемент в дерево на том же уровне вложенности.

• Add as a Child (добавить дочерний элемент). Добавляет новый элемент в дерево, причем текущий элемент является родителем добавляемому.

Сами сведения о текущей структуре хранятся в виде таблицы.

После каждого редактирования таблицы необходимо нажимать кнопку Save Changes.

После работы над структурой пользователь должен нажать кнопку Apply the structure (применить структуру), чтобы записанные сведения вступили в силу.

Заполняются следующие поля таблицы:

• паше — произвольное имя группы;

• atom_from - начало группы (включительно);

• atom_to - конец группы (включительно);

• visible - не используется;

• г, g, b, а - компоненты цвета в формате RGBA (красный, зеленый, синий, прозрачность). Диапазон каждого канала от 0 до 255 включительно.

• Туре - тип отображения - 1 - цвета из pdb-файла, 2 - цвета из этой таблицы.

1.3.2 Визуализация расширенных траекторий

Для включения визуализации расшаренный траекторий служит меню View options окна трехмерной визуализации, а также ряд дополнительных органов управления.

Режим включается выбором Colors by R из меню View options. При этом раскраска меняется от синего через белый к красному, в зависимости от значения расширенной компоненты.

View options - toolStnpLabdl Extended Trajectories: [ Manual Min/Max] j-1,0 ¡1.0 ¡4-jj Emended nrt*r ll

v. 4

i

> 'y

1

Рисунок 30. Визуализация расширенной траектории.

Нормировка осуществляется автоматически при включении режима Colors by R. Расширенные компоненты отдельных атомов могут уходить далеко от средних значений. Поэтомы в программе введен режим ручной нормировки. Он включается выбором Manual Min/Max и заданием соответсвующих границ.

Существует рижим раздельного вывода атомов, расширенная компонента которых больше или меньше некоторого среднего значения (RMin+RMax)/2. Для раздельного просмотра таких атомов необходимо убрать голчки у пунктов меню R more/less (RMin+RMax)/2.

Поддерживается работа с несколькими расширенными компонентами. Выбор между компонент осуществляется в окне Extended number.

1.3.3 Расширенные динамические контактные карты

Инструмент работы с расширенными динамическими контактными картами создан вызывается путем выбора меню View -> Contact Map.

Для работы с контактной картой необходимо сначала выбрать уровень аппаратной поддержки с помощью выпадающего списка Performance в основном окне приложения. Если необходимо, включить режим работты с группами атомов. Настроить параметры карты (Atom from-to, contact from to). Выбрать режим работы инструмента.

Отображение динамической расширенной контактной карты осуществляется при каждом смене кадра при нажатом переключателе On/Off.

Доступны следующие режимы построения контактных карт:

• Вывод всех атомов.

• Вывод заданного диапазона атомов (atom from-to).

• Вывод групп атомов.

• Вывод контактов только между С-Alpha-атомами.

Для использования вывода контактной карты по C-Alpha атомам программа просматривает таблицу параметров атомов PDB (View -> Options -> PDB) на предмет присутствия единицы в стобце CAlpha.

1.3.4 Квазигармонический анализ

В Анализатор траекторий молекулярной динамики включен рижем анализа колебаний молекулярной системы методом квазигармонического анализа. Несмотря на похожесть с алгоритмом анализа нормальных мод,

метод квазигармонического анализа позволяет производить рассчеты полностью по траектории.

ШР

ЛшЯШии

Calculating ReacfirigJ ••■ -v:-К • • :«■•:•• :

"И

То: [1000

"а

а

Load to л

1

State1 nothing

Filenames: ,d:\1s.csv

Fäe name Vectore: d:\1vec.c3v

Re name Values: ¡d:\1val.csv

Name farsaving): ;Ca!cu!ating1

Temperature: 300

В

Ц] Insert Wo OB [0 Group by/WnoAbd

Рисунок 31. Параметры запуска квазигармонического анализа.

Вызов инструмента квазигармонического анализа осуществляется путем выбора пункта Quasiharmonic analisys меню View.

Инструмент анализа колебаний, называемый также визуализатор колебаний, состоит из двух частей:

• инструмент колебательных мод (вкладка Calculating);

• визуализатор колебаний (вкладка Reading).

• Инструмент вычисления колебательных мод выполняет следующий функции:

вычислений средних положений всех атомов по диапазону траектории, задаваемого при помощи параметров From и То;

• вычисление матрицы ковариации с поддержкой многопроцессорного режима (Performance -> Many CPU) и расчета на графическом процессоре (Performance -> CUD А);

• сохранение матрицы ковариации в текстовый файл в формате .csv (comma seperated vaues);

• вычисление частот и колебательных мод (при помощи нахождения обратной матрицы);

• сохранение набора частот и направлений колебаний в текстовые файлы в формате .csv;

• сохранение набора колебательных мод в базу данных программы.

После открытия траектории, задания параметров программы и ввода названия вычислений алгоритм необходимо запустить на счет, нажав на кнопку Go.

После завершения всех этапов расчета можно перейти к режиму чтения частотных наборов.

Режим чтения и визуализации колебательных мод вызывается из вкладки Reading режима Quasiharmonic analisys.

Сначала необходимо выбрать название расчетов. При его выборе отображается набор частот, отсортированных по возрастанию. Загрузка всего набора данных осуществляется путем нажатия кнопки Load.

Выбрав частоту, можно получить набор направлений колебания.

После загрузки набора колебательных мод можно перейти в окно визуализации.

Появляется дополнительная панель Quasiharmonic analisys. Необходимо выбрать требуемую частоту, которую можно менять при воспроизведении колебания и нажать кнопку Play. Вектора колебаний нормированы. Чтобы колебания было лучше видно, в окне Amplitude задается амплитуда колебаний.

Остановить режим визуализации колебаний можно, нажав на клавишу

Stop.

щшшшшшшшшш

: View options - toolStripLabetl Extended Trajectories: Manual Min/Max ¡0.0 ; Harmonic playing Play Stop W number [5 AmpBude: ¡51

0.0 ¡4j| Extended nunber: ¡1 jjj

Рисунок 32. Визуализация колебаний 5-ой моды.