【干货】分子动力学软件介绍总结

常用的分子动力学模拟程序有LAMMPS、AMBER、CHARMM、GROMACS和OpenMM等，接下来将介绍AuToFF工具所支持生成如下分子动力学模拟软件的输入文件，未来将支持更多的分子动力学模拟软件。

LAMMPS

LAMMPS程序（Large-sale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator）是由美国Sandia国家实验室开发的开源经典力学MD模拟程序，侧重于材料领域的模拟研究。LAMMPS程序在模拟固态材料（金属、半导体）、柔性物质（生物分子、聚合物）、 粗粒度介观体系等方向具有广泛的应用。持续内置多种原子间势（力场模型），可以实现原子、聚合物、生物分子、固态材料（金属、陶瓷、氧化物）、粗粒度体系的建模和模拟。该程序既可以模拟二维体系，也可以模拟三维体系，可以模拟多达数百万甚至数十亿粒子的分子体系，具有模拟效率高、计算时间短等优点。LAMMPS程序具有良好的用户界面，用户可以自由修改或扩展新的力场模型、原子类型、边界条件等以满足课题研究需求。LAMMPS可以在单个处理器的台式机和笔记本上运行且有较高的计算效率， 但是它是专门为并行计算机设计的。他可以在任何一个安装了C++编译器和MPI的平台上运算，这其中当然包括分布式和共享式并行机和Beowulf型的集群机。LAMMPS的部分功能还支持OpenMP多线程、矢量化和GPU加速。通常意义上来讲，LAMMPS是根据不同的边界条件和初始条件对通过短程和长程力相互作用的分子，原子和宏观粒子集合对它们的牛顿运动方程进行积分。

GROMACS

GROMACS程序（GROningen MAchine for Chemistry Simulation）是一款集成了高性能分子动力学模拟和结果分析功能的免费开源软件,高度优化的代码使GROMACS成为迄今为止分子模拟速度最快的程序。GROMACS程序可以模拟具有数百至数百万个粒子的系统的牛顿运动方程。GROMACS旨在模拟具有许多复杂键合相互作用的生化分子，例如蛋白质，脂质和核酸。另外，GROMACS能够⾮常快速地计算⾮键作⽤，因此也可⽤于⾮⽣物体系，如聚合物、⼀些有机物、⽆机物等。GROMACS于上世纪90年代初诞生于哥廷根大学Berendsen实验室，其开发初衷是发展一个并行的分子动力学软件，初版功能主要基于van Gunsteren和Berendsen开发的串行动力学软件GROMOS。虽然与GROMOS有很深的渊源，GROMACS诞生之后两个软件各自独立发展，分别由Berendsen实验室和van Gunsteren维护和开发，在功能和特性上也渐趋不同。van Gunsteren实验室侧重于与GROMOS同名的力场的开发，Berendsen实验室则在动力学软件本身的开发尤其是性能提升方面取得了很多进展。从2001年开始，GROMACS的开发维护工作由瑞典KTH皇家技术学院的Science for Life Laboratory主导。GROMACS主体代码使用C语言，近年来正逐步过渡到C++，代码开源。在发展历程中GROMACS一直强调性能优化，其运行效率尤其是单机计算效率在多个benchmark中明显优于几个主流同类软件。时至今日，高度优化的计算性能和代码的开放性为GROMACS赢得了众多的用户，使之成为目前生物系统分子动力学模拟领域中最常用的软件。

AMBER

Amber程序是一款旨于模拟蛋白质、核酸、糖等生物大分子的分子动力学软件，包括拥有一套模拟生物分子的分子力场和分子动力学模拟程序包。Amber分子动力学模拟软件由AmberTools22和Amber22组成,AmberTools22（开源的）是由几个独立开发的软件包组成，这些软件包可以单独使用，也可以与Amber22一起使用。该套件还可以用于使用显式水模型或广义Born溶剂模型进行完整的分子动力学模拟，包含：1. Leap：用于准备分子系统坐标和参数文件，有两个程序：xleap：X－windows版本的leap，带GUI图形界面。tleap：文本界面的Leap。2. Antechamber：加载生成部分缺失的力学参数文件。3. Sander：分子动力学模拟程序，被称做AMBER的大脑程序。4. Ptraj：分子动力学模拟轨迹分析程序。Amber22（商业版）软件包通过添加PMEMD程序在AmberTools22上构建，支持GPU加速，该程序类似于AmberTools中的sander（分子动力学）代码，但在多个CPU上提供了更好的性能，并在GPU上显着提高了速度。

Moltemplate

Moltemplate是LAMMPS官方支持的建模工具之一，既可以建立粗粒化模型，也可以建立全原子模型。Moltemplate创建了一种简单的文件格式来存储分子定义和力场，即模板LT，其中LT文件包含与特定分子有关的所有信息（包括坐标、拓扑、角度、力场参数、shake约束、k空间设置、甚至组定义）。Moltemplate支持使用ATB分子数据库（https://atb.uq.edu.au），下载适应于目标分子的LT文件或手动创建LT文件；也支持各种现有力场类型,即：OPLS , AMBER (GAFF,GAFF2), DREIDING , COMPASS , LOPLS (2015), EFF , TraPPE (1998) , MOLC , mW , ELBA (water), oxDNA2。Moltemplate可以复制分子，对其进行自定义，然后用它作为构建更大、更复杂分子的基础。构建后，可以自定义单个分子和亚基（原子和键，以及可以插入、移动、删除或替换子单元）。Moltemplate支持所有LAMMPS力场样式以及几乎所有原子样式。Moltemplate目前可与以下软件进行联用：VMD、PACKOL、OVITO、CellPACK、VIPSTER、EMC和OpenBabel。

OpenMM

OpenMM是一个高性能的分子模拟工具包，既可以用作运行模拟的独立应用程序，也可以用作库被其他程序调用。OpenMM集合了极高的灵活性（自定义功能）、开放性和高性能(通过GPU加速以及AMD、NVIDIA和Intel集成GPU的优化实现了卓越的性能)、安装简单等众多优势， 使其在仿真软件中真正独树一帜。OpenMM软件架构设计更加模块化，也易于扩展。同时在底层的核心程序都使用C++编写，用户交互及力场参数的处理则都是采用了Python编写。既保证了计算性能的同时也使得使用上更加便捷易懂。目前，OpenMM大多用于生物体系的模拟当中，同时也支持CHARMM， Amber， Drude 等大多数常用力场。

Tinker

Tinker软件包是由Jay William Ponder教授开发的一个较完整的分子模拟软件包，涵盖分子建模、分子力学、分子动力学的计算，具有一些特殊的生物高分子特性。Tinker可以使用Amber (ff94, ff96, ff98, ff99, ff99SB)， CHARMM (19,22,22 /CMAP)， Allinger MM (MM2-1991和MM3-2000)， OPLS (OPLS-UA, OPLS-AA)， Merck分子力场(MMFF)， Liam Dang的可极化模型，AMOEBA(2004, 2009, 2013, 2017, 2018)可极化原子多极矩力场，加入电荷穿透效应的AMOEBA+和新HIPPO (类氢原子间极化势)力场等几种常用参数集,未来还将集成更多的力场类型。

CHARMM

CHARMM程序(Chemistry at HARvard Macromolecular Mechanics)是一个广泛应用于多粒子系统的分子动力学模拟程序，具有一套全面的能量函数集，多种增强采样方法，并支持多尺度模拟，包括QM/MM, MM/CG和多种隐式溶剂模型。CHARMM于70年代末诞生于Martin Karplus小组，其前身正是历史上首次尝试基于蛋白质结构计算能量所使用的程序。该程序最初基于Lifson的consistent force field (CCF)，其后由Bruce Gelin和Andy MacCammon等发展，成为从结构到相互作用再到动力学模拟的一套方法。1983年正式发表文章。正是由于与蛋白质的计算机模拟发展史息息相关，CHARMM同时也是领域内历史最悠久、使用最广泛的一种力场的名称。数十年来，CHARMM软件及力场与生物大分子的动力学模拟方法一直同步发展，参与的开发人员来自世界各地，而主要贡献者多半曾是Martin Karplus的学生或博士后合作者。软件主要使用Fortran开发，现有代码量约百万行。由于参与软件开发的人员大部分同时也是算法本身的开发者，该软件集成了生物大分子动力学模拟领域的各种前沿算法。

amber如何快速上手？

AMBER程序入门学会编译方法，安装自己的AMBER可执行程序开始，依次讲授研究对象模型的获取与构建-体系预处理、能量优化、分子动力学模拟结果评估、结合自由能计算、相互作用机理分析、可视化、轨迹特征获取，并对经典文献进行复现分析等。

以下可作为参考，详情请查看：

【腾讯文档】计算机辅助药物设计及分子动力学技术与应用

https://docs.qq.com/pdf/DRW5VVG5QSU1sWnZn

AMBER分子动力学能量优化与分析、结合自由能计算专题

一. 分子动力学入门理/论

教学目标：了解本方向内容、理论基础、研究意义。

1    分子力学简介

1.1   分子力学的基本假设

1.2   分子力学的主要形式

2    分子力场

2.1   分子力场的简介

2.2   分子力场的原理

2.3   分子力场的分类及应用

二. LINUX入门

教学目标：掌握数值计算平台，熟悉计算机语言，能够使用vim编辑器简单编辑文件。

3      LINUX 简介

3.1   用户属组及权限

3.2   目录文件属性

3.3   LINUX基础命令

3.4   LINUX环境变量

3.5   shell常用命令练习

三. AMBER简介及安装

教学目标：了解Amber软件历史发展，熟悉安装环境，支撑环境编译。

4    AMBER简介和安装

4.1   GCC简介及安装

4.2   Open MPI简介及安装

4.3   AMBER安装运行

4.4   LIUUX操作练习

四. 研究对象模型获取

教学目标：如何确立研究对象，熟悉蛋白数据库的使用，如何对

研究对象建模。

5      模型文件的预处理

5.1   模型来源简介

5.2   蛋白文件简介

五. 研究对象模型构建

教学目标：熟悉模型预处理流程,掌握输入文件的编写，能够独立完成体系动力学之前的准备工作。

6      模型文件的预处理

6.1   蛋白预处理

6.2   小分子预处理

6.3   AMBER力场简介

6.4   拓扑文件、坐标文件简介

6.5   top、crd文件的生成

6.6   tleap模块的使用

案例实践：

Ø  HIV-1复合物的预处理

六. 分子动力学模拟

教学目标：分子动力学流程，AMBER软件动力学原则，完成分子动力学模拟的操作练习。

7      能量优化、分子动力学模拟

7.1   能量优化意义以及方法

7.2   模拟温度调节意义及方法

7.3   溶剂模型分类及选择

7.4   动力学模拟输入文件的编写

7.5   运行分子动力学模拟

7.6   输出内容解读

7.7   练习答疑

案例实践：

Ø  HIV-1复合体系能量优化、分子动力学模拟

七. 结合自由能计算

教学目标：熟悉结合自由能计算的意义、MMPBSA方法以及流程。

8      焓变计算

8.1   实验数据分析及检索

8.2   MM/PBSA结合自由能计算原理

8.3   GB模型讲解及分类

8.4   焓变输入文件的编写

8.5   焓变结果解读

9      熵变计算

9.1   Nmode计算熵变原理

9.2   熵变输入文件的编写

9.3   熵变结果解读

9.4   实验值与理论值对照分析

案例实践：

Ø    HIV-1与抑制剂之间结合自由能计算

八. 可视化软件

教学目标：熟悉可视化软件获取渠道、软件安装以及基本使用，采用可视化软件辅助科研工作。

10     3D可视化分析

10.1  VMD安装和使用

10.2  Pymol 安装和使用

九. 基于分子动力学的轨迹特征获取

教学目标：从动力学模拟出的构象出发，洞悉构象转变，解释实验想象，预测实验结果

11     构象分析

11.1  RMSD分析

11.2  B-Factory 分析

11.3  RMSF分析

11.4  RG分析

11.5  VMD动画展示

11.6    距离角度测量

11.7    溶剂可及表面积（SASA）

十. 基于能量的相互作用机理分析

教学目标：从能量角度出发，分析分子间、残基间、重要基团间相互作用机理，对实验提供理论指导

12     能量分析

12.1  残基分解（相互作用分析）

12.2  丙氨酸扫描（寻找热点残基）

12.3  氢键网络（盐桥，pi-pi共轭等其它相互作用）

12.4  练习答疑

十一.   经典工作复现

教学目标：引导初学者了解本方向中经典工作，复现工作中重要分析手段，加深同学对本方向的理解。

13    经典文献工作复现(请同学在课前自行下载仔细阅读)

13.1   Nanoscale   2020, 12, 7134−7145.

(a)RMSD和2D_RMSD检验模拟的稳定性

(b)结合自由能的对比与分析

(c)热力学积分计算相对结合自由能

(d)氢键网络分析

(e)残基分解预测热点氨基酸

13.2   J. Chem.   Inf. Model. 2021, 61, 7, 3529–3542

(a) 丙氨酸扫面预测热点氨基酸

(b) 残基接触（contact）分析

(c) 温度因子分析（B-facter）分析

(d) 溶剂可及表面积分析

(e) 伞状采样动力学再现解离机制

13.3  练习答疑