Materials Studio官方教程（Help-Tutorials）- 表面活性剂对DPD脂质双层的影响

背景：DPD方法被设计成允许捕获流体中的流体动力学行为。此外，软势的使用允许比传统上经典原子计算或粗粒化分子动力学中可用的时间步长大得多。

研究长时间尺度和包括流体动力学行为的能力使DPD成为研究脂质和表面活性剂体系的完美工具。在本教程中，基于Groot和Rabone的一篇论文，您将模拟向脂质膜添加表面活性剂的效果。

简介：在本教程中，您将使用 Mesocite 模块中的 DPD 方法对不同的脂质双层运行多个介观尺度动力学模拟。您将使用mesostructure building构建工具来构建初始结构并执行双层的一些平衡。然后，您将执行生产运行并使用分析工具检查双层的结构。

目的：演示如何使用mesoscale建模工具建立和模拟脂质双分子层

本教程重要节点：

创建输入结构-平衡结构-执行生产运行-分析结果

1. 创建输入结构

第一步是建立水、脂质和表面活性剂分子的介观分子模型。Groot和Rabone使用粗粒化方法，其中一颗珠子代表三个水分子（W）。由于室温下水分子的体积约为30 Å3，他们将珠子的体积定义为（3×30）= 90 Å3。在每单位体积 3 个Bead的标准密度下，这意味着基本长度单位为 （3 × 90）1/3 = 6.46 Å。同样，假设水分子的质量为 18 amu，则珠子的质量为 （3 × 18） = 54 amu。在本教程中，您将使用这些基于水的质量和长度单位。长度单位也将用作珠子的直径，对应于半径 6.46/2 = 3.23 Å。

在Groot和Rabone的粗粒化方法中，一个珠子也映射到三个碳原子（C）或1.5个环氧乙烷基团（E）上。它们的密度和分子量略有不同。虽然在DPD计算中可以得到不同质量的珠子，但对此的影响几乎没有验证。因此，在本教程中，您将对所有珠子使用相同的质量。由于 C 和 E 珠同时用于脂质和表面活性剂分子，因此您将使用 CL 和 EL 表示脂质，使用 CS 和 ES 作为表面活性剂来区分它们。这对于计算不是必需的，但确实增加了双层可视化的清晰度。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Bead Types打开Bead类型对话框。单击Defaults…按钮打开Bead类型默认值对话框。将Mass设置为 54，将Mass设置为 3.23。关闭Bead Type Defaults对话框。

定义以下新的珠子类型:CL、CS、EL、ES、H和W，并关闭Bead Types对话框。

注意：珠半径在介观分子构建器中用于确定键长。否则，它仅用于可视化，对计算没有影响。另一方面，Bead质量用于DPD仿真。

现在您已经定义了珠子类型，您可以创建结构。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Mesomolecule以打开构建介观分子对话框。构建一个1单位W的介观分子，并将新文档重命名为water.xsd。

构建4个ES单元和4个CS单元的中分子。重命名文档surfacant.xsd。

构建一个由2个H单元和1个EL单元组成的中分子。

在生成的结构中，选择EL珠。定义5个CL单元的序列。选中Add to branch points复选框并单击Build按钮。将文档重命名为lipid.xsd。关闭对话框，然后单击三维查看器中的任意位置以取消选择任何项目。

在这一点上，定义三个分子的力场类型是很方便的。这避免了必须单独键入您稍后要构建的所有主体结构。您可以使用Properties Explorer或Create DPD Forcefield对话框的Type工具来分配力场类型。在本教程中，您将使用类型功能。

从菜单栏中选择Mesocite | Forcefield Manager，打开Mesocite力场管理器对话框。单击DPD…按钮打开Create DPD Forcefield对话框。确保lipid.xsd是活动文档，然后单击Type按钮。对文件surfactant.xsd和water.xsd重复此操作，关闭Mesocite Forcefield Manager对话框。

在本教程的后面部分，您将使用Mesocite Forcefield Manager对话框中的其他控件，暂时可以忽略这些控件。

提示：可以使用Label对话框，通过为珠子的ForcefieldType属性应用标签来验证力场类型。

现在您已经构建了组件，您需要构建包含这些介体分子的晶胞。您将构建几个包含不同浓度脂质和表面活性剂但保持固定水量的晶胞。您可以使用介观结构模板工具将膜分子包装成平板，然后迫使双层形成。在本教程中，您将在一个90 × 90 × 90Å的盒子中制作一个30Å的平板，溶剂占据70%的体积，膜占据30%的体积。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Mesostructure Template,以打开Build Mesostructure Template对话框。将Extent (X Y Z)值更改为90。在Filler文本框中，输入solvent并单击Build按钮。

要构建膜的真空板，您需要向模板添加一个slab，该模板位于框的中间，沿 x 方向呈法线。

在Build Mesostructure Template对话框中，将Former type更改为Slab。将Depth设置为30.0，并在Filler输入框中membrane。单击Add按钮并关闭对话框。

现在您已经构建了模板，您需要用中间分子填充它。

从菜单栏中选择Build | Build Mesostructure | Mesostructure打开Build Mesostructure对话框。确保模板处于焦点中。

您需要指定您想用作填充物的成分——您要用水填充“溶剂”,用脂类和表面活性剂填充“膜”。

单击Mesoscale Molecule中solvent填充物列，并选择water.xsd。对膜填充物重复此操作，选择lipid.xsd和surfactant.xsd。

对于membrane填充剂，将lipid的Relative Amount设置为50，将surfactant设置为50。

这将构建一个含有70%体积分数的水珠和30%体积分数的50/50脂质和表面活性剂混合物的盒子。由于脂质和表面活性剂分子中的珠子数量不同，这不会给您50:50的摩尔比。

在构建盒子之前，您需要指定目标密度。通过将密度设定为水的密度(1 g/cm3 ),所得结构具有每立方长度尺度3个珠粒的降低的密度。这是根据53 amu的质量标度和6.46的长度标度得出的。折算密度3是DPD最常用的值，也是格鲁特和拉伯恩的研究中使用的值。

在Components选项卡上，确保Density设置为 1 g/cm3。单击Build按钮。将文档重命名为 W70_L50_S50.xsd。

由于您将重复此操作几次，您应该在100%脂质到100%表面活性剂的浓度范围内构建几个晶胞。

确保该模板是活动文档。修改lipid 20和surfactant 80的Relative Amount。单击Build按钮。将文档重命名为W70_L20_S80。

使模板成为活动文档，并修改lipid 0和surfactant 100的Relative Amount。单击Build按钮。将文档重命名为W70_S100。

使模板成为活动文档，并修改lipid 100和表面活性剂0的surfactant 0。单击Build按钮。将文档重命名为W70_L100。关闭对话框。

您现在已经构建了初始结构。下一阶段是平衡结构。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后是Window | Close All。

2. 平衡结构

在本教程的这一部分中，您将开始通过执行几何优化来平衡结构。第一步是设置力场。既然您已经在分子上指定了力场类型，那么这些应该已经可以进行它们在构建结构上设置了。

打开W70_L50_S50.xsd。从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Forcefield Manager，然后单击DPD…按钮打开Create DPD Forcefied对话框。

您应该看到与文档中的力场类型相对应的力场矩阵。这些数值目前以物理单位显示（基于kcal/mol和Å），而DPD工作，包括Groot和Rabone的工作，通常使用简化单位进行。Mesocite DPD允许您使用物理单位或简化单位设置计算（在这种情况下，将自动转换为物理单位）。您将在此处使用简化单位。

将Units更改为Reduced，然后单击More…按钮打开Mesocite DPD Units对话框。

您需要输入用于单位转换的长度和质量比例。如前面Groot和Rabone的粗粒化方法所述，一个长度单位对应于6.46Å，一个质量单位对应于珠子的质量，54 amu。

将Length scale更改为6.46，将Mass scale更改为54。关闭对话框。

可以表明，DPD排斥参数aij可以与Flory Huggins Chi参数χ相关：

在这种情况下，aij的单位减少了。

提示：有多种方法可以估计χ。您可以从由Synthia计算的溶解度参数中导出它，也可以从使用Forcite Plus、COMPASS和Amorphous Cell的内聚能密度计算中导出它。从实验工作中得出的聚合物的χ值有各种表格。或者，您可以使用混合模块来获得对χ值的第一个估计。在许多情况下，您可以根据您已经导出或过去使用的技术混合使用这些技术，并将它们拟合起来，以再现已知的介观结构。

在本教程中，您将使用Groot使用的aij的“set1”值。

选择Groot 和 Rabone使用的对角线元素，使单体珠流体具有水的可压缩性。该值与珠子表示的水分子数量成比例（Groot和Rabone，2001）。Mesocite（25）中的默认值基于珠子代表一个水分子的情况（Groot和Warren，1997）。由于在本例中，一个珠子代表3个水分子，因此对角线项比默认值高约三倍。

在Create DPD Forcefield对话框中，编辑矩阵并将Repulsions设置为上表中显示的值。单击Create按钮并关闭对话框。

提示：通过拖动其中一个角，可以展开对话框以查看整个矩阵。

当您单击Create按钮时，将创建一个新的Forcefield文档，并在项目浏览器中将其列为W70_L50_S50.off。力场文档中的值以物理单位书写，力场在Mesocite计算对话框的能量选项卡上自动设置。

提示：当相互作用存储在力场文档中时，您可以在计算中添加其他相互作用，例如键角项来控制键合的刚度。您还可以编辑力场描述以使用引用、更新等对其进行注释。

您可以更改forcefield文档的名称，使其不特定于特定的结构。因为这些是从Groot 和 Rabone论文中的set1产生的，您可以在名字中指出。

将forcefield文档重命名为GrootRaboneSet1.off。

当您更改力场的名称时，它会在“Mesocite Calculation对话框的Energy选项卡上更新。

选择Modules | Mesocite | Calculation以打开Mesocite计算对话框，然后选择Energy选项卡。

您应该看到Forcefield被设置为\GrootRaboneSet1。由于DPD使用非常短的软相互作用，您也可以通过改变范德瓦尔斯非键截止距离来减少计算时间。同样，您应该将它设置为您之前使用的长度刻度。如果保留默认值，计算时间会增加，但没有好处。

使W70_L50_S50.xsd成为活动文档。

点击Summation method部分的More…按钮，用于打开Mesocite Non-Bond Options对话框。将Cutoff distance设定为6.46，将Spline width设定为0。关闭对话框。

注意：更改截止距离时，聚焦正确的3D周期结构非常重要，因为Mesocite对周期和非周期结构有不同的设置。

在开始DPD计算之前，您应该优化结构。

选择Mesocite Calculation对话框中的Setup选项卡，然后将Task更改为Geometry Optimization。单击Run按钮。

注意：您应该始终以这种方式预先优化结构。虽然您可能无法获得完美优化的结构，但几何优化将消除结构和力场之间的差异。特别是，介观结构生成器必须估计初始连接器长度，这可能与力场定义的弹簧参数不匹配。

计算完成后，您应该会看到能量显著下降，表明初始几何图形有所改进。

对其他三个结构重复几何优化计算。

当所有计算完成后，整理项目。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

3. 执行生产运行

现在，您已经执行了一些初始几何优化，您可以运行DPD动力学计算并分析水珠的均方位移（MSD）。

确保优化的 W70_L50_S50.xsd 是活动文档。

在Mesocite Calculation对话框中，将Task更改为DPD，然后单击More…按钮。

您将运行 50，000 步的 DPD 动态，每 2000 步输出一个帧。

在Mesocite DPD对话框中，将Number of STEPS更改为50000，将Frame output every更改为2000 步。关闭对话框。

注意：虽然您可以在Mesocite DPD中更改温度，但Groot和Rabone使用的斥力矩阵已针对室温进行了参数化。一般来说，改变温度原则上也需要改变斥力矩阵。

现在可以运行计算了。

焦点对准优化结构后，单击Mesocite Calculation对话框上的Run按钮。

这个计算相当长，需要一些时间才能完成。

对其他三个优化结构重复DPD计算。

当所有计算完成后，您可以进入下一步进行MSD分析，并比较向脂质膜中添加表面活性剂对水扩散的影响。

从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。

4. 分析结果

分析的第一部分是对结果的目视检查。如果您更改水珠的可见性，这将更容易。由于稍后在分析中需要它们，因此可以创建一组水珠。

将焦点更改为其中一个轨迹。按住 ALT 键并双击其中一个水珠。从菜单栏中选择Edit | Edit Sets以打开Edit Sets对话框。单击New…按钮打开Define New Set对话框。

输入名称water，然后取消选中Show set复选框。单击OK按钮。

对所有轨迹重复此操作并关闭对话框。

现在，您可以在分析中访问水珠集，而无需显示它们。

在 3D 原子文档中单击鼠标右键，然后选择Display Style以打开显示样式对话框。在Bead选项卡上，将Display style更改为None。

对所有轨迹重复此操作并关闭对话框。

除了目视检查外，您还可以在x方向上查看水分子的浓度曲线。您可以使用它来识别图层中的孔洞。

选择Modules | Mesocite | Analysis以打开Mesocite Analysis对话框。选择Concentration profile。

您可以指定帧范围、特定Bead和方向。如果不选择方向，将自动获得 X、Y 和 Z 轴上的轮廓。您将检查从第 6 帧到轨迹末端的水珠在 x 方向上的浓度分布。

单击Trajectory …按钮打开Trajectory Specification对话框。输入 6-END 并关闭对话框。从Sets下拉列表中选择water，然后选中Specified direction复选框。单击Analyze按钮。

对所有轨迹重复此操作，将每个轨迹的Trajectory Specification重置为 6-END。

对于每个轨迹，生成一个研究表和一个图表，分别包含原始浓度数据和浓度图作为距离的函数。

您应该看到，随着表面活性剂百分比的增加，脂质双层变得不那么稳定。这导致水珠在双层中移动。对于100%脂质体系，双层中没有孔洞，水不能从一侧渗透到另一侧。然而，在100%表面活性剂下，水珠的相对浓度在层应该在的地方很高 – 表明层中有孔。

注意：您可以通过将生成的研究表中的数据复制并粘贴到新的研究表并使用绘图功能来生成上述图表。

您可以看看水珠的均方位移。可以计算总的均方位移和各向异性分量。您想比较水珠子在XX方向的MSD。

选择Modules | Mesocite | Analysis，然后选择Mean square displacement。从Sets下拉列表中选择water，并选中Include anisotropic components复选框。单击Analyze按钮。

对所有轨迹重复此操作。

图表的斜率表示水珠扩散的速度，斜率越陡意味着扩散越快。检查扩散率的xx分量。

右键单击项目根目录，然后从快捷菜单中选择New | Study Table Document。将新文档重命名为MSD_XX_comparison.std

在W70_L100 Mesocite MSD.std研究表中，选择xx component选项卡并选择两列。单击Copy按钮。在MSD_XX_comparison.std中，选择前两列，然后单击Paste按钮。

右键单击MSD列标题，从快捷菜单中选择Properties,打开Column Properties对话框。将Description修改为100% lipid。

其他轨迹的MSD的xx分量可以添加到此。

对于W70_L50_S50 Mesocite MSD.std，选择xx component选项卡，选择并仅Copy列B。在MSD_XX_comparison.std中选择列C并paste数据，将列重命名为50% lipid。

对W70_L20_S80 Mesocite MSD.std和W70_S100 Mesocite MSD.std重复此操作，粘贴到新研究表的D列和E列，并相应修改列名。

现在，对比研究表中的列可用于绘制脂质、水和表面活性剂的每种组合的XX MSD组分。

选择MSD_XX_comparison.std中的所有列，然后单击Quick Plot按钮。

同样，随着表面活性剂百分比的增加，扩散率也会增加。在最初的论文中，膜开始分解约80%的脂质含量。您得到的确切结果可能与上面的不同，因为模拟运行时间很短。如果计算时间更长，扩散率会随着双层吸水而增加。

参考文献

R.D. Groot and K.L. Rabone, “Mesoscopic Simulation of Cell Membrane Damage, Morphology Change, and Rupture by Nonionic Surfactants”, Biophysical Journal, 2001, 81, 725-736.

R.D. Groot and P.B. Warren, “Dissipative particle dynamics: Bridging the gap between atomistic and mesoscopic simulation”, J. Chem. Phys., 1997, 11, 107.

本入门教程到此结束。