Discovery Studio官方教程-拉伸动力学计算结合自由能

目的：采用拉伸动力学计算结合能。

所需功能和模块：Discovery Studio Client, DS CHARMm。

所需数据文件：3HTB.pdb
所需时间：0.5小时+SMD时间（使用单核大约9小时）

介绍

拉伸分子动力学模拟可以使原来在微妙至秒时间范围内发生的生物物理过程在纳秒尺度内进行模拟，从而动态再现目前实验所无法提供的一些过程，如蛋白去折叠、配体解离和构象变化等过程。上述这些过程可以通过在拉伸动力学模拟中让事件按照指定方向主动发生，而不像在标准分子动力学模拟中需要被动等待事件的发生。

本教程中，我们使用T4溶菌酶蛋白作为研究目标，模拟配体2-丙基苯酚从活性口袋的解离的过程。具体见参考文献(J. Mol. Biol.2009, 394, 747-763). 本教程假定你已经熟悉建立和运行标准分子动力学模拟的过程。对于该体系的SMD模拟比较复杂，因为配体的位置位于结合口袋的深处，而且将配体从结合口袋里拉出来的同时伴随着蛋白的散开，退出配体和蛋白的复原等过程。

1 准备蛋白配体模拟体系

从菜单File | Open URL，在ID 框中填入3HTB 之后点击Open。

选择Macromolecules | Protein Report工具栏，点击Protein Report工具栏下方的Protein Report，通过蛋白报告可以检查出该蛋白是否有缺失残疾或其它需要校正的地方。

然后点击Prepare Protein工具栏下方的Clean Protein按钮，对蛋白质进行简单清理，该过程主要是包括删除蛋白文件中多余的构象，为蛋白加上N端和C端等过程。接下来我们将手动删除蛋白中的晶体水分子和盐。

通过Ctrl+H打开Hierarchy View窗口，见下图，选择Water点击键盘上的Delete删除水分子。另外第二个A链是磷酸根基团、BME残基和JZ4配体。删除磷酸根基团和BME残基，保留JZ4配体和蛋白。到这里，体系已经准备好了，接下来是给体系加入立场参数和水盒子，然后准备动力学模拟。在做拉伸动力学之前需要使用标准动力学方法将复合物进行能量最小化，短的平衡过程和动力学模拟过程。

选择Simulation | Change Forcefield 工具栏，在其下方的Forcefield中选择CHARMm力场，Partial Charge中选择Momany-Rone电荷，之后点击Apply Forcefield应用所选的力场和电荷。

接下来为体系添加水盒子。选择Simulation | Run Simulations 工具栏下方的Advanced下方的Solvation…按钮.

点击后弹出如下框，按照默认参数点击Run为体系添加水盒子。

选择Simulation | Run Simulations 工具栏下方Dynamics部分的Standard Dynamics Cascade按钮，使用默认参数点击Run运行标准动力学过程，点击Background使之在后台继续运行。

程序运行结束后，双击左下角Jobs浏览器中的任务名称打开结果，在打开的结果窗口讲最右边的条形块滑至最下端，然后点击页面中的Output Molecule Without Conformations链接，程序会打开平衡之后的带溶剂的复合物，用于接下来的拉伸动力学模拟。

2 建立并运行拉伸动力学模拟

SMD 程序要求通过选择的一对原子来指定拉伸的方向。在模拟过程中，使用恒定速度的方法，对于蛋白-配体系统，一个原子属于蛋白，另一个原子属于配体。在蛋白上最好选择相对非柔性原子便于两个分子保持相对运动。

在Hierarchy View窗口中按住Ctrl选择蛋白中的ALA99氨基酸中的CA原子和配体中的C12原子,选择完毕之后在分子窗口中可以看到所选的原子变为黄色。

然后在Simulation | Run Simulations 工具栏下方Dynamics部分的Steered Molecular Dynamics部分点击Create Pulling Atom Pair按钮设置拉伸动力学的方向，

这时在分子窗口中可以看到两个箭头的一个虚线，如下图。

Hierarchy View窗口中选中Cell然后点击Steered Molecular Dynamics按钮，

在出现的图形框中设置模拟时间（Simulation Time）点击Advanced部分左边的加号打开选项设置拉伸速度(Pulling Speed)，默认模拟时间是1000ps, 拉伸速度是0.02 Å/PS，这样配体将运行20 Å的距离，这个距离是将配体从结合口袋里面拉出的一个典型的距离。在本教程中将模拟时间设置为200ps,如果有多核可以使用多核来加快运算速度。本教程中的200ps的拉伸动力学如果使用单核的处理器大约要运行9个小时，如果使用4核处理器大约需要3个小时左右。为了加快运算速度，推荐使用多核运算（设置Number of Processors），也可以将拉伸速度增加到0.2 Å/ps或者更高。在本教程中Random Number Seed设置为空白，保证每运行一次只产生一条轨迹。设置完毕，点击Run运行拉伸分子动力学。

本教程中仅产生一个单个轨迹。在SMD中计算自由能需要大量的轨迹获得收敛，最少需要30条轨迹检查收敛。

需要注意的是为了后续分析方便，每次运行拉伸动力学的初始构象必须相同。

3 拉伸动力学分析

拉伸动力学运行结束后，双击任务浏览器中的任务名称打开结果。从结果中看到force-Distance的一个图。本教程中是每5ps计算一次力，在200ps的拉伸动力学模拟过程中，移动了4 Å.下图是按照默认1000ps的模拟时间，得到的force-Distance图。

拉伸动力学方法可以提供整个过程中原子水平的细节，这里我们从轨迹中取得一些快照，表明了动力学过程中的构象变化，比如下图第1张是还未解离的状态，最后一张是解离之后的状态。

4 使用多个拉伸动力学轨迹计算自由能

由于计算可靠的结合能需要多个动力学轨迹，而本教程中只跑了一条轨迹，因此在这里我们使用另外的之前准备好的40条轨迹来计算结合能。40条轨迹的文档位于Samples | Tutorials | Simulation | smd-force-profiles

选择Simulation | Run Simulations工具栏的 Steered Molecular Dynamics部分点击Calculate Free Energy from Steering Forces …按钮

出现如下图形框：

点击Steering Force Profile Files右边的出现文件浏览器选项，选择DS2016的安装目录里面的smd-force-profiles文件夹，点击OK后关闭文件浏览器，点击Calculate Free Energy from Steering Forces图形框中的Run运行自由能计算。

自由能计算大概需要5分钟以上，当运行结束后，会自动打开结果，第一个图表明了Work(kcal/mol)与距离的关系，从图中可以看到，曲线的起始点是0，因此使用相同的距离非常重要。

下图表明了使用不同方法计算出来的自由能和距离之间的关系。T4溶菌酶的体系比较复杂，在配体解离的过程中伴随着蛋白的去折叠和折叠。该结合能的实验值是-5.33kcal/mol.从图中我们可以看出Flin的方法计算出来的结合自由能为-7.5kcal/mol,更接近于实验值。