Dynamika Molekularna

MDMD

Inż. Monika Rybicka

AKN BioNanopor

Essen

2

Essen

Prof. Daniel

Hoffmann

Centrum

Biotechnologii

Medycznej

BioinfomatykaBioinfomatyka

3

Essen

4

Cele/Rezultaty

??? !!!

Jak wykonaćProste symulacje peptydów i jonów

(tutorials)(tutorials)

Jak przeanalizować Dysocjacja wapnia z miejsca wiążącego

Jak wykorzystać w aspekcie kanałów

jonowych

Umieszczenie kanału jonowego w

membranie i relaksacja układu

5

Dynamika Molekularna (MD)

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

6

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

K+

Dynamika Molekularna (MD)

• Cząsteczki traktowane indywidualnie

• Ruch opisany równaniem Newtona

7

mi– masa i-tego atomu

ri– przemieszczenie i-tego atomu

t – czas

U – potencjał

Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J

(2002) 31: 283–293

Dynamika Molekularna (MD)

• Niewiążące oddziaływania między atomami -potencjał Columba i Lennarda-Jonesa (LJ)

8

U – potencjał między atomami

q – ładunek atomu

r – odległość między atomami

ε – głębokość potencjału LJ przy minimum

σ – parametr określający odpychanie i przyciąganie

atomów

Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J

(2002) 31: 283–293

Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4

Narzędzie

• GROMACS

• www.gromacs.org

• http://www.gromacs.org/Documentation/Tut• http://www.gromacs.org/Documentation/Tutorials

• Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4

• www.pdb.org

9

Protokół podstawowej symulacji MD

1. Wygenerowanie topologii (topology file)

2. Zdefiniowanie „pudełka” i roztworu (box and solvate)

3. Dodanie jonów (ions)3. Dodanie jonów (ions)

4. Minimalizacja energii (energy minimization)

5. Relaksacja (equilibration)

6. Symulacja MD (production MD)

10Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water.

http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

Wygenerowanie topologii

(topology file)

• Struktura molekuły *.pdb

• Usunięcie wody

• Wybór force field (L-J i inne parametry)

– GROMOS– GROMOS

– AMBER

– CHARMM

• Topology_file: *.top

– nonbonded parameters (atom types and charges)

– bonded parameters (bonds, angles, and dihedrals)

• Gromac_file: *.gro

11

Minimalizacja energii

(energy minimization)

• Potrzebny plik wsadowy *.mdp

• Upewnić się, że system jest poprawny

• i nie eksploduje lub imploduje ;-)

12

0 50 100 150 200 250 300 350 400-3

-2.5

-2

-1.5x 10

5

time/[ps]

E/[kJ/m

ol]

Relaksacja (equilibration)

• Relaksacja rozpuszczalnika (wody) i jonów

• Position-restrained

• Potrzebny plik wsadowy *.mdp

– NVT – temperatura�const– NVT – temperatura�const

– NPT – ciśnienie � const

13

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

time/[ps]

pres

sure

/[ba

r]

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20180

200

220

240

260

280

300

320

time/[ps]

tem

pera

ture

/[K

]

Symulacja MD (production MD)

14Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water.

http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

Analiza symulacji - przykłady

• Oglądanie trajektorii MD

• Porównywanie struktur w czasie symulacji

• Analiza struktury drugorzędowej w czasie symulacjisymulacji

• …

15

Porównywanie struktur

16

Fig. 1. The green is the finally structure and the pink is the original structure.

Energia potencjalna

-1.67

-1.665

-1.66x 10

5

Epo

tent

ial/[

kJ/m

ol]

17

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500-1.695

-1.69

-1.685

-1.68

-1.675

time/[ps]

Epo

tent

ial/[

kJ/m

ol]

Promień obrotu/skręty (gyration)

0.78

0.8

0.82

0.84

0.86R

g/[m

n]Rg

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

Rg/

[mn]

RgX

18

0 100 200 300 400 5000.78

time/[ps]0 100 200 300 400 500

0.5

time/[ps]

0 100 200 300 400 500

0.65

0.7

0.75

0.8

time/[ps]

Rg/

[mn]

RgY

0 100 200 300 400 5000.68

0.7

0.72

0.74

0.76

time/[ps]

Rg/

[mn]

RgZ

RMSD

0.15

0.2

0.25

19

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

0.05

0.1

0.15

time/[ps]

RM

SD

/[nm

]

RMSD Backbone to Backbone

RMSF

0.25

0.3

0.35

20

0 50 100 150 200 250 300 3500

0.05

0.1

0.15

0.2

Atom

RM

SF

/[nm

]

RMSF

0.15

0.2

0.25

21

0 5 10 15 20 25 30 35 400

0.05

0.1

0.15

residue

RM

S/[

nm]

Temperature factor

22

Struktura drugorzędowa

23

Wiązania wodorowe

16

18

20

24

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5006

8

10

12

14

time/[ps]

Num

ber

Salt bridges

0 100 200 300 400 5000

0.5

1

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU7-30:ASP8-39

0 100 200 300 400 5000

1

2

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU7-30:GLU35-303

0 100 200 300 400 5001

1.5

2

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU7-30:PRO38-329

0 100 200 300 400 5000

2

4

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU7-30:CL3525-10790

2

4

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU7-30:CL3526-10791

1

1.5D

ista

nce/

[nm

]ASP8-39:GLU35-303

1

1.5

Dis

tanc

e/[n

m]

ASP8-39:PRO38-329

2

4

Dis

tanc

e/[n

m]

ASP8-39:CL3525-10790

25

0 100 200 300 400 5000

2

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

0 100 200 300 400 5000.5

1

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

0 100 200 300 400 5000.5

1

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

0 100 200 300 400 5000

2

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

0 100 200 300 400 5000

2

4

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

ASP8-39:CL3526-10791

0 100 200 300 400 5000.5

1

1.5

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU35-303:PRO38-329

0 100 200 300 400 5000

2

4

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU35-303:CL3525-10790

0 100 200 300 400 5001

2

3

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

GLU35-303:CL3526-10791

0 100 200 300 400 5000

2

4

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

PRO38-329:CL3525-10790

0 100 200 300 400 5001

2

3

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

PRO38-329:CL3526-10791

0 100 200 300 400 5000

2

4

time/[ps]

Dis

tanc

e/[n

m]

CL3525-10790:CL3526-10791

The distance between negatively charged groups

Mean [nm] Std [nm] Min [nm] Median [nm] Max [nm]

'PRO38-329:CL3525-10790' 2.60 0.42 1.52 2.72 3.18

'GLU35-303:CL3525-10790' 2.45 0.31 1.58 2.49 3.04

'GLU35-303:CL3526-10791' 2.45 0.19 1.84 2.47 2.83

'CL3525-10790:CL3526-10791' 2.36 0.57 0.69 2.46 3.25

'GLU7-30:CL3525-10790' 2.35 0.30 1.57 2.34 3.01

'ASP8-39:CL3525-10790' 2.28 0.47 1.02 2.31 3.20

'GLU7-30:CL3526-10791' 1.83 0.28 0.95 1.83 2.62

26

'PRO38-329:CL3526-10791' 1.69 0.27 1.09 1.70 2.73

'ASP8-39:CL3526-10791' 1.64 0.23 0.90 1.68 2.15

'GLU7-30:PRO38-329' 1.45 0.10 1.21 1.44 1.78

'GLU7-30:GLU35-303' 1.13 0.12 0.83 1.11 1.52

'GLU35-303:PRO38-329' 1.13 0.14 0.75 1.15 1.41

'ASP8-39:GLU35-303' 0.96 0.14 0.65 0.96 1.28

'ASP8-39:PRO38-329' 0.96 0.07 0.68 0.96 1.14

'GLU7-30:ASP8-39' 0.53 0.10 0.35 0.52 0.82

Klastrowanie struktur

27The Backbone RMSD matrix

Dysocjacja wapnia

28ID: 3ICB

Parametry

GROMACS 4.5.4

Protein ID3ICB

X-ray crystallography at 0.23 nm

Time of simulation (ns) 25

Time step (fs) 2

Time step for coordinates saving (ps) 1Time step for coordinates saving (ps) 1

Number of the water molecules 13545

Total charge of the protein (e) -3

CA 15

CL 23

CCaCl

0.150 M

Neutral the system

Force field Gromos43a1

Water model spce29

Parametry

The steps in the simulation:

• Energy minimization

• Relaxation of the water (position restraints) – 20 ps

• MD equilibration – 200 ps

• MD – 25 ns• MD – 25 ns

The simulation was run:

• NPT conditions, using Berendsen’s coupling algorithm (P=1 bar, τp=0.5 ps, T=300 K, τT=0.1 ps)

• VDW and short range electrostatic forces - cutoff of 1.2 nm

• PBC - PME method

30

Trajektoria

31

CA DISSOCIATION

1.4

1.6

1.8

2

2.2

dist

ance

/[nm

]

32

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

time/[ps]

dist

ance

/[nm

]

Distance between Ca ions and the surface of the protein: blue - Ca76, green: Ca77.

6.5 ns

20.5 ns

CA DISSOCIATION

1.5

2

2.5

dist

ance

/RM

SD

/[nm

]

33

0 0.5 1 1.5 2 2.5

x 104

0

0.5

1

time/[ps]

dist

ance

/RM

SD

/[nm

]

Comparison the distance between the Ca76 and the surface of the protein and

RMSD of the protein

CA DISSOCIATION

Nr shellShell distance between Ca and

the surface of the protein [nm]

Residence time for

Ca76 [ps]

Residence time for

Ca77 [ps]

1 0-0.35 6685 25000

2 0.35-0.6 15686 0

3 0.6-0.85 951 0

4 0.85-1.1 427 04 0.85-1.1 427 0

5 1.1-1.35 393 0

6 1.35-1.6 493 0

7 1.6-1.85 325 0

8 1.85-2.1 40 0

9 2.1-2.4 0 0

10 >2.4 0 0

34

CA DISSOCIATION

35

Water coordination number for Ca77 (cutoff 0.3 nm).

CA DISSOCIATION

36

Waterboxplot for Ca77.

CA DISSOCIATION

37

Water coordination number for Ca76 (cutoff 0.3 nm).

1.2 ns

6.5 ns

CA DISSOCIATION

4

5

6

7

tim

e [

ns]

I shell

38

0

1

2

3

GLU 17 O 179 GLU 17 OE1

176

GLU 17 OE2

177

GLU 27 OE1

270

GLU 27 OE2

271

GLN 22 O 223 GLU 60 OE2

588

ALA 14 O 150 ASP 19 O 193 GLU 60 OE1

587

tim

e [

ns]

Residence time of the Ca76 near the amino acids: distance between Ca76 and the

atom is less than 0.35 nm.

CA DISSOCIATION

Nr shell

Shell distance between

Ca and the surface of

the protein [nm]

Diffusion coefficient

Ca76 [cm2/s]

Diffusion coefficient

Ca77 [cm2/s]

1 0-0.35 0.0689∙10-5±0.0165∙10-5 0.1117∙10-5±0.0754∙10-5

2 0.35-0.6 0.1628∙10-5±0.0358∙10-5 -

- >0.6 1.1705∙10-5±0.2314∙10-5 -- >0.6 1.1705∙10-5±0.2314∙10-5 -

39

Diffusion coefficient of the protein

0.0884∙10-5 cm2/s ± 0.0854∙10-5 cm2/s

Membrana i kanał jonowy

• Zmodyfikowany algorytm z tutoriala

40

Lemkul J. GROMACS Tutorial KALP15 in DPPC.

http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-

tutorials/membrane_protein/index.html

Membrana i kanał jonowy

1. Biało z bazy OPM (http://opm.phar.umich.edu/server.php)

2. Usunięcie HETATM i wody

3. Uzupełnienie brakujących atomów (PDB2PQR 3. Uzupełnienie brakujących atomów (PDB2PQR - http://kryptonite.nbcr.net/pdb2pqr/)

4. Zmiana formatu z *.pqr do *.pdb

5. Wygenerowanie pliku *.gro oraz *.top

41

Membrana i kanał jonowy

6. Pobranie plików dla lipidów- dppc128.pdb

- dppc.itp

- lipid.itp

- topol_dppc.top- topol_dppc.top

7. Modyfikacja lub pobranie gotowego ffuwzględniającego lipidy

8. Dołączenie nowego ff i dppc.itp do topol.top

9. Wygenerowanie pliku *.gro dla lipidów- wybór odpowiednich rozmiarów box

(boxlipid=boxprotein)

42

Membrana i kanał jonowy

10. Usunięcie periodyczności boxlipid11. Ustawienie środka boxlipid i boxprotein – pod

kątem późniejszego włożenia białka w błonę

12. Scalenie plików *.gro dla lipidów i białka

13. Manualne operacje na nowopowstałym 13. Manualne operacje na nowopowstałym system.gro (usunięcie nagłówków, itp.)

14. Przenumerowanie atomów (nr_atom_update.py)

15. Manualne operacje na nowopowstałym out.gro(dodanie nagłówków, itp.)

43

Membrana i kanał jonowy

15. Dodanie silnego position-restrain dla białka

16. Rozsunięcie lipidów i usunięcie wychodzących poza box

- inflategro.pl- inflategro.pl

17. Modyfikacja topol.top o usunięte lipidy

18. Minimalizacja energii

44

Membrana i kanał jonowy

45

Membrana i kanał jonowy

19. Ściskanie lipidów wokół białka i minimalizacja energii – w pętli, aż uzyskana zostanie odpowiednia powierzchnia dla lipidów: dla DPPC area per lipid=71 Å2lipidów: dla DPPC area per lipid=71 Å2

- inflategro.pl

- petla1.pl

46

Membrana i kanał jonowy

47

Membrana i kanał jonowy

19. Dodanie rozpuszczalnika

20. Dodanie jonów

21. Minimalizacja energii

22. Relaksacja wody i jonów (PR): NVT i NPT22. Relaksacja wody i jonów (PR): NVT i NPT

- dłuższe niż w prostej symulacji

19. Pre-symulacja MD – trudno zrelaksować tak duży system

20. Symulacja MD

48

NPT trajektoria

49

NPT trajektoria

50

Dziękuję za uwagę

51

energy_minimization.mdp

52

powrót

Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water.

http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

NVT.mdp

53

powrót

Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water.

http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/Pages/Personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html

RMSD

54

powrót

Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4