Tag: พลวัตเชิงโมเลกุล

มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ 6

ต่อจากครั้งแล้ว http://www.sakngoi.com/?p=473 กลับมาดูระบบที่ผมพูดถึงในตอนแรก (HIV-RT + ยา) เนื่องจากว่าผมสงสัยว่าที่ปลายของสาย DNA บริเวณ active site ที่มีเจ้า inhibitor มาจับนี้จะมีการสั่นหรือเปลี่ยนแปลงอย่างไร ก็เลยออกแบบการทดลอง โดยลองเปลี่ยนบริเวณนั้นตามตารางด้านล่างนี้ครับ ระบบ 1,2,5 และ 6 นั้น เป็นสถานการณ์ก่อนที่ inhibitors หรือ nucleotides จะเข้าจับกับสาย DNA ครับ ส่วนระบบ 3,4,7 และ 8 เป็นสถานการณ์หลังจากที่ inhibitors หรือ nucleotides จับกับสาย DNA แล้ว อันนี้แสดงบริเวณที่สนใจครับ ส่วนนี้แสดง pathway ของยาที่สนใจ (Adefovir/Tenofovir) ครับ ระบบที่จะทำ MD ทั้ง 9 ระบบนี้ในแต่ละระบบจะมีอะตอมประมาณ 130,000  อะตอมครับ ส่วนการเตรียมโครงสร้างของแต่ล่ะระบบผมก็ทำคร่าวๆตามนี้ครับ โหลดโครงสร้างจาก PDB.org ที่ต้องการซึ่งก็คือ 1T05 เจ้าโครงสร้างนี้จะมีสาย DNA ที่มี tenofovir

มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ 5

ต่อจากครั้งที่แล้ว (http://www.sakngoi.com/?p=450) จากคุณสมบัติต่างๆทางเทอร์โมไดนามิคของระบบที่ต้องคำนึงถึงแล้ว ลองมาดูเรื่องของขั้นตอนของการทำ MD ว่าเราจะต้องมีอะไรคิดถึงหรือทำอะไรอีก  ในขั้นนี้ผมอยากจะให้มองว่าตัวโปรแกรมคอมพิวเตอร์สำหรับทำ MD อย่าง NAMD,GROMACS,CHARMM หรือ AMBER นั้นเป็นเหมือนกล่องดำที่จะคำนวณตำแหน่งของอะตอมต่างๆที่ประกอบเป็นโมเลกุลหรือระบบที่เราสนใจทุกๆช่วงเวลาที่เราสนใจ (รวมถึงเรื่องพลังงาน และอื่นๆอีก) เหมือนภาพถ่าย โดยที่เราจะป้อนค่าต่างๆ ของระบบที่ต้องการเข้าไป การทำ MD เราอาจแบ่งออกได้เป็นขั้นตอนต่างๆตามลำดับดังนี้ครับ Initial Input ขั้นตอนนี้เป็นขั้นตอนของการเตรียมระบบ,ไฟล์ และ ค่าพารามีเตอร์ต่างๆสำหรับในการรันMD เช่น โครงสร้างโปรตีนที่เอามาจาก PDB นั้นมันจะไม่มีตำแหน่งของไฮโรเจนมาด้วยครับ เราก็ต้องเอามาใส่ไฮโดรเจนเองซึ่งการใส่ไฮโดรเจนเข้าไปก็มีโปรแกรมช่วยครับ (เดี๋ยวพูดถึงทีหลัง 🙂 ว่ามันใส่ยังไง ถ้าไม่ขี้เกียจก่อนนะครับ) , การใส่น้ำหรือ solvate โปรตีน หรือการในประจุของธาตุต่างๆเพื่อให้ระบบของเราที่มีน้ำ+โปรตีน มีประจุเป็นศูนย์ (neutralize)  Energy minimization ในขั้นตอนนี้เป็นการขยับอะตอมที่อาจจะถูกวางไว้ใกล้กันเกินไปจากขั้นตอนของการใส่อะตอมไฮโดนเจนหรือโมเลกุลของน้ำออกจากกันหน่อย เพราะถ้าหากเราเริ่มรันMDโดยที่มันมีอะตอมที่อยู่ใกล้กันเกินไปก็จะทำให้อะตอมอาจถูกผลักออกจากกันได้ ซึ่งอาจเป็นผลให้ระบบของเราพังได้ 🙂 ในขั้นตอนนี้ ถ้าหากเรา plot graph ระหว่างพลังงานของระบบกับจำนวน step จะเห็นว่าพลังงานมันค่อยๆลดลง

มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ 4

ต่อจากครั้งที่แล้ว http://www.sakngoi.com/?p=275 มาถึงเรื่องการควบคุมความดันของระบบครับ 🙂  ในโปรแกรม NAMD การควบคุมความดันให้คงที่มีหลายวิธีครับเช่น ๑) Berendsen pressure bath coupling ๒) Extended system method ๓) Langevin Piston Algorithm ๔) Nosé-Hoover constant pressure method [latexpage] วิธีที่ ๑ ไอเดียก็คล้ายกับวิธี weak coupling with a heat bath สำหรับการควบคุมอุณหภูมิครับ (แต่เป็น pressure bath แทน) โดยที่อัตราการเปลี่ยนของความดันคือ \begin{eqnarray*} \frac{dP(t)}{dt} &=& \frac{1}{\tau_P}\left(P_{bath}-P(t)\right)\nonumber \end{eqnarray} โดย $\tau_P$ คือ coupling constant, $P_{bath}$ คือความดันของ bath โดยที่ปริมาตรของ

มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ 3

ต่อจากตอนที่แล้ว http://www.sakngoi.com/?p=238 พอเห็นภาพคร่าวๆของสมการการเคลื่อนที่ที่เราใช้แล้วนะครับ ตอนนี้เราจะมาลองดูเรื่องคุณสมบัติทางเทอโมไดนามิค (อุณหภูมิ, ความดัน) ของระบบที่เรากำลังสนใจครับ เพราะในการคำนวณจริงๆ เราต้องคิดถึงว่าระบบของเรานั้นอยู่ในสภาวะแบบไหน อุณหภูมิคงที่หรือเปล่า ความดันล่ะคงที่ด้วยหรือเปล่า จำนวนของอะตอมคงที่หรือมีการหายไปด้วยอีกหรือเปล่า เพื่อที่ว่าจะได้ดูสมจริงมากที่สุดเมื่อเอาไปเปรียบเทียบกับของจริงในธรรมชาติ ในโปรแกรม NAMD ที่ผมใช้นี้ การควบคุมในอุณหภูมิคงของระบบ ก็มีอยู่สามวิธีครับ คือ 1) rescaling of velocities 2) weak coupling with a heat bath 3) Langevin dynamics ในวิธีที่ 1 ก็คือค่อยๆเปลี่ยนอุณหภูมิไปเรื่อยๆที่ล่ะนิด ด้วยการคูณอุณหภูมิของระบบด้วยค่าคงที่ (จริงๆแล้วคูณกับความเร็ว)ครับ อุณภูมิมันสัมพันธ์กับพลังงานจลน์ของระบบ ดูสมการด้านล่างครับ ใน NAMD จะมีพารามีเตอร์คือ rescaleTemp – อุณหภูมิที่ต้องการ กับ rescaleFreq -ความถี่ที่จะคูณเจ้าค่าคงที่นี้ประมาณว่าจะคูณมันกี่step วิธีที่ 2 วิธีนี่ก็คล้ายกับวิธีแรก แต่จะมองเหมือนว่าระบบของเราถูกแช่อยู่ในอ่างของความร้อนที่มีอุณหภูมิที่เราต้องการ ระบบของเรากับอ่างนี้ก็จะมีการแลกเปลี่ยนความร้อนกัน โดยที่อัตราการแลกเปลี่ยนความร้อนหรืออุณหภูมิสามารถเขียนได้ว่า

มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ 2

ต่อจากตอนที่แล้ว (http://www.sakngoi.com/?p=189)ครับ Molecular dynamics (MD) ก็เป็นเทคนิคที่ฮิตฮอตสำคัญอันหนึ่งที่นักวิทยาศาสตร์ใช้ในการศึกษาเกี่ยวกับการเคลื่อนไหวหรือสั่นไหวของโมเลกุลต่างๆ โดยเค้าจะมองว่าพันธะที่คอยเชื่อมต่ออะตอมเข้าด้วยกันเป็นโมเลกุลนี้เป็นเหมือนสปริงที่เชื่อมลูกบอลเข้าไว้ด้วยกัน  ซึ่งพลังงานศักย์ทั้งหมดของระบบก็จะมาจากผลรวมทั้งหมดของ interaction ระหว่างลูกบอลที่เชื่อมกันผ่านสปริง(bond) และระหว่างสปริงด้วยกัน(non-bonded) ถ้าใครที่เรียนมาก็คงจะจำได้ว่าแรงของปริงนี้เป็นแรงอนุรักษ์ซึ่งเราจะเขียนได้ว่าแรงทั้งหมดที่กระทำกับลูกบอล(อะตอม) นี้เขียนได้ว่า โดย ก็คือพลังงานศักย์ ซึ่งเราเราสามารถเขียนได้ว่า โดยเทอมที่ไม่เป็นพันธะสามารถเขียนได้ว่าเป็นผลรวมศักย์จากแรงวันเดอร์วาลส์กับแรงจากประจุไฟฟ้า โดย และ ส่วนพลังงานศักย์ของแรงจากพันธะก็สามารถเขียนได้ว่าเป็นรวมจากรูปแบบของพันธะที่เป็นไปได้ทั้งหมด (ดูรูป เดี๋ยวมาใส่ให้ครับ) หรือ สมการที่เขียนมานี่ก็เป็นเพียงตัวอย่างเท่านั้นครับซึ่งมันจะแตกต่างกันไป ขึ้นกับว่าเราเป็นสาวกของสำนักไหน 🙂 แต่ล่ะสำนักก็จะมีรูปแบบของฟังก์ชั่นและค่า constants ต่างๆที่ใช้แตกต่างกัน (เราเรียก พวกฟังก์ชั่นนี้ว่า force field) force field ที่เป็นที่นิยมกันก็ได้แก่ AMBER (Assisted Model Building with Energy Refinement, http://ambermd.org/) OPLS, OPLS-AA (Optimized Potentials for Liquid Simulations,http://zarbi.chem.yale.edu/) CHARMM (Chemistry at HARvard

มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ 1

มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ โปรแกรมที่ผมใช้ในการคำนวณคือ NAMD ส่วนที่เอาไว้ใช้ดูโครงสร้างสวยๆของโปรตีนคือ VMD ทั้งสองโปรแกรมนี้ฟรีครับ โปรตีนที่ผมพูดถึงนี้ก็คือ HIV 1-RT (reverse transcriptase) ครับ เราจะมาลองดูครับว่าเจ้าสาย DNA หรือโครงสร้างของโปรตีนแถวๆ Active site ของมันจะมีการเปลี่ยนแปลงไปยังไงบ้างถ้าเราใส่ตัว Inhibitor หรือยาอย่าง adefovir หรือ tenofovir เข้าไป โครงสร้างของโปรตีนที่ผมใช้คือ 1T05 ซึ่งสามารถdownload ได้จากเวบ www.pdb.org รูปด้านล่างนี้แสดงลำดับของนิวคลีโอไทด์กับตำแหน่งของกรดอะมิโนจากโปรตีนที่ผมว่าจะเอาไว้ดูว่ามันเจ้าสายDNA กับ HIV-RT มันมีอะไรกันหรือเปล่า จริงๆแล้วมันก็คือสะพานเกลือครับ 🙂 เรียกตรงๆเลย ผมสนใจว่าเจ้าฟอสเฟตจากสาย DNA กับพวกขั้วบวกจากกรดอะมิโนอย่างไลซีนกับอาร์จินินมันจะแนบแน่นขนาดไหนตลอดเวลาหรือเปล่า ซึ่งผมก็หาอยู่ตั้งนานก็เจอตัวที่ใกล้ที่กันมากที่สุดก็ตามรูปเลยครับ ส่วนเจ้าสาย DNA เราก็จะดูว่า furanose ring มันมีการผับตัวหรือบิดยังไง (sugar puckering) ในตำแหน่งต่างๆ แต่ก่อนจะไปดูว่าเราจะทำ Molecular

การทำงานของโปรแกรมสำหรับ Molecular dynamics simulation

ใครที่สนใจว่าโปรแกรมที่เราใช้ศึกษาด้าน molecular dynamics simulation เช่น AMBER, GROMACS, CHARMM หรือ NAMD ทำงานอย่างไร ผมขอแนะนำให้ลองศึกษาจาก source codes ของ  Mindy ครับ http://www.ks.uiuc.edu/Development/MDTools/mindy มันเป็นเหมือนเวอร์ชั่นย่อๆ ของ NAMD ครับ ซึ่งมันทำงานหลักๆอย่างที่ NAMD ทำเลยครับ จะไม่มีก็ในส่วนของการคำนวณแบบขนาน