มาลองทำ Molecular Dynamics Simulation ของโปรตีนกันครับ 7

จากครั้งที่แล้ว

หลังจากที่เรารันระบบของเราเสร็จหมดแล้ว ก็จะถึงการวิเคราะห์ระบบเพื่อตอบคำถามที่เราสนใจครับ

ผมเริ่มจากการดูว่าโดยรวมแล้วโครงสร้างของ HIV RT (ที่มีสาย DNAอยู่ด้วย ระบบ 1-8) ในแต่ระบบมีการเปลี่ยนหรือสั่นมากน้อยเท่าใดระหว่างที่รัน MD เมื่อเปรียบเทียบกับโครงสร้างจาก PDB ซึ่งจากกราฟด้านล่างนี้ก็เห็นได้ว่าโครงสร้างในทุกระบบค่อนข้างเสถียร RMSD ประมาณ 3 อังสตรอม

เมื่อดูที่ RMSD ของสาย DNA:DNA ในทุกระบบจะเห็นว่าระบบที่เป็นสถานการณ์ก่อนที่นิวครีโอไทด์หรือยาจะจับตัวกับสาย DNA นั้นจะมีการสั่นมากกว่าระบบที่ยาหรือนิวครีโอไทด์เข้าจับแล้ว

อืม.. ถ้าเราลองแบ่งสาย DNA เป็นช่วงๆล่ะ RMSD ของแต่ล่ะช่วงในแต่ละระบบจะเป็นอย่างไร 🙂   ดูรูปด้านล่างนี้ครับ ว่าผมแบ่งอย่างไร

ส่วนอันนี้ก็เป็น RMSD ในแต่ล่ะช่วงของแต่ละระบบครับ

 

เดี๋ยวมาต่อ

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 diphosphate (PMPApp) ติดมาด้วยแล้ว จากนั้นก็ใช้โปรแกรม LEAP ซึ่งเป็นหนึ่งในหลายโปรแกรมของ AmberTools (http://ambermd.org/#AmberTools) กับ CHIMERA (http://www.cgl.ucsf.edu/chimera/) มาช่วยในการเตรียมโครงสร้างไฟล์ (พวกtopology กับ initial coordinates)  ที่ต้องการของทั้ง 9 ระบบครับ (ถ้าไม่ขี้เกียจผมจะอธิบายให้ฟังครับเตรียมอย่างไรโดยละเอียดครับ :))

ภาพบริเวณ active site ของระบบที่ 1

ภาพบริเวณ active site ของระบบที่ 8

 

ขั้นตอนในการรัน MD ของระบบทั้งหมดนี้ก็คล้ายๆกันครับ เริ่มจากทุกระบบจะถูกทำ energy minimization โดยเทคนิค smooth Particel-Mesh Ewald (PME) ถูกใช้ด้วยสำหรับแรง electrostatic ส่วนระยะแรง van de Waals ถูกเซ็ตไว้ที่ 9 angstrom SHAKE ก็ถูกใช้ด้วยสำหรับพันธะของที่อีกด้านหนึ่งเป็น hydrogen  Langevin dynamics ก็ถูกประยุกต์ใช้ในการการควบคุมอุณหภูมิของระบบให้อยู่ที่ 310 K ความดันก็ถูกควบคุมให้เท่ากับ 1 atm ด้วยLangevin piston method และแต่ละระบบจะรันนาน 2.5 ns

ต่อครับ

ติดตั้ง driver ของ nvidia quadro บน Scientific Linux 6.1

พอดีว่าได้เครื่อง Dell Precision T1600 มาทำงานด้าน Molecular Simulation
เครื่องมีการ์ดจอที่สนับสนุน CUDA มาด้วยคือ Nvidia Quadro 2000
หลังจากติดตั้ง Scientifc Linux (SL6.1) เสร็จแล้ว ก็ทำการเพิ่ม Repository จาก elrepo.org เข้าไป
ตามนี้
rpm –import http://elrepo.org/RPM-GPG-KEY-elrepo.org

rpm -Uvh http://elrepo.org/elrepo-release-6-4.el6.elrepo.noarch.rpm

จากนั้นก็ติดตั้ง package ชื่อ kmod-nvidia

yum –disablerepo=\* –enablerepo=elrepo install kmod-nvidia 

แล้วก็ reboot เครื่องใหม่ เป็นอันเสร็จพิธี

ลอง render โครงสร้างของโปรตีนโดยใช้ VMD ปรากฏว่าเร็วมากอย่างเห็นได้ชัด

 

Fix Backbone Atoms & Restrain CA Atoms

Fix Backbone Atoms

set all [atomselect top all]
set to_fix [atomselect top “protein and backbone”]
$all set beta 0
$to_fix set beta 1
$all writepdb fix_backbone.pdb

Restrain CA Atoms

set all [atomselect top all]
set sel [atomselect top “protein and name CA”]
$all set beta 0
$sel set beta 0.5
$all writepdb restrain_ca.pdb

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

Heating

หลังจากที่เราทำ energy minimization แล้วเราก็ต้องทำการเพิ่มอุณหภูมิของระบบให้มีอุณหภูมิตามที่เราต้องการ โดยอาศัยเทคนิคตามที่ได้พูดถึงไปแล้ว

Equilibration

พอทำให้ระบบมีอุณหภูมิตามต้องการแล้วเราก็ต้องทำการควบคุมปริมาณอื่นๆ เช่น ความดัน หรือ ปริมาตรของระบบ ให้มีค่าตามที่เราต้องการด้วย ซึ่งในขั้นตอนนี้เราจะทำการรัน MD อยู่สักระยะให้ระบบมีค่าต่างๆ ตามที่เราต้องการ

MD Simulation

หลังจากที่ระบบพร้อมแล้วเราก็ทำการรัน MD ตามต้องการครับ

Data analysis

เสร็จแล้วก็ถึงเวลาวิเคราะห์ผลครับ

ต่อครับ http://www.sakngoi.com/?p=559