实验四介观动力学模拟27396Word文档格式.docx

1、二、实验目的1、了解介观模拟方法及应用领域2、了解Martini力场的3、掌握Mesocite模块的基本操作三、实验内容以下以介观动力学模拟脂质双分子层为例，熟悉Mesocite的基本操作。1、打开MS，选择created new project，键入CG-bilayer作为工程的名称，点击OK。本实例是在软件所有参数在默认的情况下进行的，选择Tools-Settings Organizer，选中CG-bilayer，点击Reset。2、建脂质分子，建模过程要用到Mesostructure toolbar，如在工具栏中没有此建模工具，点击菜单栏中的view-toolbar-mesostruct

2、ure，调出此建模工具。（1）点击Bead Types按钮，打开Bead Types 对话框。点击Properties按钮，打开 Bead Type Properties 对话框，点击Defaults按钮，设置Mass为72，Radius为2.35，关闭Bead Type Defaults和Bead Type Properties对话框。在Bead Types对话框中，定义一下珠子类型：C、GL、PO和NC，关闭对话框。（2）点击Mesomolecule按钮，打开Build Mesomolecule对话框。定义粗粒化分子，依次选择4个C、1个GL、1个PO、1个GL和4个C，确定不选Rando

3、mize order within repeat unit，点击Build按钮。在Mesomolecule.xsd文件中左击PO珠子，删除Build Mesomolecule对话框中所有的珠子。选中Add to branch points，点击more按钮，打开Mesomolecule Branches对话框。设置Number of branches to attach为1，关闭对话框。在Build Mesomolecule对话框中选择1个NC。点击Build按钮。（在显示面板中右击，选择Label，打开label对话框，在properties一栏中选择BeadTypeName，点击Apply

4、，可以检测建立的粗粒化分子是不是正确，可以对比下图。（3）关闭Build Mesomolecule对话框。在Project Explorer，把Mesomolecule.xsd文件名改为DPPC.xsd。我们得到以下粗粒化分子结构：3、更改Martini力场，分配力场，优化脂质分子。（1）选择Modules -Mesocite - Forcefield Manager或点击Mesocite tools，选择Forcefield Manage，选择MS Martini，点击，打开力场文件。在Project Explorer中，把文件名改为MSMartiniCIS.off。（2）打开MSMarti

5、niCIS.off文件，点击Interactions。在Show interaction下拉选项中选择Angle Bend。在空白框中，设置Fi 和Fk 到Na 以及 Fj 到Qa。改变 Functional Form 为Cosine Harmonic设置TO为120，KO为10.8。关闭力场文件并保存。（3）选择Modules | Mesocite | Calculation或点击Mesocite tools选择Calculation;打开Mesocite Calculation对话框，点击Energy，在Forcefield的下拉选项中选择Browse.，在Choose Forcefiel

6、d对话框中选择MSMartiniCIS.off。（4）打开DPPC.xsd文件。按下ALT键，双击任意C类型珠子，选中所有的C类型珠子。在Mesocite Calculation对话框中，点击More.打开Mesocite Proparation options对话框，选择C1，点击Assign按钮。重复此步，为GL、PO、NC分配力场，分配类型如下表所示：BeadTypeNameMS Martini Forcefield TypeChargeCC1GLNaPOQa-1.0NCQ01.0选择PO珠子，在Properties Explorer中，设置Charge为-1，同样把NC设置为1。（5）

7、在Mesocite Calculation对话框中，点击Setup，改变Task为Geometry Optimization。点击Run按钮。得到以下结构：（6）在工具栏中，选择Measure/Change按钮，下拉选项中点击Angel，依次点击左边的C-GL-PO,同样选择右边的PO-GL-C。此时会显示出两个接近156.50的角度，选在两个角度，在Properties Explorer中，设置Angels为230。按下ALT键，双击角度，按下Delete。得到以下分子结构：（7）参照第二步，定义珠子W，用Build Mesomolecule建模工具，建立一个仅包含W的粗粒化分子。更改文件名

8、为solvent.xsd。4、建立双分子层结构。（1）选择Build | Build Mesostructure | Mesostructure Template或点击Mesostructure toolbar中的Mesostructure Template，打开Build Mesostructure Template对话框。改变X、YExtents为64，Z Extent为100。在Filler中，键入solvent。在Build Mesostructure Template对话框中，改变Former type为Slab。改变Depth为44.15，Orientation为Along Z。选

9、中Enable surface packing;在Filler中键入lipid。点击Add，关闭对话框。（2）选择Build | Build Mesostructure | Mesostructure或点击Mesostructure toolbar中的Mesostructure ，打开Build Mesostructure对话框。solvent filler 中的Mesoscale Molecule，选择solvent.xsd。lipid filler选择优化的DPPC.xsd。点击Packing，设置Length scale （L）为1，Density为0.00836；不选Randomize

10、 conformations。在Packing中，点击More.按钮，打开Bead Packing Options对话框；双击打开已经优化过的DPPC.xsd。选择NC，点击Create bead Head set from selection按钮。按下CTRL + D取消选定，之后按下CTRL键，选择尾部的两个C珠子。在Bead Packing Options对话框中，改变Bead tag为Tail，点击Create bead Tail set from selection。关闭对话框。标记后的DPPC结构如下：（3）双击mesostructure template.msd。在Build M

11、esostructure对话框中，点击Build按钮。得到下图所示结构：（4）在菜单栏中选择File | Export.，打开Export对话框，在保存类型下拉选项中选择Materials Studio 3D Atomistic Files （*.xsd），点击Options.按钮，打开MSD/MTD Export Options对话框，设置Length scale为1，点击OK。改变文件名为bilayer.xsd，保存在（I）：选择当前工程的根目录下的CG-bilayer Files/Documents。点击保存（S）。此时在project explorer会出现一个名为bialyer.xs

12、d的文件。（5）在菜单栏中选择File | Save Project，选择Window | Close All。5、体系优化及动力学过程。在Project Explorer中，双击bilayer.xsd，打开文件。（1）分配力场：如第三步中的第四小步，为每种粗粒子珠子分配力场，分配电荷。分配类型如下表所示：WP4（2）第一次构型优化打开Mesocite Calculation对话框；点击Energy按钮，在summation method中的Electrostatic的下拉选项中选择Bead based。确保Mesocite Calculation/Setup中的Task为Geometry O

13、ptimization；选中Mesocite Calculation/Jop Control中的Run inparallel on of i processors，把可用的CPU调到最大值（此后在几何优化过程，还是动力学过程，为了充分利用服务器，CPU都调到最大值）。点击Run。（3）第二次构型优化双击打开优化过的bilayer.xsd在Mesocite Calculation对话框中选择Setup按钮；点击More.打开Mesocite Geometry Optimization对话框，选中Optimize cell；关闭Mesocite Geometry Optimization对话框。（

14、4）动力学优化双击打开第二次优化过的文件bilayer.xsd在Setup中，选择Task为Dynamics，点击More.按钮，打开Mesocite Dynamics对话框。设置Time step为20fs，Dynamic time 50ps，改变Ensemble为NPT。选择Thermostat按钮，设置Thermostat为Velocity Scale。点击Barostat按钮，设置Barostat为Andersen。在Mesocite Calculation对话框中点击Run。（5）第二次动力学优化双击打开bilayer Mesocite Dynamics文件夹下的bilayer.xt

15、d文件；在Mesocite Dynamics对话框中选择Thermostat按钮，设置Thermostat为Nose。设置Q ratio为1600。设置Time step为40fs，Dynamic time 200ps，点击Dynamics按钮，设置Frame output every为100steps。在Mesocite Calculation对话框中，选中Restart；弹出警告对话框，点击Yes。（6）选择File | Save Project，选择Window | Close All。6、结果分析，以角度分布和沿Z轴浓度分布为例。（1）角度分布：双击打开bilayer Mesocite

16、 Restart文件夹下的bilayer.xtd文件；双击打开DPPC Mesocite GeomOpt文件夹下的DPPC.xsd文件。在DPPC.xsd下，用Measure/change工具，选择下图所示两个角度。选择GL-PO-GL键角。在菜单栏中选择Edit | Find Patterns，打开Find Patterns对话框。定义优化过的DPPC.xsd文件作为Pattern document，并且确定键角GL-PO-GL仍然被选中。改变Match property为BeadTypeName。打开轨迹文件bilayer.xtd，点击Find。点击New Sets.按钮，打开Define

17、 New Set对话框，键入GL-PO-GL Angles，点击OK按钮。在bilayer.xtd文件中取消选定。同样定义sets为 C-PO-C Angles。选择Modules | Mesocite | Analysis，或点击mesocite tools，选择Analysis；打开Mesocite Analysis对话框，在Analysis选项中选择Angle distribution；在Sets下选项中选择GL-PO-GL Angles，点击Analyze。同理，分析键角C-PO-C Angles。把数据拷贝到excel中，作图可得：（2）Z方向浓度分布选择Edit |Edit set

18、s，打开Edit sets对话框，按下ALT键，双击任意W珠子，选中了所有的W珠子。在Edit sets对话框中，点击New，打开Define New Set对话框对话框，键入W，点击OK。同理，定义Sets NC、PO、GL、C。打开Mesocite Analysis对话框，在Analysis选项中选择Concentration profile；Sets选择W，选中Specified direction （hkl），改为0 0 1；点击Analyze；同理分析NC、PO、GL、C。本实例为软件帮助中的实例教程，参数设置原因可参考Help帮助文件。参考文献：S.J. Marrink, H.J.

19、 Risselada, S. Yefimov, D.P. Tieleman, A.H. de Vries., The MARTINI forcefield: coarse grained model for biomolecular simulations., J. Phys. Chem. B, 111:7812-7824, 2007.实验步骤及注意的问题1、构建5种珠子C、GL、PO、NC、W，设置Mass为72，Radium为2.352、构建DPPC脂质分子3、构建力场4、给DPPC分子分配力场，优化分子结构，调整角度，获得DPPC分子的最终构型5、构建水分子构型6、构建盒子7、填充盒子8

20、、导出.xsd构型文件9、给盒子分配力场10、初步优化盒子11、选中optimized cell 进一步优化盒子（注意能量变化曲线，如太高，需进一步优化，一般需要优化2-3次）12、对优化后的构型进行初步分子动力学模拟（time step 20fs，Dynamic time 50ps）13、改变参数设置，再次进行分子动力学模拟（time step 40fs，Dynamic time 200ps）14、在DPPC分子中选中GL-PO-GL以及C-PO-C两个角度，选定find pattern，在.xtd轨迹文件中find所有的角度15、对角度分布进行分析16、在.xtd轨迹文件edit sets

21、，选定5种原子，对其浓度分布进行分析。17、将两个角度分布导入EXCEL，将5中原子浓度分布导入EXCEL，分别作图。四、作业1、模拟油水混合溶液的分层构型，油选择癸烷作为油相代表（1）构建癸烷分子并对其进行优化获得如下结构（2）选择粗粒化珠子点击粗粒度转化分子工具，弹出Coarse grain对话框，在对话框中选中Motion groups，点击more，选中分子中前面个碳原子作为一个粗粒化珠子，点击Motion groups对话框中的create，产生第一个类型的粗粒化珠子；同理，定义中间的两个碳原子作为第二个类型的粗粒化珠子。关闭Motion groups对话框。（2）分配珠子，获得粗粒

22、化珠子结构点击Coarse grain对话框中的bead typing中的create，获得Bead Typing.std的珠子类型文件。选择patterns，从下拉框中选中该珠子类型文件；点击Coarse grain对话框下面的built文件。获得粗粒化之后的珠子结构。（3）对珠子分配力场（MS Martini，该力场为软件自带力场，不需要修改参数），两种珠子均属于C1类型，电荷为零，优化珠子构型，获得稳定结构。（4）构建水珠子，Mass 72，Radius 2.35（5）构建32*32*32的盒子，在Filtter中键入一个名字，如solvent，点击built，获得一个空的立方体盒子。（

23、6）在对话框中点击Filtters，点击Add，键入另外一个名字，如Water。（7）点击，填充盒子，选中优化后的粗粒化硅烷分子和水珠子，比例（Relative amount）为1：1；点击Packing，将Length scale设为1，Density设为0.00836，点击built构建填充后的盒子。（8）将构建后的后缀为.msd的盒子导出为xsd构建文件（如上面所属）。（9）分配力场（MS Martini），水分子属于P4力场，优化分子构型（10）进行分子动力学优化（10fs，500ps，500step）获得构型后，对其显示方式（display style）进行设置，扩展构型，观察油水分离现象。（10）分别显示水珠子和两种类型碳珠子的密度分布。C2