Dynamika Molekularna MD Inż. Monika Rybicka AKN BioNanopor
Essen 2
Essen Prof. Daniel Hoffmann Centrum Biotechnologii Medycznej Bioinfomatyka 3
Essen 4
Cele/Rezultaty???!!! Jak wykonać Jak przeanalizować Jak wykorzystać w aspekcie kanałów jonowych Proste symulacje peptydów i jonów (tutorials) Dysocjacja wapnia z miejsca wiążącego Umieszczenie kanału jonowego w membranie i relaksacja układu 5
Dynamika Molekularna (MD) K + K + K + K + K+ K + K + K + K + K + K + K + K + K + 6
Dynamika Molekularna (MD) Cząsteczki traktowane indywidualnie Ruch opisany równaniem Newtona m i masa i-tego atomu r i 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 7
Dynamika Molekularna (MD) Niewiążące oddziaływania między atomami - potencjał Columba i Lennarda-Jonesa (LJ) U potencjał między atomami q ładunek atomu r odległość między atomami ε głębokość potencjału LJ przy minimum σ parametr określający odpychanie i przyciąganie atomów Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4 Chung S-H., Kuyucak S. Ion channels: recent progress and prospects. Eur Biophys J (2002) 31: 283 293 8
Narzędzie GROMACS www.gromacs.org http://www.gromacs.org/documentation/tut orials 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) 4. Minimalizacja energii (energy minimization) 5. Relaksacja (equilibration) 6. Symulacja MD (production MD) Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 10 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 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 ;-) -1.5 x 105-2 E/[kJ/mol] -2.5-3 0 50 100 150 200 250 300 350 400 time/[ps] 12
Relaksacja (equilibration) Relaksacja rozpuszczalnika (wody) i jonów Position-restrained Potrzebny plik wsadowy *.mdp NVT temperatura const NPT ciśnienie const 4000 320 3000 300 2000 280 pressure/[bar] 1000 0-1000 temperature/[k] 260 240-2000 220-3000 200-4000 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 time/[ps] 180 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 time/[ps] 13
Symulacja MD (production MD) Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 14 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 symulacji 15
Porównywanie struktur Fig. 1. The green is the finally structure and the pink is the original structure. 16
Energia potencjalna -1.66 x 105-1.665-1.67 Epotential/[kJ/m mol] -1.675-1.68-1.685-1.69-1.695 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 time/[ps] 17
Promień obrotu/skręty (gyration) 0.86 Rg 0.7 RgX 0.84 0.65 Rg/[mn] 0.82 0.8 Rg/[mn] 0.6 0.55 0.78 0 100 200 300 400 500 time/[ps] RgY 0.8 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] RgZ 0.76 0.75 0.74 Rg/[mn] 0.7 0.65 Rg/[mn] 0.72 0.7 0 100 200 300 400 500 time/[ps] 0.68 0 100 200 300 400 500 time/[ps] 18
RMSD 0.25 0.2 RMSD/[nm] 0.15 0.1 0.05 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 time/[ps] RMSD Backbone to Backbone 19
RMSF 0.35 0.3 0.25 RMSF/[nm] 0.2 0.15 0.1 0.05 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Atom 20
RMSF 0.25 0.2 RMS/[nm] 0.15 0.1 0.05 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 residue 21
Temperature factor 22
Struktura drugorzędowa 23
Wiązania wodorowe 20 18 16 Number 14 12 10 8 6 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 time/[ps] 24
Salt bridges Distance/[nm] Distan nce/[nm] Distance/[nm] Distance/[nm] 1 0.5 GLU7-30:ASP8-39 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU7-30:CL3526-10791 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:CL3526-10791 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] PRO38-329:CL3525-10790 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] Distan nce/[nm] Distance/[nm] Distance/[nm] 2 1 GLU7-30:GLU35-303 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:GLU35-303 1.5 1 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU35-303:PRO38-329 1.5 1 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] PRO38-329:CL3526-10791 3 Distance/[nm] 2 1 0 100 200 300 400 500 time/[ps] Distance/[nm] Distan nce/[nm] 2 1.5 GLU7-30:PRO38-329 1 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:PRO38-329 1.5 1 0.5 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU35-303:CL3525-10790 4 Distance/[nm] Distance/[nm] 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] CL3525-10790:CL3526-10791 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] Distance/[nm] Distan nce/[nm] Distance/[nm] 4 2 GLU7-30:CL3525-10790 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] ASP8-39:CL3525-10790 4 2 0 0 100 200 300 400 500 time/[ps] GLU35-303:CL3526-10791 3 2 1 0 100 200 300 400 500 time/[ps] The distance between negatively charged groups 25
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 '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 26
Klastrowanie struktur The Backbone RMSD matrix 27
Dysocjacja wapnia ID: 3ICB 28
Parametry GROMACS 4.5.4 Protein ID 3ICB X-ray crystallography at 0.23 nm Time of simulation (ns) 25 Time step (fs) 2 Time step for coordinates saving (ps) 1 Number of the water molecules 13545 Total charge of the protein (e) -3 CA 15 CL 23 C CaCl Force field Water model 0.150 M Neutral the system Gromos43a1 spce 29
Parametry The steps in the simulation: Energy minimization Relaxation of the water (position restraints) 20 ps MD equilibration 200 ps MD 25 ns The simulation was run: NPT conditions, using Berendsen s coupling algorithm (P=1 bar, τ p =0.5 ps, T=300 K, τ T =0.1 ps) VDW and short range electrostatic forces - cutoff of 1.2 nm PBC - PME method 30
Trajektoria 31
CA DISSOCIATION 2.2 2 1.8 1.6 distance/[nm m] 1.4 1.2 1 0.8 6.5 ns 20.5 ns 0.6 0.4 0.2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 time/[ps] x 10 4 Distance between Ca ions and the surface of the protein: blue - Ca76, green: Ca77. 32
CA DISSOCIATION 2.5 2 distance/r RMSD/[nm] 1.5 1 0.5 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 time/[ps] x 10 4 Comparison the distance between the Ca76 and the surface of the protein and RMSD of the protein 33
CA DISSOCIATION Shell distance between Ca and Residence time for Residence time for Nr shell the surface of the protein [nm] Ca76 [ps] 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 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 Water coordination number for Ca77 (cutoff 0.3 nm). 35
CA DISSOCIATION Waterboxplot for Ca77. 36
CA DISSOCIATION 6.5 ns 1.2 ns Water coordination number for Ca76 (cutoff 0.3 nm). 37
CA DISSOCIATION 7 6 I shell 5 tim me [ns] 4 3 2 1 0 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 Residence time of the Ca76 near the amino acids: distance between Ca76 and the atom is less than 0.35 nm. 38
CA DISSOCIATION Nr shell Shell distance between Ca and the surface of the protein [nm] Diffusion coefficient Ca76 [cm 2 /s] Diffusion coefficient Ca77 [cm 2 /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 - Diffusion coefficient of the protein 0.0884 10-5 cm 2 /s ± 0.0854 10-5 cm 2 /s 39
Membrana i kanał jonowy Zmodyfikowany algorytm z tutoriala Lemkul J. GROMACS Tutorial KALP15 in DPPC. http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmxtutorials/membrane_protein/index.html 40
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 - 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 7. Modyfikacja lub pobranie gotowego ff uwzględniającego lipidy 8. Dołączenie nowego ff i dppc.itp do topol.top 9. Wygenerowanie pliku *.gro dla lipidów - wybór odpowiednich rozmiarów box (box lipid =box protein ) 42
Membrana i kanał jonowy 10. Usunięcie periodyczności box lipid 11. Ustawienie środka box lipid i box protein pod kątem późniejszego włożenia białka w błonę 12. Scalenie plików *.gro dla lipidów i białka 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 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 Å 2 - 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 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 powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 52 http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html
NVT.mdp powrót Lemkul J. GROMACS Tutorial Lysozyme in Water. 53 http://www.bevanlab.biochem.vt.edu/pages/personal/justin/gmx-tutorials/lysozyme/index.html
RMSD powrót Lindahl E. and all. GROMACS USER MANUAL Version 4.5.4 54