GMXTOP:OPLSAA力场的GROMACS拓扑文件生成器

类别:    标签: gmx   阅读次数:   版权: (CC) BY-NC-SA

使用GROMACS进行分子动力学模拟时, 获得体系的拓扑文件是关键, 也是难点. 虽然有些辅助工具可以直接获得一些分子的拓扑文件, 但你仍然需要对得到的拓扑文件进行仔细检查, 否则的话, MD过程中出现问题很难排查.

tppmktop是获得有机分子OPLSAA力场拓扑文件的好工具, 但也存在一定的不足. 一是不支持周期性分子, 二是提供的网络服务同时只能运行一个任务. 为此, 我觉得还是有必要自己做一个简单OPLSAA力场拓扑生成器GMXTOP, 一则可用于理解力场拓扑的生成方法, 二则可用于检查其他方法得到的拓扑是否合适.

GMXTOP是个在线工具, 运行在浏览器中, 不依赖于任何其他环境. 它并不支持自动生成拓扑文件, 而是需要你先指定每个原子的原子类型, 然后它会根据原子类型和力场文件中的参数信息生成GROMACS的拓扑文件. 虽然GMXTOP不是完全自动的, 使用起来有点不方便, 但使用它你可以明确地控制如何指定原子类型, 遇到其他工具无法自动匹配的原子时, 你就可以根据情况选用相近的原子类型, 保证最终能得到合适的拓扑文件.

使用说明

打开GMXTOP网页 https://Jerkwin.github.io/Prog/gmxtop.html. 建议使用Chrome, 因为我没有测试其他浏览器. 界面尚未美化, 看起来有点简陋.

分子构型格式

暂时支持读入.pdb.mol格式的分子构型文件, 而且文件中必须包含原子间的连接信息, 因为程序要使用这些连接信息来确定原子间的成键信息.

这两种格式的分子构型文件都可以使用GaussView获得, 程序只测试过GaussView的输出格式, 尚未测试其他分子编辑软件. 鉴于各种软件给出的.pdb格式不尽相同, 建议优先使用.mol格式.

指定原子类型

有三种方式指定原子类型:

  1. 右上方分子结构窗口中点击原子后, 原子会高亮, 同时弹出所有可能匹配的原子类型及其相应的示意图. 图片中对应的原子类型以红色表示. 双击图片即可完成指定. 也可选点击图片前面的按钮, OK确认后完成指定.
  2. 如果需要同时指定多个原子的原子类型, 可在左上方文本框内选中多个原子, 然后点击Assign Atom Type, 然后指定. 当然, 这种方法也可以用于单个原子.
  3. 使用MKTOP的判定方法自动指认原子类型. 点击Try AUTO Assign即可. 由于运行时间稍长, 请耐心. 有关说明见GMXTOP:集成MKTOP的原子类型判定代码

注意, 自动指认原子类型时可能存在无法判定的情况, 必要时附加手动指定. 如果判断原子类型存在困难, 你可以试着先用tppmktop来处理一下, 参考它给出的原子类型. 在大多数情况下, tmmktop给出的原子类型都是正确的.

生成拓扑文件

指定好每个原子的原子类型后, OPLSAA Atom Types文本框内会列出每个原子的原子类型, 这些原子类型也可以直接进行修改. 确认正确后, 点击Create Topology File即可生成GROMACS拓扑文件. 点击Save .top File即可下载生成的拓扑文件.

如果你要使用拓扑文件中的电荷, 一个判断拓扑文件好坏的简单标准就是看整个分子的净电荷qtot与实际是否相符. 如果基本相符, 那说明原子类型的指认还是比较正确的. 否则的话, 那就需要你仔细检查每个原子的原子类型了.

对一些特殊的原子类型, 它们之间的成键相互作用项可能缺失, 得到的拓扑文中会标识!!! NOT DEFINED !!!. 在使用拓扑文件前, 你需要将这些缺失项补充完整. 补充的方法一个是拟合, 一个是采用相近原子类型的成键参数.

测试拓扑文件

如果对生成的拓扑文件满意, 可以依次点击Save .gro FileSave .mdp File保存运行GROMACS所需的结构文件和参数文件, 然后gmx grompp; gmx mdrun就可以快速地运行模拟来测试得到的拓扑是否合适了.

其他辅助功能

简单示例

MeNO2

MeNO2.pdb
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REMARK   1 File created by GaussView 5.0.9
HETATM    1  C           0      -2.245   0.945  -0.011                       C
HETATM    2  H           0      -1.888  -0.063  -0.011                       H
HETATM    3  H           0      -1.888   1.450  -0.885                       H
HETATM    4  H           0      -3.315   0.946  -0.012                       H
HETATM    5  N           0      -1.755   1.638   1.189                       N
HETATM    6  O           0      -1.548   2.858   1.158                       O
HETATM    7  O           0      -1.549   1.002   2.230                       O
END
CONECT    1    2    3    4    5
CONECT    2    1
CONECT    3    1
CONECT    4    1
CONECT    5    6    7    1
CONECT    6    5
CONECT    7    5

自动指定原子类型即可, 程序判断无误.

PhCNHNH2

PhCNHNH2.pdb
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REMARK   1 File created by GaussView 5.0.9
HETATM    1  C           0      -1.372   1.261   1.088                       C
HETATM    2  N           0      -0.527   2.236   0.993                       N
HETATM    3  H           0       0.072   2.456   1.763                       H
HETATM    4  N           0      -1.452   0.477   2.329                       N
HETATM    5  H           0      -1.206   1.057   3.106                       H
HETATM    6  H           0      -2.386   0.138   2.449                       H
HETATM    7  C           0      -2.293   0.922  -0.098                       C
HETATM    8  C           0      -3.208  -0.134   0.005                       C
HETATM    9  C           0      -2.216   1.669  -1.281                       C
HETATM   10  C           0      -4.046  -0.443  -1.075                       C
HETATM   11  H           0      -3.267  -0.705   0.908                       H
HETATM   12  C           0      -3.054   1.360  -2.361                       C
HETATM   13  H           0      -1.517   2.475  -1.360                       H
HETATM   14  C           0      -3.969   0.304  -2.258                       C
HETATM   15  H           0      -4.745  -1.250  -0.996                       H
HETATM   16  H           0      -2.995   1.931  -3.264                       H
HETATM   17  H           0      -4.610   0.068  -3.082                       H
END
CONECT    1    2    4    7
CONECT    2    3    1
CONECT    3    2
CONECT    4    5    6    1
CONECT    5    4
CONECT    6    4
CONECT    7    8    9    1
CONECT    8    7   10   11
CONECT    9    7   12   13
CONECT   10    8   14   15
CONECT   11    8
CONECT   12   14    9   16
CONECT   13    9
CONECT   14   10   12   17
CONECT   15   10
CONECT   16   12
CONECT   17   14

自动指定的原子类型有误, 需要手动重新指定. 原子类型位于opls_736附近.

石墨烯

gra.pdb
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TITLE      tip
REMARK   1 File created by GaussView 5.0.9
HETATM    1  C           0       0.500   0.500   0.500                       C
HETATM    2  C           0       1.710   1.200   0.500                       C
HETATM    3  C           0       1.710   2.600   0.500                       C
HETATM    4  C           0       0.500   3.300   0.500                       C
HETATM    5  C           0       2.920   0.500   0.500                       C
HETATM    6  C           0       4.130   1.200   0.500                       C
HETATM    7  C           0       4.130   2.600   0.500                       C
HETATM    8  C           0       2.920   3.300   0.500                       C
HETATM    9  C           0       0.500   4.700   0.500                       C
HETATM   10  C           0       1.710   5.400   0.500                       C
HETATM   11  C           0       1.710   6.800   0.500                       C
HETATM   12  C           0       0.500   7.500   0.500                       C
HETATM   13  C           0       2.920   4.700   0.500                       C
HETATM   14  C           0       4.130   5.400   0.500                       C
HETATM   15  C           0       4.130   6.800   0.500                       C
HETATM   16  C           0       2.920   7.500   0.500                       C
HETATM   17  C           0       5.350   0.500   0.500                       C
HETATM   18  C           0       6.560   1.200   0.500                       C
HETATM   19  C           0       6.560   2.600   0.500                       C
HETATM   20  C           0       5.350   3.300   0.500                       C
HETATM   21  C           0       7.770   0.500   0.500                       C
HETATM   22  C           0       8.980   1.200   0.500                       C
HETATM   23  C           0       8.980   2.600   0.500                       C
HETATM   24  C           0       7.770   3.300   0.500                       C
HETATM   25  C           0       5.350   4.700   0.500                       C
HETATM   26  C           0       6.560   5.400   0.500                       C
HETATM   27  C           0       6.560   6.800   0.500                       C
HETATM   28  C           0       5.350   7.500   0.500                       C
HETATM   29  C           0       7.770   4.700   0.500                       C
HETATM   30  C           0       8.980   5.400   0.500                       C
HETATM   31  C           0       8.980   6.800   0.500                       C
HETATM   32  C           0       7.770   7.500   0.500                       C
END
CONECT    1    2   22   12
CONECT    2    1    3    5
CONECT    3    2    4    8
CONECT    4    3    9   23
CONECT    5    2    6   16
CONECT    6    5    7   17
CONECT    7    6    8   20
CONECT    8    3    7   13
CONECT    9    4   10   30
CONECT   10    9   11   13
CONECT   11   10   12   16
CONECT   12    1   11   31
CONECT   13    8   10   14
CONECT   14   13   15   25
CONECT   15   14   16   28
CONECT   16    5   11   15
CONECT   17    6   18   28
CONECT   18   17   19   21
CONECT   19   18   20   24
CONECT   20    7   19   25
CONECT   21   18   22   32
CONECT   22    1   21   23
CONECT   23    4   22   24
CONECT   24   19   23   29
CONECT   25   14   20   26
CONECT   26   25   27   29
CONECT   27   26   28   32
CONECT   28   15   17   27
CONECT   29   24   26   30
CONECT   30    9   29   31
CONECT   31   12   30   32
CONECT   32   21   27   31

周期性的体系, 无法使用自动的方法指定原子类型(否则程序会陷入死循环), 手动指定所有原子类型为opls_147即可.

待完成

  1. 反常二面角原子顺序可能与其他程序所给的不一致, 待考.
  2. OPLS原子类型示例图已完成, 但可能存在错误之处, 待查.
  3. 扩展到支持其他力场的原子类型, 如amber, charmm等.
  4. 对分子结构进行分析, 显示原子类型时按匹配度高低排序, 尽可能自动化, 减少选择时的纠结.
  5. 美化界面
  6. 分子结构显示可换用Three.js, CH5M3D效果和效率不佳.

致谢

没有下面这些人的热心付出, GMXTOP工具是很难完成的. 如果你使用这个工具, 请感谢他们的努力与付出.

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