GROMACSチュートリアル②系の作成

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【GROMACSチュートリアル②】系の作成

任意のMDシミュレーションを開始するためには、まず大前提として系が用意されている必要がある。ここでは直鎖アルコールの構造を作成し、それをボックス内に配置することで、アルコール分子の二重膜が含まれる系の作成をしてみたいと思う。

なお、今回は系の作成を簡単にするために、自動で構造を生成してくれる外部サイトを利用する。インターネット環境が必要となるので、通信環境の良いところで取り組んでほしい。

アルコール分子の作成（CHARMM-GUI）
アルコール二重膜系の作成

今回作成する系は図のようになる。アルコール分子が整列して二重膜を形成し、その両側にはバルクの水が存在するような系を作成する。

アルコール分子の作成（CHARMM-GUI）

まず、シミュレーションする系に含まれる分子であるアルコール分子の構造を作成する。簡単な分子構造を作成し、構造ファイルを書き出すにはCHARMM-GUIが便利である。 CHARMM-GUIはWeb上で動くプログラムであり、PDBファイルの作成からシミュレーションのインプットファイルの作成まで、多くの便利な機能が備わっている。

今回はCHARMM-GUIのトップページから「Input Generator」を選択し、その中の「Ligand Reader and Modeler」を利用する。一番下までスクロールすると、次のような画面が現れるはずである。

この画面の枠内では分子を描画することができる。今回はアルコール分子として、C₁₆H₃₃OHの構造式を描いてみることにする。

枠の左側のツールを用いて直鎖アルカンを描画し、右側のツールで元素を変更する。分子の骨格ができたら必ず枠上のHマークから分子に水素を付加しておくこと。これを忘れると後にエラーとなってしまう。最終的に下図のようになればOKである。

一番下の「Next Step: Search ligand」を押すと、次の画面に進む。作成した分子と一致する構造がCHARMM-GUI上にあった場合や、似たような構造があった場合はここで表示される。一致するものがなくても、その分子にオリジナルの名前（VMDではresnameで分類される）をつけることができる。今回は「LAL」（Linear-chain Alcohol Ligand）という名前をつけておくことにする。

「Next Step: Generate PDB」を押すと、プログラムの処理が始まる。しばらくすると次のページへ移動し、PDBファイルやpsfファイル、インプットファイルなどが生成する。これらは「download.tgz」から一括でダウンロードしておくとよい。

ダウンロードしたファイルを展開し、PDBファイルをVMDで確認すると、アルコール分子が正しく作成できていることがわかる。

アルコール二重膜系の作成

ここまでで、系の構築に必要なアルコール分子の構造を作成することができた。二重膜系を作成するためにはPACKMOLなどを使用して分子を並べてもよいが、今回は便利な二重膜系作成ツールがあったのでそちらを利用する。

MemGenにアクセスし、先ほど作成したアルコールのPDBファイルをアップロードする。オプションでは膜中の分子密度や水の量などを指定できるので、今回は次のように設定する。

オプション	値
Lipids per monolayer	128
Water molecules per lipid	30
Add salt (mMolar)	0
Area per lipid (Å²)	20

設定が完了したら「Submit」を押すと、プログラムが動いて二重膜の構造を自動生成してくれる。二重膜系のPDBファイルを「Download Membrane PDB」からダウンロードしておこう。

ダウンロードしたPDBファイルの名前をsystem.pdbに変更し、テキストエディターで内容を確認する。今回は（多少数値は前後するであろうが）アルコール分子が256個、水分子が7680個含まれる系で、ボックスサイズは(x, y, z)=(53.666, 53.666, 124.570)であることがわかる。

また、その次の行からは原子の種類と座標が記述されている。詳しくは調べてほしいが、PDBファイルの形式は単なるスペース区切りではなく、何文字目がどの情報を表すかが厳密に決まっている。 GROMACSでPDB形式を扱うことはほぼないが、NAMD等を使用する際には必要となるので覚えておくとよい。

system.pdb
REMARK 
REMARK     MEMBRANE PATCH GENERATED BY WEBSERVER MEMGEN: http://memgen.uni-goettingen.de
REMARK
REMARK     PLEASE CITE:
REMARK
REMARK     Christopher J. Knight and Jochen S. Hub 
REMARK     MemGen: A general web server for the setup of lipid membrane simulation systems
REMARK     Bioinformatics, 31:2897-2899 (2015)
REMARK
REMARK     THIS PDB FILE CONTAINS:  LAL             256
REMARK                              Water          7680
REMARK                              Na+               0
REMARK                              Cl-               0
REMARK
CRYST1   53.666   53.666  124.570  90.00  90.00  90.00 P 1           1
MODEL        1
ATOM      1 C1   LAL     1       2.640  54.580  63.460  1.00  0.00           C
ATOM      2 C2   LAL     1       2.610  53.670  64.700  1.00  0.00           C
ATOM      3 C3   LAL     1       2.670  54.470  66.010  1.00  0.00           C
ATOM      4 C4   LAL     1       2.760  53.530  67.220  1.00  0.00           C
ATOM      5 C5   LAL     1       3.190  54.280  68.480  1.00  0.00           C
ATOM      6 C6   LAL     1       3.150  53.230  69.610  1.00  0.00           C
ATOM      7 C7   LAL     1       3.450  53.890  70.960  1.00  0.00           C
ATOM      8 C8   LAL     1       3.120  53.000  72.170  1.00  0.00           C
ATOM      9 C9   LAL     1       3.290  53.950  73.360  1.00  0.00           C

同時にVMDでも系の構造を確認しておく。

まとめ

ここまで、次の手順でアルコール二重膜系の構造を作成した。

CHARMM-GUIによりアルコール分子の構造を作成した。
作成したアルコール分子を用いてMemGenで二重膜系を作成した。

しかし、このアルコール分子はオリジナルの分子であるため、GROMACSにこの分子を認識させる必要がある。次回はその点を含め、作成した系をGROMACSで扱う方法を見ていく。

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