Nouvelles fonctionnalités de Visual Dynamics 3.0

Résumé

Visual Dynamics est un outil open-source qui accélère les implémentations et l’apprentissage dans la simulation de dynamique moléculaire à l’aide de Gromacs. Le protocole présenté vous guidera à travers les étapes pour effectuer une simulation protéine-ligand préparée dans ACPYPE avec facilité et les étapes générales vers d’autres modèles de simulation.

Résumé

Visual Dynamics (VD) est un outil Web qui vise à faciliter l’utilisation et l’application de la dynamique moléculaire (MD) exécutée dans Gromacs, permettant aux utilisateurs sans familiarité avec le calcul d’exécuter des simulations à court terme à des fins de validation, de démonstration et d’enseignement. Il est vrai que les méthodes quantiques sont les plus précises. Cependant, il n’y a actuellement aucune faisabilité informatique pour réaliser les expériences effectuées par MD. L’outil décrit ici a été continuellement amélioré au cours des deux dernières années. Ce protocole décrira ce qui est nécessaire pour exécuter une simulation en VD avec un complexe protéine-ligand préalablement préparé en ACPYPE et quelques orientations générales sur les autres modèles de simulation disponibles. Pour la simulation détaillée, la protéine de liaison FK506 de Plasmodium vivax complexée avec l’inhibiteur D5 (PDB ID : 4mgv) sera utilisée, et tous les fichiers utilisés seront fournis. Notez que ce protocole indiquera toutes les options à utiliser pour obtenir les mêmes résultats que ceux présentés, mais ces options ne sont pas nécessairement les seules disponibles.

Introduction

Selon la définition de l’IUPAC, la MD est la procédure de simulation qui consiste à calculer le mouvement des atomes d’une molécule ou d’atomes individuels ou de molécules dans des solides, des liquides et des gaz, selon les lois du mouvement de Newton. Les forces agissant sur les atomes, nécessaires pour simuler leur mouvement, sont généralement calculées à l’aide des champs de force de la mécanique moléculaire¹. Elle peut être appliquée à tout phénomène qui cherche à extraire des informations à un niveau moléculaire et souvent atomique².

La DM est l’une des techniques incorporées dans la bioinformatique, en particulier la bio-informatique structurale. Grâce à lui, il est possible d’obtenir des caractéristiques cinétiques et thermodynamiques de structures biomoléculaires. Par exemple, la stabilité macromoléculaire, l’identification de sites allostériques, l’élucidation des mécanismes de l’activité enzymatique, la reconnaissance moléculaire et les propriétés des complexes avec de petites molécules, l’association entre les protéines, le repliement des protéines et leur^{hydratation3.} De plus, la DM permet un large éventail d’études, y compris la conception moléculaire (largement utilisée dans la conception de médicaments), pour déterminer la structure et son affinement (modélisation des rayons X, RMN et des protéines)³. Les résultats obtenus à l’issue d’une MD sont les plus riches et les plus complets en termes^{de simulation non} quantique4. La DM classique est beaucoup plus efficace que ce à quoi on pourrait s’attendre d’une prise en compte complète de la physique des systèmes biomoléculaires en raison du nombre d’approximations substantielles. Notamment, les effets de la dynamique quantique sont généralement ignorés³. Cependant, la mise en œuvre d’une expérience de DM n’est pas anodine⁵. Cela nécessite des connaissances en informatique, en particulier le terminal Linux, car la plupart des logiciels de bioinformatique structurelle sont faits pour cela. Même avec ces connaissances, l’apprentissage des commandes et du paramétrage de Gromacs est une autre courbe d’apprentissage abrupte.

Depuis sa première application à la biologie en 1977⁶, beaucoup a évolué en raison de l’augmentation du traitement informatique et de l’amélioration du codage. Il y a plus de deux décennies, les premiers logiciels DM destinés aux problèmes biologiques ont été lancés, à savoir Gromacs⁷, AMBER⁸ et NAMD⁹.

Depuis leurs premières versions, ces logiciels restent les plus utilisés et les plus cités. Cependant, ils continuent avec les mêmes difficultés de mise en œuvre courantes qui affligent les chercheurs qui ne sont pas des spécialistes en informatique⁵. Certains ont des étapes d’installation et de configuration complexes, nécessitant parfois une connaissance approfondie du matériel sur lequel ils vont fonctionner pour en tirer le meilleur parti et une documentation technique très centrée sur l’informatique. Il est nécessaire de disposer d’un moyen plus simple de s’interfacer avec eux, en plus de la ligne de commande et des paramètres infinis.

Une interface fait office d’intermédiaire entre le processus logique à effectuer et l’humain¹⁰. Le paradigme de l’exécution des logiciels a évolué à mesure que les ressources informatiques s’amélioraient. Le premier paradigme numérique a été les interfaces de ligne de commande (CLI), suivies de l’évolution vers les interfaces utilisateur graphiques (GUI) ^connues11. Suivant le cycle évolutif, l’interface produite par le World Wide Web (ou simplement WEB) est considérée comme une évolution des interfaces^{graphiques 11}. Ces trois paradigmes coexistent actuellement selon les développeurs. Les applications CLI utilisent des commandes textuelles sur la console du système d’exploitation. Les applications GUI, également appelées bureaux graphiques, utilisent une interface graphique composée de fenêtres, de boutons et d’autres composants. Il est spécifique et préprogrammé pour un système d’exploitation. La principale différence avec l’interface de ligne de commande est l’utilisation de la souris comme élément supplémentaire dans l’interaction homme-machine¹². Les applications Web, bien qu’elles soient confondues avec une interface graphique, sont plus complexes à développer mais sont plus polyvalentes et de loin les plus agiles en fonctionnement. De plus, ils ne dépendent que d’un logiciel d’interprétation appelé navigateur, qui permet à l’application cliente de communiquer avec le serveur via un réseau indépendant du système d’exploitation¹³.

Les logiciels de bio-informatique structurelle utilisent le plus souvent des paradigmes CLI et GUI. Parmi les logiciels classiques qui utilisent l’interface de ligne de commande, citons Modeller¹⁴ pour la modélisation de similarité, Autodock¹⁵ pour l’amarrage moléculaire et Gromacs¹⁶ pour la dynamique moléculaire. Des exemples de logiciels qui adoptent le type GUI sont SwissPDBviewer¹⁷, Pymol¹⁸, VMD¹⁹, UCSF Chimera²⁰, Autodock tools¹⁵, PyRx²¹, Biovia²², Maestro²³ et Moe²⁴, entre autres.

Avec l’émergence du langage de balisage hypertexte version 5 (HTML5)²⁵, des feuilles de style en cascade (CSS)²⁶ et des technologies Javascript²⁷ , entre autres, de nombreuses applications de bioinformatique structurale ont pu être apportées au WEB, devenant ainsi plus accessibles. Des exemples de serveurs WEB de modélisation de similarité sont MODWEB²⁸, qui utilise Modeller¹⁴ comme back-end et Swissmodel²⁹. Des exemples de serveurs d’applications Web pour l’amarrage moléculaire sont Haddock³⁰, Swissdock³¹, Cluspro³², Dockthor³³, etc.

Alors que les méthodologies d’analyse structurelle, de modélisation et d’ancrage ont évolué des paradigmes CLI à l’interface graphique et enfin à WEB, MD continue d’être principalement pris en charge par l’exécution en ligne de commande (type CLI). Quelques bonnes initiatives ont vu le jour pour améliorer ce panorama. Des exemples de ces initiatives sont l’implémentation de plugins dans des logiciels existants, tels que le plugin QwikMD pour VMD³⁴, le plugin GROMACS pour PyMOL et l’option de simulation de dynamique moléculaire dans UCSF Chimera²⁰, de nouvelles applications CLI plus faciles, telles que ASGARD³⁵, Gmx_qk³⁶ et CHAPERONg³⁷, et une plate-forme Web robuste, BioBB-Wfs³⁸. Bien que l’utilisation de ces plugins et applications soit une avancée, leur mise en œuvre reste un défi pour la plupart des chercheurs non qualifiés. Parmi les difficultés courantes, citons les problèmes d’installation et de configuration du logiciel MD, qui compromettent souvent l’exécution complète de la simulation⁵.

En 2022, le logiciel Visual Dynamics pour la simulation informatique basée sur le Web a été mis à disposition par le Laboratório de Bioinformática e Química Medicinal à Fiocruz Rondônia³⁹. Sa version initiale a été construite en Python et Flask, permettant des simulations de systèmes avec des protéines libres (apoenzymes) pendant seulement 2 ns. Par la suite, il a été amélioré pour inclure une version de simulation automatisée avec des ligands préparés à l’aide de PRODRG⁴⁰.

VD a été conçu pour aider tous les chercheurs dans le domaine de la biophysique structurale, de la biotechnologie et des domaines connexes qui ont des limites en matière de connaissances informatiques ; l’outil permet à ces chercheurs de tester leurs hypothèses impliquant des simulations de MD à partir de n’importe quel système opérationnel et sans accès à un ordinateur haute performance (HPC). Le but de ce travail est de présenter les nouvelles fonctionnalités de Visual Dynamics version 3.0. De plus, il vise à introduire un protocole d’utilisation mis à jour pour l’outil et à mettre en évidence les limites à corriger à l’avenir, ainsi que les statistiques d’utilisation jusqu’à présent (Figure 1).

Protocole

1. Accès au logiciel et enregistrement d’un nouvel utilisateur

1. Visitez la page Web de Visual Dynamics (VD). Cliquez sur l’icône +S’inscrire en haut à droite pour créer un compte. Inscrivez-vous pour utiliser le logiciel.
   REMARQUE : Seules les adresses e-mail institutionnelles sont autorisées. L’utilisateur recevra une notification par e-mail une fois son inscription approuvée.
2. Cliquez sur Connexion en haut à droite pour accéder à l’écran de connexion du système. Remplissez les champs nom d’utilisateur/e-mail et mot de passe et cliquez sur Se connecter. Après s’être connecté, l’utilisateur aura accès à sa zone de soumission de simulation. Ils peuvent également afficher des didacticiels et des statistiques d’utilisation pour VD.

2. Soumission de la simulation Apoenzyme

1. Cliquez sur Nouvelle simulation dans la barre latérale gauche. Sur l’écran qui apparaît, cliquez sur le bouton APO, qui fait référence à l’apoenzyme.
2. Téléchargez le fichier gratuit protein 4mvg.pdb. Sélectionnez le champ de force AMBER94 (ou toute autre option appropriée).
   REMARQUE : Le fichier 4mvg.pdb peut être obtenu à partir du fichier supplémentaire 1 ou téléchargé directement à partir de la Banque de données sur les protéines (PDB).
3. Sélectionnez le modèle TIP3P Water. Sélectionnez la boîte cubique. Sélectionnez une distance de 0,5 nm entre la protéine et le bord de la boîte.
   REMARQUE : Les options sélectionnées ne sont que des suggestions. Toutes les autres options fonctionnent dans VD.
4. Cochez l’option Exécuter dans nos serveurs pour exécuter la simulation avec les fichiers et paramètres soumis. Après avoir cliqué sur Exécuter la simulation, l’utilisateur verra l’évolution des étapes de simulation à l’écran et recevra une notification par e-mail sur l’état de la simulation une fois la simulation terminée.

3. Présentation de la simulation d’une enzyme complexée avec un ligand préparée dans ACPYPE

1. À l’aide de UCSF Chimera²⁰, ouvrez le complexe protéine-ligand 4mgv.pdb⁴¹, sous Sélectionner, cliquez sur Résidu et définissez le code sur D5I. Ensuite, sous Fichier, cliquez sur Enregistrer la base de données pluggable, sélectionnez Enregistrer uniquement les atomes sélectionnés, définissez le nom du fichier sur ligand.pdb, puis cliquez sur Enregistrer.
2. Soumettez le fichier ligand.pdb généré à l’étape précédente au serveur ACPYPE⁴² de Bio2Byte, à partir des fichiers de sortie, ligand_NEW.itp et ligand_NEW.pdb seront ceux utilisés et fournis dans cette expérience.
   REMARQUE : Les fichiers ligand_NEW.itp et ligand_NEW.pdb peuvent être obtenus à partir du Fichier supplémentaire 2 et du Fichier supplémentaire 3.
3. Cliquez sur Nouvelle simulation dans la barre latérale gauche. Cliquez sur le bouton Protéine + Ligand (préparé dans ACPYPE).
4. Téléchargez le fichier gratuit protein 4mvg.pdb. Sélectionnez les fichiers de ligands préparés dans ACPYPE : ligand_NEW.itp et ligand_NEW.pdb. Sélectionnez le champ de force AMBER94.
5. Sélectionnez le modèle TIP3P Water. Sélectionnez la boîte cubique. Sélectionnez une distance de 0,5 nm entre la protéine et le bord de la boîte. Les options sélectionnées ne sont que des suggestions. Toutes les autres options fonctionnent dans VD.
6. Cochez l’option Exécuter dans nos serveurs pour exécuter la simulation avec les fichiers et paramètres soumis. Après avoir cliqué sur Exécuter la simulation, l’utilisateur verra l’évolution des étapes de simulation à l’écran et recevra une notification par e-mail sur l’état de la simulation une fois la simulation terminée.

4. Accès aux résultats de la simulation

1. Cliquez sur Mes simulations dans la barre latérale gauche.
2. Cliquez sur Télécharger les fichiers MDP pour télécharger les fichiers de configuration de simulation utilisés par la plateforme sur l’ordinateur de l’utilisateur.
3. Téléchargez les éléments de simulation comme décrit ci-dessous.
   1. Cliquez sur Commandes pour télécharger la liste des commandes exécutées par la plate-forme sur l’ordinateur de l’utilisateur.
   2. Cliquez sur GROMACS Log pour télécharger le fichier journal contenant les sorties de commande .gmx dans l’ordre sur l’ordinateur de l’utilisateur.
   3. Cliquez sur Résultats pour télécharger les fichiers générés par les commandes .gmx, tels que _npt.gro, _pr.edr, _pr.tpr, _pr_PBC.gro et pr_PBC.xtc sur l’ordinateur de l’utilisateur.
   4. Cliquez sur Figure Graphics pour télécharger des graphiques permettant d’analyser chaque étape de simulation au format image et .xvg sur l’ordinateur de l’utilisateur.

Résultats

VD fournit une exécution de simulation entièrement autonome qui ne nécessite pas d’intervention de l’utilisateur ou de ressources de calcul fournies par l’utilisateur. Après avoir soumis une simulation à l’exécution, l’utilisateur peut la quitter, éteindre ses machines et la simulation continuera à s’exécuter. Il permet également aux utilisateurs d’accéder aux résultats depuis n’importe quel appareil, qu’il s’agisse d’un ordinateur portable ou d’un appareil mobile.

Discussion

L’automatisation des processus n’est pas facile, mais elle l’est aussi moins que la reprogrammation d’un système à partir de zéro. Gromacs est actuellement le logiciel de simulation moléculaire le plus populaire, et il est constamment mis à jour. Le département de chimie biophysique de l’Université de Groningue l’a initialement développé, et il est maintenant maintenu par le Laboratoire des sciences de la vie de l’Université de Stockholm⁴³.

Pour ...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
ACPYPE Server	Bio2Byte		Available at https://www.bio2byte.be/acpype/
GRACE software	Plasma Laboratory at the Weizmann Institute of Science		Available at https://plasma-gate.weizmann.ac.il/Grace/
GROMACS software	GROMACS Team		Installation instructions at https://manual.gromacs.org/current/install-guide/index.html
The structure of the FK506-binding protein From Plasmodium vivax complexed with the inhibitor D5	RCSB Protein Data Bank		Available at https://www.rcsb.org/structure/4mgv Already contains the ligand complexed to the macromolecule.