Nuove funzionalità di Visual Dynamics 3.0

Riepilogo

Visual Dynamics è uno strumento open source che accelera le implementazioni e l'apprendimento nella simulazione della dinamica molecolare utilizzando Gromacs. Il protocollo presentato vi guiderà attraverso i passaggi per eseguire una simulazione proteina-ligando preparata in ACPYPE con facilità e i passaggi generali verso altri modelli di simulazione.

Abstract

Visual Dynamics (VD) è uno strumento web che mira a facilitare l'uso e l'applicazione della Molecular Dynamics (MD) eseguita in Gromacs, consentendo agli utenti senza familiarità computazionale di eseguire simulazioni di breve durata per scopi di convalida, dimostrazione e insegnamento. È vero che i metodi quantistici sono i più accurati. Tuttavia, attualmente non esiste una fattibilità computazionale per eseguire gli esperimenti eseguiti da MD. Lo strumento qui descritto ha ricevuto continui miglioramenti nel corso degli ultimi due anni. Questo protocollo descriverà ciò che è necessario per eseguire una simulazione in VD con un complesso proteina-ligando precedentemente preparato in ACPYPE e alcune indicazioni generali sugli altri modelli di simulazione disponibili. Per la simulazione dettagliata, verrà utilizzata la proteina legante FK506 di Plasmodium vivax complessata con l'inibitore D5 (PDB ID: 4mgv) e verranno forniti tutti i file utilizzati. Si noti che questo protocollo indicherà ogni opzione da utilizzare per ottenere gli stessi risultati presentati, ma queste opzioni non sono necessariamente le uniche disponibili.

Introduzione

Secondo la definizione IUPAC, la MD è la procedura di simulazione che consiste nel calcolare il moto degli atomi in una molecola o di singoli atomi o molecole in solidi, liquidi e gas, secondo le leggi del moto di Newton. Le forze che agiscono sugli atomi, necessarie per simulare il loro movimento, sono comunemente calcolate utilizzando i campi di forza della meccanica molecolare¹. Può essere applicato a qualsiasi fenomeno che cerchi di estrarre informazioni a livello molecolare e spesso atomico².

La MD è una delle tecniche incorporate nella bioinformatica, in particolare nella bioinformatica strutturale. Con esso è possibile ottenere caratteristiche cinetiche e termodinamiche di strutture biomolecolari. Ad esempio, stabilità macromolecolare, identificazione di siti allosterici, chiarimento dei meccanismi di attività enzimatica, riconoscimento molecolare e proprietà di complessi con piccole molecole, associazione tra proteine, ripiegamento delle proteine e sua idratazione³. Inoltre, la MD consente un'ampia gamma di studi, tra cui la progettazione molecolare (ampiamente utilizzata nella progettazione di farmaci), per determinare la struttura e il suo raffinamento (raggi X, NMR e modellazione proteica)³. I risultati ottenuti al termine di un MD sono i più ricchi e completi in termini di simulazione non quantistica⁴. La MD classica è molto più efficiente di quanto ci si potrebbe aspettare da una considerazione completa della fisica dei sistemi biomolecolari a causa del numero di approssimazioni sostanziali. In particolare, gli effetti della dinamica quantistica vengono solitamente ignorati³. Tuttavia, l'implementazione di un esperimento MD non è banale⁵. Richiede la conoscenza dell'informatica, in particolare del terminale Linux, poiché la maggior parte dei software di bioinformatica strutturale è fatta per questo. Anche con questa conoscenza, l'apprendimento dei comandi e della parametrizzazione di Gromacs è un'altra curva di apprendimento ripida.

Dalla sua prima applicazione alla biologia nel 1977⁶, molto si è evoluto grazie all'aumento dell'elaborazione computazionale e al miglioramento della codifica. Più di due decenni fa, è stato lanciato il primo software MD destinato ai problemi biologici, ovvero Gromacs⁷, AMBER⁸ e NAMD⁹.

Sin dalle loro prime versioni, questi software rimangono ancora oggi i più utilizzati e citati. Tuttavia, continuano con le stesse comuni difficoltà di implementazione che affliggono i ricercatori che non sono specialisti di computer⁵. Alcuni hanno passaggi di installazione e configurazione complessi, che a volte richiedono una conoscenza approfondita dell'hardware su cui verranno eseguiti per ottenere il massimo da esso e una documentazione tecnica altamente incentrata sul computer. È necessario un modo più semplice per interfacciarsi con loro, oltre alla riga di comando e ai parametri infiniti.

Un'interfaccia funge da intermediario tra il processo logico da eseguire e l'essere umano¹⁰. Il paradigma di esecuzione del software si è evoluto con il miglioramento delle risorse informatiche. Il primo paradigma digitale sono state le interfacce a riga di comando (CLI), seguite dall'evoluzione verso le note interfacce grafiche utente (GUI)¹¹. Seguendo il ciclo evolutivo, l'interfaccia prodotta dal World Wide Web (o semplicemente WEB) è considerata un'evoluzione delle GUI¹¹. Questi tre paradigmi attualmente coesistono a seconda degli sviluppatori. Le applicazioni CLI utilizzano comandi testuali sulla console del sistema operativo. Le applicazioni GUI, chiamate anche desktop grafici, utilizzano un'interfaccia grafica composta da finestre, pulsanti e altri componenti. È specifico e pre-programmato per un sistema operativo. La principale differenza rispetto alla CLI è l'uso del mouse come elemento aggiuntivo nell'interazione uomo-macchina¹². Le applicazioni WEB, nonostante siano confuse con un'interfaccia grafica, sono più complesse da sviluppare ma sono più versatili e di gran lunga le più agili nel funzionamento. Inoltre, essi dipendono solo da un software di interpretazione, chiamato browser, che consente all'applicazione client di comunicare con il server attraverso una rete indipendente dal sistema operativo¹³.

I software di bioinformatica strutturale utilizzano più comunemente i paradigmi CLI e GUI. Alcuni esempi di software classici che utilizzano CLI sono Modeller¹⁴ per la modellazione di similarità, Autodock¹⁵ per il docking molecolare e Gromacs¹⁶ per la dinamica molecolare. Esempi di software che adottano il tipo GUI sono SwissPDBviewer¹⁷, Pymol¹⁸, VMD¹⁹, UCSF Chimera²⁰, Autodock tools¹⁵, PyRx²¹, Biovia²², Maestro²³ e Moe²⁴, tra gli altri.

Con l'emergere delle tecnologie Hypertext Markup Language versione 5 (HTML5)²⁵, Cascading Style Sheets (CSS)²⁶ e Javascript²⁷ , tra le altre, molte applicazioni di bioinformatica strutturale potrebbero essere portate sul WEB, diventando così più accessibili. Esempi di similarity modeling WEB server sono MODWEB²⁸, che utilizza Modeller¹⁴ come back-end e Swissmodel²⁹. Esempi di server di applicazioni web per il docking molecolare sono Haddock³⁰, Swissdock³¹, Cluspro³², Dockthor³³ e altri.

Mentre l'analisi strutturale, la modellazione e le metodologie di docking si sono evolute dai paradigmi CLI alla GUI e infine al WEB, MD continua ad essere per lo più supportato dall'esecuzione della riga di comando (tipo CLI). Sono emerse alcune buone iniziative per migliorare questo panorama. Esempi di queste iniziative sono l'implementazione di plug-in in software esistenti, come il plug-in QwikMD per VMD³⁴, il plug-in GROMACS per PyMOL e l'opzione di simulazione dinamica molecolare in UCSF Chimera²⁰, alcune nuove e più semplici applicazioni CLI, come ASGARD³⁵, Gmx_qk³⁶ e CHAPERONg³⁷, e una robusta piattaforma web, BioBB-Wfs³⁸. Sebbene l'uso di questi plugin e applicazioni sia un progresso, la loro implementazione è ancora una sfida per la maggior parte dei ricercatori non qualificati. Le difficoltà più comuni includono problemi di installazione e configurazione del software MD, che spesso compromettono la piena esecuzione della simulazione⁵.

Nel 2022, il software Visual Dynamics per la simulazione computazionale basata sul web è stato reso disponibile dal Laboratório de Bioinformática e Química Medicinal presso Fiocruz Rondônia³⁹. La sua versione iniziale è stata costruita in Python e Flask, consentendo simulazioni di sistemi con proteine libere (apoenzimi) per soli 2 ns. Successivamente, è stato migliorato per includere una versione di simulazione automatizzata con ligandi preparati utilizzando PRODRG⁴⁰.

VD è stato creato per assistere tutti i ricercatori nel campo della biofisica strutturale, della biotecnologia e delle aree correlate che hanno limitazioni nella conoscenza computazionale; lo strumento consente a questi ricercatori di testare le loro ipotesi che coinvolgono simulazioni MD da qualsiasi sistema operativo e senza l'accesso a un computer ad alte prestazioni (HPC). Lo scopo di questo lavoro è quello di presentare le nuove funzionalità di Visual Dynamics versione 3.0. Inoltre, mira a introdurre un protocollo di utilizzo aggiornato per lo strumento e ad evidenziare le limitazioni da affrontare in futuro, insieme alle statistiche di utilizzo fino al momento attuale (Figura 1).

Protocollo

1. Accesso al software e registrazione di un nuovo utente

1. Visita la pagina Web di Visual Dynamics (VD). Clicca sull'icona +Registrati in alto a destra per creare un account. Registrati per utilizzare il software.
   NOTA: Sono consentiti solo indirizzi e-mail istituzionali. L'utente riceverà una notifica via e-mail una volta approvata la registrazione.
2. Clicca su Accedi in alto a destra per accedere alla schermata di accesso al sistema. Compila i campi nome utente/e-mail e password e fai clic su Accedi. Dopo aver effettuato l'accesso, l'utente avrà accesso all'area di invio della simulazione. Possono anche visualizzare esercitazioni e statistiche di utilizzo per VD.

2. Presentazione della simulazione dell'apoenzima

1. Fai clic su Nuova simulazione nella barra laterale sinistra. Nella schermata che appare, fare clic sul pulsante APO, che si riferisce all'apoenzima.
2. Caricare il file gratuito protein 4mvg.pdb. Seleziona il campo di forza AMBER94 (o qualsiasi altra opzione appropriata).
   NOTA: 4mvg.pdb può essere ottenuto dal File Supplementare 1 o scaricato direttamente dalla Protein Data Bank (PDB).
3. Seleziona il modello TIP3P Water. Selezionate la casella cubica. Selezionare una distanza di 0,5 nm tra la proteina e il bordo della scatola.
   NOTA: Le opzioni selezionate sono solo suggerimenti. Tutte le altre opzioni funzionano in VD.
4. Seleziona l'opzione Esegui nei nostri server per eseguire la simulazione con i file e i parametri inviati. Dopo aver fatto clic su Esegui simulazione, l'utente vedrà l'evoluzione dei passaggi della simulazione sullo schermo e riceverà una notifica via e-mail sullo stato della simulazione al termine.

3. Presentazione della simulazione di un enzima complessato con ligando preparato in ACPYPE

1. Utilizzando UCSF Chimera²⁰, aprire il complesso proteina-ligando 4mgv.pdb⁴¹, in Seleziona, fare clic su Residuo e impostare il codice su D5I. Quindi, in File, fare clic su Salva PDB, selezionare Salva solo atomi selezionati, impostare il nome del file su ligand.pdb e fare clic su Salva.
2. Invia il file ligand.pdb generato nel passaggio precedente al server Bio2Byte ACPYPE⁴², dai file di output, ligand_NEW.itp e ligand_NEW.pdb saranno quelli utilizzati e forniti in questo esperimento.
   NOTA: i file ligand_NEW.itp e ligand_NEW.pdb possono essere ottenuti dal file supplementare 2 e dal file supplementare 3.
3. Fai clic su Nuova simulazione nella barra laterale sinistra. Fare clic sul pulsante Proteina + Ligando (preparato in ACPYPE).
4. Caricare il file gratuito protein 4mvg.pdb. Selezionare i file Ligand preparati in ACPYPE: ligand_NEW.itp e ligand_NEW.pdb. Selezionare il campo di forza AMBER94.
5. Seleziona il modello TIP3P Water. Selezionate la casella cubica. Selezionare una distanza di 0,5 nm tra la proteina e il bordo della scatola. Le opzioni selezionate sono solo suggerimenti. Tutte le altre opzioni funzionano in VD.
6. Seleziona l'opzione Esegui nei nostri server per eseguire la simulazione con i file e i parametri inviati. Dopo aver fatto clic su Esegui simulazione, l'utente vedrà l'evoluzione dei passaggi della simulazione sullo schermo e riceverà una notifica via e-mail sullo stato della simulazione al termine.

4. Accesso ai risultati della simulazione

1. Fai clic su Le mie simulazioni nella barra laterale sinistra.
2. Fare clic su Scarica file MDP per scaricare i file di configurazione della simulazione utilizzati dalla piattaforma sul computer dell'utente.
3. Scaricare gli elementi di simulazione come descritto di seguito.
   1. Fare clic su Comandi per scaricare l'elenco dei comandi eseguiti dalla piattaforma sul computer dell'utente.
   2. Fare clic su GROMACS Log per scaricare il file di registro contenente gli output dei comandi .gmx in sequenza sul computer dell'utente.
   3. Fare clic su Risultati per scaricare i file generati dai comandi .gmx, ad esempio _npt.gro, _pr.edr, _pr.tpr, _pr_PBC.gro e pr_PBC.xtc sul computer dell'utente.
   4. Fare clic su Figure Graphics per scaricare i grafici per l'analisi di ogni fase della simulazione in formato immagine e .xvg sul computer dell'utente.

Risultati

VD fornisce un'esecuzione di simulazione completamente autonoma che non richiede l'intervento dell'utente o risorse computazionali fornite dall'utente. Dopo aver inviato una simulazione all'esecuzione, l'utente può uscirne, spegnere i computer e la simulazione continuerà a essere eseguita. Consente inoltre agli utenti di accedere ai risultati da qualsiasi dispositivo, sia esso un laptop o un dispositivo mobile.

Come esempio di utilizzo della VD in modalità automatizzata attraverso il WEB, i...

Discussione

Automatizzare i processi non è facile, ma è anche meno difficile che riprogrammare un sistema da zero. Gromacs è attualmente il software di simulazione molecolare più popolare ed è costantemente aggiornato. Il Dipartimento di Chimica Biofisica dell'Università di Groningen lo ha inizialmente sviluppato, ed è ora gestito dal Laboratorio di Scienze della Vita dell'Università di Stoccolma⁴³.

Per ogni nuovo utente, l'apprendimento delle tecniche di simulazione è un ...

Materiali

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.