北京科音分子动力学与GROMACS培训班
下一届本培训举办时间见北京科音首页http://www.keinsci.com的预告栏。着急开展研究、等不及下届培训者可以购买往届培训资料自学,方式见本页面“购买往届资料”部分。仔细阅读本页面以及《北京科音办的培训班FAQ》后若对培训仍有不清楚的地方请发邮件至北京科音官方邮箱keinsci@sina.com咨询,我们会尽快回复。
本页面最后更新:2024-Dec-14
培训介绍
北京科音自然科学研究中心(http://www.keinsci.com)举办的“北京科音分子动力学与GROMACS培训班”是系统性学习分子动力学模拟的不可多得的理想途径。本培训既适合初学者从零起步迅速上手分子动力学模拟,也非常适合已经具备一定研究经验者提升整体模拟水平。本培训涉及的内容相当广泛、内容编排得详尽系统至极,对分子模拟技术和GROMACS程序的各方面都有很全面的讲解。把这个培训班的内容完全掌握并稍加举一反三,对各种类型的体系就基本都能理想、顺利地进行模拟,哪怕是培训中没有举例的模拟体系。
本培训对于分子动力学和GROMACS初学者是不容错过的。分子动力学模拟研究涉及的知识相当广泛和琐碎,GROMACS也完全不是黑箱式的程序,涉及的理论背景、概念、操作、命令、细节极多,新人光是自己啃讲授基本理论的书籍和照着网上缺乏系统性的零七八碎、只言片语的(很多还是严重误人子弟的!)资料鼓捣,极难正确摸索出门道,知识架构会漏洞百出,距离能算出有意义的数据并发表文章遥遥无期,还总是会由于犯低级错误导致白白浪费巨量时间和计算资源、投文章后被审稿人告知模拟方法存在严重不合理性而被拒或者需要重算!本培训致力于为初学者上手分子动力学计算扫清各种可能涉及到的障碍,充分理清头绪,一次性搞懂如何正确地建模、计算和恰当地分析结果。本培训内容详实程度就像宝典,即便在初学者已经入门后,时常反复复习加深印象,水平还可以再显著进一步提升。即便是由于特殊原因需要使用AMBER、NAMD、LAMMPS等其它动力学程序的初学者,本培训对他们也非常有好处,因为用不同动力学程序做模拟所需要的知识很大程度上都是共通的,一旦通过参加本培训玩转了GROMACS和VMD并同时具备了足够的分子模拟的理论知识,自己看相关手册和教程上手其它动力学模拟程序也就没有多少难度了。
值得一提的是GROMACS并没有官方教程。某网站上的某外国的GROMACS用户写的涉及几个零散例子的英文的小教程老被一些初学者莫名其妙误当做官方教程,其信息量还没有本培训的1/10多,而且里面还有一些不合理、有误导性的地方。网上没有什么教程对GROMACS有真正清晰、系统、完整的讲授,看那些零零碎碎的信息东一榔头西一棒子地学(甚至学到许多会令你严重绕弯路、偏门的东西)、来来回回试错,学习效果和效率跟通过本培训循序渐进、扎实、正确、全面地学习相比真是有天壤之别!而且看那些东西遇到问题时也很难得到解答(而学习本培训若遇到问题,随时都可以在论坛或群里求助,讲授者卢老师都是有问题必答)。
本培训的内容深度绝非仅限于初级的水平,而是入门+提高。本培训涉及的模拟体系和问题十分广泛,对模拟技术和GROMACS程序各方面有特别系统、全面和深入的讲解,并穿插讲授大量经验技巧、解决各种难点的方法,因此也非常适合已具备一定分子动力学知识和GROMACS使用经验的研究者进一步提升水平、查缺补漏。往届培训中有使用GROMACS经验超过十年的很有经验的分子动力学研究者都表示参加之后学到了很多东西,收获颇丰。值得一提的是,一些研究者自以为自己已经会做分子动力学了,但往往他们实际上只是懂一些皮毛程度的基础操作而已、能凑合把动力学跑起来,实则知识架构凌乱、知识面狭窄,大量非常重要的技术、技巧、方法、经验都没有具备,而且对一些问题还有明显错误的认识、偏见和误解,自己却长期浑然不知。参加本培训真正好好完整、正确地学一遍,对于这样程度的学员极有好处,明显有助于他们更好、更顺利地做出更优秀的成果。
本培训由于非常高的含金量、特别充实的内容以及良心的价格,得到历届参加者们的高度评价!非常欢迎点击此链接查看历届本系列培训的回顾、照片以及学员们在回帖中发表的参后感想!每次培训后在专用QQ群里都有学员对培训表示由衷的感谢,以及在计算化学公社论坛的培训回顾帖子下面发表感想。看看他们是怎么说的,随便摘录几个回帖:
附:GROMACS是什么?适合模拟什么?
GROMACS(http://www.gromacs.org)是非常流行的分子动力学模拟程序,用户数目甚至比起其它所有动力学程序总和还要多!GROMACS之所以如此流行,在于它有诸多关键性优点:速度极快(是所有主流动力学程序里基本上最快的)、开源免费、功能全面、十分灵活、用户群庞大(因此有问题很容易得到同行帮助、有同行开发的大量第三方辅助工具可用)。GROMACS是通用目的,对一个体系只要提供了合适的力场(可以是GROMACS自带的、文献中获取的、Sobtop等第三方工具产生的),GROMACS就能模拟,能研究的体系包括但绝不仅限于:气相分子、小分子溶液、离子液体、熔盐、纳米体系、固-液界面、气-液界面、分子晶体、无机矿物、金属、聚合物、蛋白质、核酸、糖类、生物膜。值得一提的是,在网上会看到有某些人声称“GROMACS主要适合的是模拟生物体系”,这完全是以讹传讹,他们对GROMACS就连皮毛程度的认识都没有。虽然GROMACS非常擅长模拟生物分子体系,但生物分子体系绝对不是强大、普适的GROMACS只擅长的!在Google学术搜索上稍微花点时间就会了解到GROMACS研究的体系和问题真是极其广泛。由于GROMACS的前述诸多优点,凡是GROMACS能计算的问题,GROMACS都是特别优先推荐使用的程序,在我们来看GROMACS是学习分子动力学模拟绝对最应当优先掌握的程序。
也应当知道GROMACS有一个明显局限性是不支持模拟动力学过程中共价键形成和断裂的情况,如果要模拟凝聚相体系动力学中涉及化学键改变的问题,可以使用CP2K程序做第一性原理动力学实现。GROMACS还有一个局限性是支持的势函数的类型不是特别多,例如描述Fe等一些金属在文献中没有GROMACS能支持的对势形式,需要用EAM等多体势才行,这在CP2K程序做动力学时可以支持。有这方面研究需求者推荐参加北京科音CP2K第一性原理动力学培训班(http://www.keinsci.com/KFP),里面有充分的相关讲解,但在参加CP2K培训之前仍强烈建议先参加一次分子动力学与GROMACS培训班系统性学习一遍动力学模拟的各方面背景知识和相关辅助分析程序的使用,这些关键内容在CP2K培训里不再重复讲授。
培训费用
每一届培训费用会酌情调整,目前培训费用如下。自费比公费便宜很多是为了尽可能减少自掏腰包学习的学员的经济压力。
• 学生自费价:1650元
• 教师(含博士后)以及企业人员自费价:1950元
• 学生公费价:2450元
• 教师(含博士后)公费价:2700元
• 企业人员公费价:3000元
购买往届资料(等同于不到现场参加。不叫线上培训):上一届培训的纸质讲义(不提供电子版ppt)、现场录音(没有现场录像)、电子资料(所有输入输出文件、补充电子文档和相关程序)、补充视频(仅包含前述的现场来不及讲的“第五天”部分)可以在任何时间向北京科音官方购买。纸质讲义通过快递发送(支持顺丰寄往海外,邮费自理),电子资料通过网盘提供。由于讲义和讲授音频都极其详细,通过这些资料自学也有很好的效果(如果对不到场学习效果有顾虑的话可以参考以往不到场学员在此帖里的评论)。如果有自学时没搞懂的,可以在下文提及的思想家公社QQ群里问,讲授者都会解答。有购买需求者可随时发邮件至北京科音官方邮箱keinsci@sina.com与我们联系,邮件里请注明要购买的培训班的名称,费用和上面列出的相同。可以开具发票以供报销,可提供邀请函。
郑重声明:本培训的讲义、录音、电子资料皆严禁擅自复制、传播、倒卖。我们会经常对互联网进行搜索,以及钓鱼方式收集证据。在计算化学领域的诸多学术QQ群里、公众号、频道up主的订阅者里也都有大量北京科音往届的学员,当他们发现非法利用培训资料的行为时都会向我们举报。每本讲义在印刷时都加入了大量隐藏标记,并且在发放时做了登记,我们根据讲义内容可以直接查出来领取的学员姓名和联系方式。非法利用我们的培训资料的行为一经发现,必将严厉对涉事者追究法律责任、要求赔偿北京科音的经济损失、通报相关学校/单位。同时敬告某些人,切勿试图通过非正规途径获得本课程资源,否则一定会被坑,得到的会是过时版本(北京科音的讲义更新得很频繁)、残缺不全的资料、文字和图片模糊不清,等于花钱白打水漂,而且还无法通过身份核验而在思想家公社QQ群里成为VIP成员,因此得不到本培训讲授者卢天老师的专业、详细、耐心的答疑(答疑内容包括但不限于课上讲授的)。
培训内容
注:以下没有专门提及的信息在《北京科音办的培训班FAQ》(http://bbs.keinsci.com/thread-5098-1-1.html)里基本都能找到答案。
培训中的我们精心制作的幻灯片多达近1700页,提供的输入输出文件、脚本文件等多达1800多个。培训在现场授课四天(4*8=32小时,答疑时间另计)。由于本培训的信息量超级大,有限的4天时间内讲不完,因此我们还向学员提供约10个小时的补充视频,相当于额外又讲了一天多的信息量,所以本培训可以视为是4+1天的课程。
培训有专属的QQ群,现场培训结束后两周内如果对培训所讲的内容有任何疑问、没完全搞懂的地方都可以尽管在群里提问。即便在群解散后,我们依然会在精力允许的情况下无限期、无偿地在总计超过一万人的规模巨大、十分活跃的综合性计算化学QQ群“思想家公社”和高度专业、人气特别高的计算化学论坛“计算化学公社”中对学员学习培训内容和科研过程中遇到的问题进行解答。学员的重要专属福利:参加本培训的学员,在思想家公社QQ群里经管理员核验报名信息后,可以成为永久VIP成员,讲授者(即群主Sobereva)在回复VIP成员的提问时会远比回复普通群成员的优先级高得多、具体得多!详见公社QQ群VIP制度。参加过本培训,就相当于进入了真正专业的分子动力学和GROMACS使用者的圈子!
本培训讲授者为北京科音自然科学研究中心主任卢天,有超过17年分子模拟研究经验与GROMACS使用经验,从2006年起在互联网上长年累月义务解答巨量分子动力学与GROMACS方面的各种疑问,也是知名的强大的GROMACS拓扑文件创建程序Sobtop的开发者。个人介绍见北京科音官网的“人才队伍”页面。
经常有人询问零基础者参加本培训能不能行,实际上没有丝毫问题。培训会对分子动力学知识和GROMACS及相关程序的使用从头讲起,有高中程度的物理和化学知识,以及知道微积分是什么,就足以学习本课程。由于本培训信息量巨大,内容极为充实紧凑,基础越薄弱的学员越需要在参加时聚精会神听讲、在课后反复复习讲义并勤加练习。
本培训的内容每一届都会进行更新、修补、改进,并始终使内容与时俱进。因此参加过一次之后,隔两、三年若再次参加,又明显会有很多新的收获,而且届时以不到场方式参加还可以享受优惠价。
目前本培训主要内容和讲授顺序如下,各主题的ppt页数一并列出:
- 分子动力学与GROMACS概述(90余页):介绍分子动力学的基本概念、适用的问题、常规模拟流程、GPU加速、购机配置、相关期刊等。讲解文献中大量分子动力学例子,以使得学员对于分子动力学能研究的问题、体系和特点有充分感知。对GROMACS的优点、缺点、版本历史与变化进行介绍
- 分子力场(近160页):详细介绍分子力学和分子力场基本概念(各种成键项和非键项、对氢键的考虑、原子类型、LJ参数组合规则、力场参数的通配、缺参数时的处理、力场的混用、全原子与联合原子、力场参数的获得)。然后依次详细介绍常见的分子力场,包括GROMOS系列、OPLS系列、AMBER系列、GAFF/GAFF2、GLYCAM、CHARMM系列、CGenFF、Dreiding、UFF、CFF、CVFF、PCFF、COMPASS、MM系列、TraPPE、KBFF、CLAYFF、INTERFACE、Merz的离子力场、phosaa14SB/19SB等等。介绍分子力场中可以使用的原子电荷(RESP、RESP2、ADCH、EEM、QEq、CM5、AM1-BCC、ABCG2、MMFF94等)的特点和产生方法。最后介绍ReaxFF、Reactive INTERFACE (IFF-R)、REBO反应力场
- 分子动力学的基本原理与算法(约110页):全面介绍分子动力学涉及的相关知识和模拟技术,包括相空间、系综、时间平均与系综平均、统计热力学量(热容、内能、自由能、熵、压力、温度等)的计算原理、能量极小化算法(最陡下降法、共轭梯度法、准牛顿法等)、运动方程积分算法(Verlet、leap-forg等)、周期边界条件的概念/意义/各种应用的注意事项、非键作用的计算(截断法、Twin-range、邻居列表、charge group、切换函数、位移势、Ewald、PME、SPME、PPPME、反应场、色散作用的能量-压力修正)、热浴的思想以及各种主流控温算法(随机碰撞方法、速度调节法、Berendsen、Nosé-Hoover、Velocity-rescale,以及相关问题如热溶剂冷溶质问题、flying ice-cube问题等)、压浴的思想以及各种主流控压算法(Berendsen、Parrinello-Rahman、stochastic cell rescaling)、系综与热浴/压浴的关系、限制/约束/冻结的概念、Langevin动力学、蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟简介。其中还讲解与模拟息息相关的问题,诸如步长的选择、结果的可重复性问题、盒子应当怎么设合适、什么时候才适合用NVT而非NPT、什么情况才需要区分平衡相和产生相
- 溶剂模型(50多页):介绍显式溶剂模型(盘点SPC、SPC/E、TIP3P、TIP4P、TIP4P-Ew、OPC、OPC3、TIP4P-ice、TIP5P、TIP5P-BG/TIP5P-BGT、TIP7P、OPC3-pol等20余种水模型,对比优缺点,介绍水模型与力场的搭配、水模型的参数化思路、可极化水模型、重水的模型)和隐式溶剂模型(详解GB模型的原理、各种有效Born半径计算方法的差异、PB模型、非极性部分的计算、ALPB等其它溶剂模型)、疏水效应
- GROMACS的使用基础(180余页):GROMACS及AmberTools、Packmol等模拟涉及的程序的编译安装、GROMACS的基础知识(支持的任务类型和力场、程序目录结构、各种输入输出文件类型、主要使用流程)、pdb/gro/xvg文件格式介绍、拓扑文件介绍(详解拓扑文件的atoms、bonds、angles、dihedrals、constraints、system、molecules、defaults、atomtypes、bondtypes、dihedraltypes、pairs等各种字段的用处、定义方式和具体逻辑、预处理指令、与结构文件的对应等各方面细节)、力场文件(详细介绍力场目录下各种文件的内容和用处、程序决定成键/非键/1-4作用参数的方式等)、组的概念(组的用处、默认的组、详解使用make_ndx灵活地创建索引文件)、mdp关键词(全面深入解读常用的关键词的用法,并提供适用于不同场合的mdp模板)、GROMACS自带的命令(通用的选项、常用的参数、详解各种常用的命令,包括editconf、solvate、insert-molecules、genion、grompp、mdrun、trjconv、energy、dump,并简单介绍其它所有不常用的命令。还详细介绍mdrun的并行机制、域分解、动态负载、性能调优、GPU加速等问题)。之后介绍相关问题,包括从轨迹的某个时刻续跑、模拟崩溃(blowing up)的原因、如何寻找导致模拟崩溃的因素、虚拟点的概念、GROMACS常见的提示的含义和考虑、添加最新的CHARMM36力场/OPLS-AA/M力场/GROMOS54A8力场/AMBER14SB+parmbsc1力场/AMBER14SB+OL15 DNA+χOL3 RNA力场的方法、加磁场、GROMACS与其它动力学程序的拓扑和轨迹文件转换等。最后介绍使用GROMACS过程中离不开的作图程序Grace的用法
- VMD的使用(约100页):非常全面、系统、深入地介绍结构和动力学轨迹可视化程序VMD的使用。内容包括:介绍VMD的基本特点、安装方法、程序文件、VMD窗口中各个按钮选项的使用、结构和轨迹文件的载入和保存、调整视角、修改结构、原子/键/键角/二面角的测量以及随时间变化的导出、通过脚本显示所有原子编号、解释周期性轨迹显示时胡乱连键问题、深入详细介绍设定体系显示方式的方法、详解VMD选择语句的使用、介绍轨迹和体系旋转的动画文件的制作。讲解如何在VMD里充分调节显示效果(背景色、抗锯齿、景深、视角的剪裁、透视与正交、材质设定、图像的渲染、光线追踪、背景虚化和焦距)。介绍VMD自带的几十种插件。介绍VMD许多技巧,诸如保存显示状态、自定义有用的快捷键、让原子连接关系随轨迹播放自动更新、修改默认颜色/材质设置的文件、显示周期镜像、令轨迹看起来平滑、同时显示多帧结构、保存和恢复自定义连接关系、通过命令显示和设定盒子、播放轨迹时实时在图上显示时间、绘制不同样式的虚线、确保VMD中的原子连接关系与GROMACS拓扑文件中的成键方式相一致、令VMD载入GROMACS的tpr文件和Multiwfn产生的chg文件。最后,对VMD自带的TopoTools的用法进行介绍。
- VMD分析脚本的编写(90多页):介绍VMD中内嵌的Tcl语言的基本语法,然后详细介绍VMD中内置的各种命令(atomselect、measure、molinfo、mol、label、各种绘图命令、向量运算、视角设定命令、几何变换命令等等)。然后以约30个讲授者自写的VMD脚本为例子,说明如何将Tcl语言和VMD内嵌的命令相结合,写出能实现各种分析处理的脚本(比如显示某一范围内原子数目随时间的变化、统计特定区域特定时间段内某类分子出现的数目、统计氢键的分布特征以及数目随时间的变化、考察溶剂可及表面积随模拟过程的变化、将运动轨迹连线来描绘所有粒子的运动路径、自定义保存视角和恢复视角的命令、计算整个轨迹中两组间质心距离随时间的变化、将距离较近的分子质心连线、计算蛋白质中各种二级结构出现比例等等)。认真学过这部分之后就会成为分子动力学轨迹分析脚本编写的高手。之后,对MDtraj、MDanalysis、MDTRA、Pteros、LOOS、pytraj、MMTSB等十种可用于结构、轨迹分析的程序或库进行简要的介绍。学习过这部分内容后,学员将深刻感觉到利用VMD的Tcl脚本几乎没有实现不了的轨迹分析。
- Packmol的使用(约30页):全面、系统讲授构建模拟初始体系最重要工具之一的Packmol的用法,详解输入文件中各种关键词的使用,示例如何构建种类多样、特征各异的体系
- 均相体系的模拟与性质的计算(约190页):介绍均相体系标准模拟流程,然后通过SPC/E水盒子介绍如何模拟不同性质,包括内能、温度、焓、压力、密度、均方位移、扩散系数(顺带介绍它和离子迁移能垒、电解质的电导率之间的关系)、粘度、静态介电常数、体积热膨胀系数、等压热容、等容热容、等热可压缩系数、蒸发焓、径向分布函数、偶极矩及其波动的统计。介绍如何对氢键特征进行统计(如数目变化、键长分布、氢键寿命、特定片段间氢键存在状态图、平均每个水形成的氢键)。介绍电场下的模拟以及用h2order工具统计水分子的朝向。介绍使用GROMACS非内置的最佳三点水模型OPC3、最佳四点水模型OPC以及最适合模拟冰的水模型TIP4P/Ice的方法。之后专门介绍冰的模拟,包括冰的结构构建方法、用VMD展现氢键分布方法、升温对冰的状态影响的考察、结冰过程的模拟等,顺便介绍强大的生成冰结构的程序genice2的使用方法。顺便通过冰晶胞的强制伸展过程的动力学模拟、冰的剪切过程的动力学模拟来演示deform功能的使用和意义。然后介绍乙醇盒子的模拟,期间重点说明对于一个新的分子如何构建其拓扑文件,会介绍Sobtop、ATB、Antechamber、acpype、MKTOP、LigParGen等诸多工具,其中由卢天开发的灵活强大的Sobtop(http://sobereva.com/soft/Sobtop)工具会着重介绍,同时介绍如何使用Multiwfn计算适合分子动力学模拟的RESP和RESP2电荷。接下来介绍乙醇与水按照特定比例混合体系的模拟流程。然后示例如何基于GAFF力场模拟含有铵根、硫酸根、硝酸根这些多原子阴/阳离子混合的电解质水溶液。最后示例基于LigParGen产生的拓扑文件模拟水中的咖啡因。此部分末尾还顺便对GROMACS的选择语句(selection)的用法进行详细介绍
- 多相体系的模拟(40多页):气-液界面体系的计算(包括水-真空和氯化钠水溶液-真空体系。介绍如何计算表面张力、如何考察粒子分布曲线),水-乙醇互溶现象的模拟(通过用gmx的命令和自写脚本考察此过程氢键数目变化来讨论互溶过程),水-正辛醇自发相分离现象的模拟(通过轨迹和SASA变化曲线讨论正辛醇自组装进程),以乙醚在水与甲苯之间的分配为例子演示通过分子动力学考察萃取过程。最后讲解wall的使用,详谈mdp里wall相关的选项的设置方式,并给出在wall下做水+甲苯两相模拟的具体实例以令学员充分领会设置wall的实际用处
- 气相分子、分子团簇与纳米液滴的模拟(60余页):模拟体系包括治疗II型糖尿病的常用药物Actos的单体(在真空中的常温和高温模拟、通过周期性退火方法做构象搜索、用angle命令考察二面角分布和随时间的变化),Actos四聚体(考察自组装过程,包括gyrate命令做回转半径分析、cluster命令做簇分析、利用energygrps设定做单体间相互作用能分析、用enemat绘制相互作用能矩阵图),环糊精+多巴胺复合物(动力学行为及退火方式的构型搜索),水球(考察蒸发现象、用clustsize命令考察簇分布情况、考察自由体积随时间的变化,以及水汽的凝结、电场下的行为),水-甲苯溶液球(图形化考察两类分子在纳米液滴中的分布特征,也包括通过自写脚本分析二者在液球不同径向距离上数密度的分布差异)
- 蛋白质的模拟(220多页):全面概述蛋白质结构生物学的基础知识(各种氨基酸类型,蛋白质的结构层次,螺旋,折叠,转向,卷曲,二硫键,盐桥,蛋白质结构形成的时间尺度,骨架二面角参数的定义,Ramachandran图,残基原子的标准命名,残基侧链质子化状态的确定,抗衡离子,蛋白质结构的实验测定技术,蛋白质结构预测方法(包括Alphafold),生物大分子结构的获取方式,蛋白质结构的缺失的处理,不对称单元与装配),详解pdb2gmx命令的用法、相关文件和内部机制。之后通过不同的蛋白质体系,讲解对不同特点的蛋白质怎么处理、怎么分析。首先是十分简单的蛋白质泛素1UBQ模拟(期间讲解蛋白质模拟标准流程,结构的获取、初步检查与预处理,加溶剂加盒子加抗衡离子,限制性动力学,消除体系的平动与转动,对轨迹去水,检查蛋白与其镜像距离,考察蛋白质的RMSD曲线,对残基RMSD作填色图分析,定量和图形化考察RMSF和B因子,绘制Ramachandran图,分析骨架psi、phi角度,不同方式考察二级结构的变化,考察疏水/亲水/总SASA的变化,分析残基间的距离矩阵,详细分析蛋白内氢键特征,分析盐桥,介绍蛋白质骨架运动的可视化方法、残基运动的可视化方法,考察残基间的距离与接触情况,考察螺旋的基本结构参数,Bendix方法做螺旋弯曲度的分析,考察蛋白质表面附近水的分布,研究高温对蛋白质行为的影响)。然后是蛋白内含离子且是双链的钙调素2BBM的模拟例子(将通过自写脚本统计平均每个钙离子附近4埃内蛋白质上的氧的原子数目考察离子的稳定程度)。之后是含二硫键的蛋白质蜘蛛毒素(1OMB)的模拟(此例侧重说明对二硫键的处理方法)。之后是GBSA隐式水模型下模拟1L2Y蛋白的例子。之后通过crambin蛋白质在CHARMM36m力场下的模拟的例子顺便详细讲解使用棱形十二面体盒子以最划算的方式模拟蛋白质。最后将给出一般蛋白质模拟套路的常用命令总结。这一部分还有附加内容:对预测残基和配体pKa的PROPKA3程序及其VMD图形界面插件的使用进行示例,介绍通过PDB2PQR在线服务器得到根据特定pH恰当加氢的结构以及补全缺失的重原子,介绍ProteinPrepare在线程序,介绍用于检查、处理、修补蛋白质结构的WHAT IF在线服务器,介绍PDBFixer蛋白质pdb文件处理和修补工具。
- 蛋白质-配体复合物的模拟(40余页):以AMBER+GAFF力场下模拟胰蛋白酶-苄脒阳离子复合物为例介绍模拟方法(详细介绍怎么构建配体拓扑文件并且与蛋白质合并、如何分析配体在蛋白质中的状态、如何深入考察配体-蛋白之间的氢键特征)。还顺便介绍很流行的、通过二维图像方式展现蛋白-配体氢键和疏水作用的ligplot+程序的使用。还介绍ProteinPlus在线服务器的使用,其中Protoss工具对于给配体恰当加氢非常有实际价值,PoseView工具能够得到类似ligplot的图直观展现蛋白和配体相互作用,DoGSiteScorer能够寻找出蛋白质中可能与药物分子结合的口袋。
- 核酸的模拟(约20页):介绍核酸的结构生物学方面的基本知识,然后通过AMBER14SB-parmbsc1力场对DNA片段2M2C为例演示如何进行模拟,并讲解如何考察模拟过程中骨架运动特征、不同区域构象稳定程度、体系中的氢键情况。还特别提及用CHARMM力场计算核酸需要注意的事项
- 生物膜与膜蛋白的模拟(70余页):系统介绍磷脂、磷脂膜和膜蛋白的基本特征,介绍各种常见的膜力场如Kukol、Poger、Slipids、Berger等,介绍磷脂膜体系模拟要点(比如消除平移设定、去水、温度的选择、半各向异性控压、磷脂数目选择),介绍构建磷脂膜的不同方法。之后以DPPC磷脂双层膜的模拟为例子讲解全套模拟过程以及分析方法(磷脂头部平均表面积
、膜的可压缩度、数密度分布、有序度参数、侧向扩散系数、磷脂的运动路径的图形化展现)。然后讲膜蛋白的模拟,将重点介绍各种将蛋白质嵌入膜的方法。通过模拟1a11跨膜蛋白在DPPC膜的实例,演示membed方法构建跨膜蛋白体系,以及如何通过现成工具和自写脚本分析膜蛋白在磷脂膜中的朝向变化。最后通过DMPC+POPC体系讲解混合膜模拟体系的完整构建过程(利用我们自行开发的genmixmem程序)、模拟过程和模拟要点 - 纳米球、管、板的模拟(40余页):此部分包含三个模拟例子。体系1是真空下碳纳米管+富勒烯,通过此例详细讲解怎么产生纳米管结构、怎么通过x2top构建纳米体系的拓扑文件、怎么分析纳米管与富勒烯的相对运动特征。体系2是浸在水中的碳纳米管,将说明怎么抠掉纳米管中的水,怎么从定量数据和平面图上考察水侵入管的过程以及水在管中的分布特征。体系3是无限延展的石墨烯+纳米水滴,将着重说明怎么合理地模拟跨越盒子无限延展的体系,并且还考察纳米液滴在石墨烯表面上的铺展特征。最后还简要介绍如何实现氮化硼纳米体系的模拟,还介绍Sobtop在创建周期性体系的拓扑文件上相较于x2top的各种重要优点,令学员明白为什么应当在实际研究中用Sobtop代替局限性极大的x2top。
- 金属的模拟(约70页):介绍适合在GROMACS里用的金属的力场、如何添加进GROMACS。之后示例金纳米棒的模拟,将通过自写脚本考察纳米棒的半径和长度波动,并介绍拉伸动力学,演示对纳米棒两端进行拉伸、压缩、剪切、摩擦的方法,分析模拟现象(粒子位置的变化、缺陷的形成)和拉伸过程的受力。接下来示例金属-水界面的模拟方法,分析水在金属表面氢键分布特征、垂直于金属表面的数密度分布。最后演示单个金原子高速撞击金板的过程,分析撞击时能量的传播、粒子与板的温度变化和能量交换,并且演示如何在VMD里通过原子着色十分直观地考察动能在金属板中的主要传播路径
- 用aNCI与空间分布函数方法分析分子间相互作用(50余页):介绍极为流行的分析弱相互作用的NCI方法,以及将其扩展到分析分子动力学过程中弱相互作用特征的aNCI方法。通过水盒子实例,演示怎么基于GROMACS的模拟轨迹,通过本培训讲授者开发的强大的Multiwfn程序来图形化直观展现水与周围的水的相互作用区域、作用强度以及作用的稳定程度。同时还介绍如何利用空间分布函数结合rdf考察水之间的相互作用。之后,通过苯酚浸在水盒子的模拟体系,用aNCI考察苯酚与水之间的范德华作用、常规氢键和π-氢键特征,用aNCI考察配体-蛋白的相互作用。
- 分子动力学相关书籍(20余页):介绍与分子动力学有关的各种国内外专著,使学员掌握本课程内容后可以进一步提高
其它相关说明
之所以北京科音的基础性分子动力学培训是结合GROMACS来讲授,而不单独开设AMBER动力学程序的培训班,这是因为对于大多数分子动力学研究者所涉及的体系和模拟方法来说,GROMACS明显更为好用,更为灵活,速度更快,自带力场更多且更容易扩充,有更多的第三方辅助工具可用,而且完全免费,用户数目也是AMBER用户的至少3倍以上(其它所有动力学程序的用户总量的加和才与GROMACS用户数相近,见http://sobereva.com/599)。AMBER比GROMACS的优点主要仅在于支持一些高级模拟和分析方法,这些内容在北京科音的高级分子动力学培训班里才会讲授。AMBER官网上有非常全面的教程,但需要具备动力学模拟的基础知识才能比较好地领会。只要把北京科音分子动力学与GROMACS培训班的东西充分消化了,再看AMBER官网上的教程就没有压力、可以很快上手了。NAMD、CHARMM、Tinker相对而言更为小众向,使用必要性更低,所以我们没有专门办相应培训的打算。
Lammps的用户也不少(但只有GROMACS的几分之一),主要适合用于材料和力学特征方面的模拟,与GROMACS虽然也有交集但是不大,凡是GROMACS适合研究的问题,GROMACS都远比LAMMPS好用而且速度还快得多得多。GROMACS与Lammps的关系建议参看http://bbs.keinsci.com/thread-13355-1-1.html的6楼以及http://bbs.keinsci.com/thread-12090-1-1.html的讨论。即便你是用Lammps算材料类型体系的研究者,参加本培训也非常有好处,因为模拟的算法和原理、力场的形式、程序的设计思想,以及很多可视化及辅助分析程序(如VMD及其tcl脚本的编写)在很大程度上都是共通的。
参加过本培训并且将讲授的内容充分消化后,再自学其它的模拟程序时也会感觉容易得多。
值得一提的是,目前社会上山寨科研培训极多,各种虚假宣传并且以偷鸡摸狗的方式疯狂滥发广告,质量特别低劣却价格贵得离谱(内容不足本培训的1/10多,价格却是本培训的两倍以上!),很多病急乱投医的人花了几千块钱什么也没学到还打击了自信心,关于这点在《辨别山寨坑钱科研培训的关键九点》中有专门提及,请大家务必谨慎分辨避免上当受骗。另外,网上还有不少机构兜售的一些粗制滥造的GROMACS视频课程,大家不要轻易购买,这类视频基本都是些零七八碎的操作演示,没有什么含金量和干货,也都没有像样的幻灯片,因此看这种视频顶多只能学到一些操作上的皮毛(往往还是错的),完全无法系统性地掌握模拟的相关原理和程序的用法,学完了还是一头雾水、没有任何实感,更不知道怎么开展自己的研究。参加我们培训的一些学员向我们表示他们之前参加那些培训、买一些视频课完全是白白花了冤枉钱。如果不明白这些山寨培训和粗制滥造的视频课与高含金量的北京科音举办的培训的天壤之别的话,不妨来看看精心制作的北京科音分子动力学与GROMACS培训班的讲义是什么水准,随机抽取6页如下所示,可见各种知识、要点、细节都讲得相当清楚,而且极尽严谨和考究,幻灯片是真正呕心沥血制作出来的。