Simulations
Protocoles conçus pour les simulations de dynamique moléculaire de pointe
Simuler des systèmes biologiques à l'aide d'outils de référence
Les processus biomoléculaires reposent sur une variété d'interactions dynamiques entre les protéines, les ligands, les solvants et les ions. Il est souvent difficile de saisir les détails de ces interactions par les seules expérimentations physiques étant donné la courte période sur laquelle elles se produisent. La simulation peut contribuer à élucider la dynamique énergétique de ces processus en fournissant des informations sur leurs propriétés et les mécanismes d'action à l'œuvre.
BIOVIA Discovery Studio utilise des programmes de simulation moléculaire de référence, NAMD et CHARMm. De plus, la dernière version de Discovery Studio comprend également la méthode GaMD (Gaussian accelerated Molecular Dynamics), qui permet de réaliser un échantillonnage simultané amélioré sans contraintes et de calculer l'énergie libre des biomolécules.
- Simulation
- Modélisation
- Test
Simulation
- CHARMm
- NAMD
- Effectuer des simulations de dynamique moléculaire (MD) explicites basées sur des solvants
- Solvater une protéine avec une membrane explicite et exécuter des simulations MD
- DMol3/CHARMm
- Calculer les énergies en un seul point ou effectuer des minimisations des complexes récepteur-ligand à l'aide de simulations hybrides QM/MM (mécanique quantique/mécanique moléculaire)
- Implémentation de l'approche GaMD, qui permet de réaliser un échantillonnage simultané amélioré sans contraintes et de calculer l'énergie libre des biomolécules
- Configurer et exécuter un équilibrage GaMD, en paramétrant automatiquement les potentiels d'amplification nécessaires
- Exécuter et redémarrer les simulations GaMD
- Évaluer un paysage d'énergie libre à partir d'un ensemble de trajectoires MD, permettant une repondération statistique des simulations GMD
Modélisation
- Prise en charge d'un large éventail de champs de force, notamment CGenFF, charmm36, CHARMm et bien d'autres encore
- Méthode MATCH (Multipurpose Atom-Typer for CHARMM) pour définir le type des ligands avec charmm36
- Prise en charge complète du mécanisme de « patching » CHARMM
- Méthode rapide de solvatation aqueuse explicite avec contre-ions en option adaptés aux très grands systèmes moléculaires.
- Solvatation de la protéine transmembranaire dans une bicouche lipidique pré-équilibrée
- Analyse des trajectoires MD
Test
- Effectuer des prédictions rapides et précises d'ionisation des protéines et de pK de résidus lors de la préparation des protéines
- Utiliser CDOCKER, un moteur d'amarrage moléculaire (docking) basé sur CHARMm pour effectuer un amarrage et un affinement flexibles basés sur les ligands
- Optimiser la position de plusieurs ligands dans le contexte d'un récepteur
- Calculer les énergies de liaison des positions d'amarrage
- Prédire avec précision l'énergie relative de liaison de ligands appartenant à une série de même type à l'aide de la méthode FEP (Free Energy Perturbation)
- Calculer l'énergie libre relative de liaison pour une bibliothèque combinatoire de ligands modélisée par MSLD (Multi-Site Lambda Dynamics)
- Estimer l'énergie libre et étudier l'absence de liaison de ligand à l'aide de simulations SMD (Steered Molecular Dynamics) basées sur CHARMm
- Examiner les effets du potentiel électrostatique à l'aide de l'équation de Poisson-Boltzmann (PB) CHARMm
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FAQ sur les logiciels et les programmes de dynamique moléculaire
Une simulation de dynamique moléculaire (MD) est une méthode informatique utilisée pour étudier les mouvements physiques des atomes et des molécules dans le temps. Elle permet de comprendre le comportement de systèmes complexes en simulant des interactions au niveau de l'atome dans des conditions précises.
De manière plus précise, la méthode de simulation dite dynamique moléculaire (MD) est une technique de calcul permettant de modéliser les mouvements physiques des atomes et des molécules dans le temps. Elle simule les interactions entre les particules (telles que les atomes, les molécules ou les ions) à partir de mécanismes classiques, généralement à l'aide des lois du mouvement de Newton. En calculant les forces entre ces particules, les simulations MD prédisent l'évolution de leurs positions dans le temps, ce qui permet aux chercheurs d'étudier le comportement dynamique de systèmes moléculaires complexes tels que les protéines, les acides nucléiques ou les matériaux dans différents environnements.
Les simulations de dynamique moléculaire fournissent des informations sur les interactions entre les médicaments et leurs protéines cibles au niveau atomique. Cela permet aux chercheurs de prédire les affinités de liaison, d'optimiser les candidats aux médicaments et de concevoir des thérapies plus efficaces sans devoir se lancer dans de grandes expérimentations physiques.
Les simulations MD permettent aux chercheurs de visualiser les interactions entre les médicaments et les cibles, de prédire la stabilité de la liaison du médicament et d'évaluer l'impact des changements moléculaires sur l'efficacité d'un médicament. Il est ainsi plus rapide d'identifier d'éventuels candidats médicaments et de réduire la durée et le coût des essais expérimentaux.
Il existe plusieurs types de simulations MD :
- MD classique (simulation standard des systèmes moléculaires)
- MD accélérée (offrant un échantillonnage plus rapide des conformations)
- QM/MM (mécanique quantique/mécanique moléculaire) (simulations hybrides pour les réactions chimiques)
- GaMD (Gaussian accelerated MD), qui améliore l'échantillonnage des systèmes biomoléculaires complexes
Voici un tableau comparatif mettant en évidence les principales différences entre les programmes NAMD et CHARMm dans les simulations de dynamique moléculaire classiques. Il couvre divers aspects, tels que la fonctionnalité, l'efficacité computationnelle, la taille du système et les cas d'utilisation :
| Fonctionnalité | NAMD | CHARMm |
|---|---|---|
| Fonction principale | Spécialisé dans les simulations de dynamique moléculaire en parallèle pour les grands systèmes. | Logiciel de simulation de dynamique moléculaire axé sur les calculs de champs de force. |
| Développeur | Développé par le TCBG (Theoretical and Computational Biophysics Group). | Développé par Accelrys/BIOVIA. |
| Efficacité computationnelle | Hautement optimisé pour le traitement parallèle sur les clusters et les supercalculateurs. | Performant pour les systèmes plus petits ; moins axé sur la parallélisation à grande échelle. |
| Prend en charge les champs de force | Utilise principalement les champs de force CHARMM, mais prend en charge d'autres programmes, dont AMBER (suite de programmes de simulation biomoléculaire). | Basé sur le champ de force CHARMM (Chemistry at Harvard Molecular Mechanics). |
| Taille du système | Adapté aux grands systèmes biomoléculaires, tels que les protéines et les membranes. | Idéal pour les systèmes plus petits et les simulations QM/MM. |
| Prise en charge de GPU | Prise en charge étendue de GPU pour l'accélération à l'aide de CUDA. | Accélération limitée du GPU via DOMDEC et OpenMM. |
| Fonctionnalités avancées | Prend en charge les simulations avancées telles que les méthodes SMD (Steered Molecular Dynamics) et REMD (Replica-Exchange Molecular Dynamics). | Prise en charge solide des simulations QM/MM et de l'amarrage (docking) de ligands. |
| Cas d'utilisation | Idéal pour les simulations hautes performances et à grande échelle de protéines et de membranes. | Utilisé dans la conception de médicaments, l'amarrage de ligands et l'analyse détaillée des champs de force. |
| Facilité d'utilisation | Nécessite une certaine complexité de configuration pour le calcul parallèle. | Plus facile à configurer pour des systèmes moins grands ou lorsqu'il est intégré à Discovery Studio. |
| Soutien de la communauté | Largement présent dans la recherche universitaire, comptant une vaste communauté d'utilisateurs. | Programme de niche, souvent utilisé par l'industrie dans la découverte de médicaments. |
Les simulations de dynamique moléculaire disponibles dans BIOVIA Discovery Studio proposent de puissants outils tels que NAMD et CHARMm pour modéliser avec précision des interactions biomoléculaires complexes. Grâce à la méthode GaMD (Gaussian accelerated Molecular Dynamics) qui améliore l'échantillonnage et les calculs d'énergie libre, les chercheurs peuvent tester les processus moléculaires de façon extrêmement efficace. Le logiciel prend en charge divers champs de force et techniques de modélisation moléculaire. Il joue donc un rôle essentiel dans la découverte de médicaments, en facilitant la simulation, la modélisation et l'analyse des interactions au niveau atomique.
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