시뮬레이션
첨단 분자 역학 시뮬레이션을 위한 프로토콜
동급 최고의 도구로 생물학적 시스템 시뮬레이션
생체 분자 프로세스는 단백질, 리간드, 용매 및 이온 사이의 다양한 동적 상호작용에 의존합니다. 이러한 상호작용의 구체적인 내용은 발생하는 시간이 짧기 때문에 물리적인 실험만으로는 포착하기 어려울 때가 있습니다. 시뮬레이션을 활용하면 이러한 프로세스의 에너지론을 설명할 수 있어 작용 메커니즘과 속성에 대한 인사이트를 제공합니다.
BIOVIA Discovery Studio는 동급 최고의 분자 시뮬레이션 프로그램인 NAMD 및 CHARMm을 사용합니다. 또한, Gaussian 가속 분자 동역학(GaMD)은 최신 버전의 Discovery Studio에 구현되어, 동시에 제약 없는 향상된 샘플링과 자유롭게 에너지 계산을 수행할 수 있습니다.
- 시뮬레이션
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모델
- CGenFF, charmm36, CHARMm 등 다양한 범위의 force fields 지원
- charmm36으로 리간드를 유형화하는 MATCH 방법
- CHARMM 패칭 메커니즘의 완벽한 지원
- 매우 큰 분자 시스템에 적합한 선택적 대응 이온을 이용한 빠른 명시적 수용성 용매화 방법
- 막전위 단백질을 사전 평형화된 지질 이중층에 용매화
- MD 궤도 분석
둘러보기
- 단백질 준비를 위해 빠르고 정확한 단백질 이온화 및 잔류 pK 예측 수행
- CHARMm 기반 도킹 엔진인 CDOCKER을 사용하여 유연한 리간드 기반 도킹 및 필터링 수행
- 수용체 컨텍스트에서 다중 리간드의 포즈 최적화 수행
- 도킹된 포즈의 결합 에너지 계산
- 자유 에너지 섭동(FEP) 방법을 사용하여 일련의 동종 리간드에 대한 상대 리간드 결합 에너지를 정확하게 예측
- 다중 부위 람다 역학(MSLD)으로 모델링된 리간드 결합 라이브러리에 대한 결합의 상대적 자유 에너지 계산
- CHARMm 기반 조종 분자 역학(SMD) 시뮬레이션을 사용하여 리간드 결합 자유 에너지를 추정하고 리간드 결합 해제 연구
- CHARMm Poisson-Boltzmann(PB) 방정식을 사용하여 정전기 포텐셜 효과 검토
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분자 역학 소프트웨어 및 프로그램에 대한 FAQ
분자 역학(MD) 시뮬레이션은 시간에 따른 원자 및 분자의 물리적 움직임을 연구하기 위해 사용되는 컴퓨터 기반 방법입니다. 주어진 조건에서 원자 수준의 상호작용을 시뮬레이션하여 시스템의 복잡한 행동을 이해하는 데 도움이 됩니다.
더 정확히 말하자면, 분자 역학(MD) 시뮬레이션 방법은 시간에 따른 원자 및 분자의 물리적 움직임을 모델링하는 데 사용되는 계산 기법입니다. 이 방법은 고전 역학을 기반으로 입자(원자, 분자, 이온 등) 간의 상호작용을 시뮬레이션하며, 일반적으로 뉴턴의 운동 법칙을 사용합니다. MD 시뮬레이션은 이러한 입자 사이의 힘을 계산하여 이들의 위치가 시간에 따라 어떻게 변할지 예측함으로써 연구원들이 단백질, 핵산 또는 다양한 환경의 재료와 같은 복잡한 분자 시스템의 동적 거동을 연구할 수 있도록 합니다.
분자 역학 시뮬레이션은 약물이 원자 수준에서 대상 단백질과 어떻게 상호작용할지에 대한 인사이트를 제공합니다. 이를 통해 연구원들은 결합 관련성을 예측하고, 신약 후보를 최적화하며, 광범위한 물리 실험 없이도 효과적인 치료약을 설계할 수 있습니다.
연구원들은 MD 시뮬레이션을 통해 약물-대상 상호작용을 시각화하고, 약물 결합 안정성을 예측하며, 분자 변화가 약물 유효성에 어떤 영향을 주는지 평가할 수 있습니다. 이를 통해 잠재적 신약 후보를 빠르게 식별하고 실험 시도를 위한 시간과 비용을 절약할 수 있습니다.
MD 시뮬레이션에는 다음과 같이 다양한 유형이 있습니다.
- 고전 MD(분자 시스템에 대한 표준 시뮬레이션),
- 가속 MD(더 빠른 구조 샘플링을 위한),
- 양자 역학/분자 역학(QM/MM)(화학적 반응을 위한 하이브리드 시뮬레이션),
- Gaussian 가속 MD(GaMD), 복잡한 생체 분자 시스템에 대한 샘플링 향상.
다음은 고전적 분자 역학 시뮬레이션에서 NAMD와 CHARMm의 주요 차이점을 강조한 비교 표이며 기능, 계산 효율성, 시스템 규모 및 사용 사례와 같은 측면을 다룹니다.
| 기능 | NAMD | CHARMm |
|---|---|---|
| 주요 기능 | 대형 시스템을 위한 병렬 분자 역학 시뮬레이션에 특화된 소프트웨어입니다. | force field 계산을 중점으로 하는 분자 역학 시뮬레이션 소프트웨어입니다. |
| 개발자 | Theoretical and Computational Biophysics Group(TCBG)에서 개발했습니다. | Accelrys/BIOVIA에서 개발했습니다. |
| 계산 효율성 | 클러스터 및 슈퍼컴퓨터에서 병렬 처리를 위해 고도로 최적화되었습니다. | 소규모 시스템에 효율적이며, 대규모 병렬화에는 초점을 덜 두고 있습니다. |
| force fields 지원 | 주로 CHARMM force fields 을 사용하지만 AMBER(생체 분자 시뮬레이션 프로그램) 등도 지원합니다. | CHARMM(Chemistry at Harvard Molecular Mechanics) force field 을 기반으로 합니다. |
| 시스템 규모 | 단백질 및 막과 같은 대형 생체 분자 시스템에 적합합니다. | 소규모 시스템 및 QM/MM 시뮬레이션에 이상적입니다. |
| GPU 지원 | CUDA를 사용하는 가속화에 대해 광범위한 GPU를 지원합니다. | DOMDEC 및 OpenMM을 통해 제한된 GPU 가속화를 사용합니다. |
| 고급 기능 | 조종 MD, 복제 교환 MD와 같은 고급 시뮬레이션을 지원합니다. | QM/MM 시뮬레이션 및 리간드 도킹을 강력하게 지원합니다. |
| 사용 사례 | 단백질 및 막의 대규모 고성능 시뮬레이션에 가장 적합합니다. | 신약 설계, 리간드 도킹 및 세부 force field 분석에 사용됩니다. |
| 사용 편의성 | 병렬 컴퓨팅을 위해 일부 복잡한 설정이 필요합니다. | 소규모 시스템 또는 Discovery Studio에 통합된 경우 설정이 용이합니다. |
| 커뮤니티 지원 | 대규모 사용자 커뮤니티를 갖춘 학문 연구에 널리 사용됩니다. | 보다 특화된 분야에서 신약 개발을 위한 산업에 주로 사용됩니다. |
BIOVIA Discovery Studio를 사용한 분자 역학 시뮬레이션은 정확하게 모델링된 복합 생체 분자 상호작용을 위해 NAMD 및 CHARMm과 같은 강력한 도구를 제공합니다. 연구원들은 향상된 샘플링 및 자유 에너지 계산을 위한 Gaussian 가속 MD(GaMD)를 통해 분자 프로세스를 효율적으로 탐구할 수 있습니다. 소프트웨어는 다양한 역장 및 분자 모델링 기술을 지원하므로 신약 개발에 필수적이며, 사용자가 원자 수준에서 상호작용을 시뮬레이션, 모델링 및 분석할 수 있도록 돕습니다.
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