Copyright (C) Pengfei Li & Kenneth M. Merz Jr. 2015

MCPB.pyによるBonded Modelの構築 (AmberTools15以上が必要)

MCPB.pyの使用方法:

Usage:

MCPB.py [flags] [options]

options: -i input_file -s/--step step_number

flags: -h/--help help message


ここでは例としてその金属部位に3残基のHisと1分子のMNS(5-(ジメチルアミノ)-1-ナフタレンスルホン)リガンドを有する亜鉛酵素(1OKL PDB ID)を使用している。新しいディレクトリを作成し、その中にすべてのプロセスのファイルを入れる。MCPB.pyは、モデリング中にいくつかの中間ファイル(例えば、 フィンガープリント)が必要になる。ヘム残基内のFeイオンなどのように残基内部に金属イオンを持つシステムでは、モデリングを実行するために独立した残基に鉄を抽出することができる。または、特定のソフトウェア·フレームワークが原因でモデル化の際にバグがでることもある。


1. PDBやMOL2ファイルの作成 (effort: < 1 hour):

一般的に、タンパク質のPDBファイルが必要なのでPDB version 3.0 のフォーマットを採用する。残基名スキームはAMBERの方式(例えば、HISにたいしてはHID、HIE、HIPなど)の命名と同じである。例えば、金属イオン、水と配位子などの非標準残基に対してはMOL2ファイルを準備する必要がある。

オリジナルpdbファイルは: 1OKL.pdb.

1) 非標準残基のためのPDBやMOL2ファイルの:作成

リガンドに関して

ここでは、AmberToolsのソフトreduceを用いてリガンドに水素を追加するか、もしくは必要に応じてGaussianViewのようなグラフィックソフトによりマニュアルで水素を付加する。(例えば、reduceによるプロトン付加が間違っている場合)

PDBファイルにリガンドMNSをコピーMNS: MNS.pdb

水素を追加するためにreduceを使用する。:

reduce MNS.pdb > MNS_H.pdb

亜鉛イオンの連結している窒素原子の一つの水素を削除する。変更後のPDBファイル: MNS_fixed_H.pdb

その後、非標準残基についてMOL2ファイルを生成するためにantechamberを使用し、リガンドが-1の電荷を有する電荷を生成するために、AM1-BCC charge methodを使用する。GAFF原子タイプを使用して原子を扱う。

antechamber -fi pdb -fo mol2 -i MNS_fixed_H.pdb -o MNS_pre.mol2 -c bcc -pf y -nc -1

MNS_pre.mol2 をチェック後、MNS_pre.mol2ファイルには"du"原子タイプが存在しないことに注意する。それで、MNS.mol2 と名前を変更する。(リマインダー:MOL2ファイル名はMCPB.py modeling中の残基名と同じでなければならない)。

次のコマンドを実行して、リガンドに対するfrcmodファイルを作成する:

parmchk -i MNS.mol2 -o MNS.frcmod -f mol2

frcmodファイルをleapモデリングに使用

金属イオンについて

リガンドと同様に、我々は、ZnイオンをPDBファイルへコピーすることができ(ZN.pdb)、その後、antechamberでMOL2ファイルを生成する。

antechamber -fi pdb -fo mol2 -i ZN.pdb -o ZN_pre.mol2 -at amber -pf y

その後、手動でZN_pre.mol2中の原子タイプと電荷を変更することができる。ここで、と亜鉛イオンを原子タイプ「ZN」として取り扱い、荷電を2.0をにする。変更後のMOL2ファイル: ZN.mol2

水について

モデリング中に結晶水(複数可)を持たすためには、PDBファイル(例えばWAT.pdb)をモデルの中にコピーすることができ、次いでtleap使用し水の分子(複数可)に水素原子を追加する。

tleap -s -f wat_tleap.in > wat_tleap.out

WAT_H.pdbの結晶水に水素原子を添加された WAT_H.pdb ファイルをが作成される。

antechamberを使用し、水の分子(複数可)のMOL2ファイルを生成する。ここでは、AMBERの原子タイプを使用してその原子を扱う。

antechamber -fi pdb -fo mol2 -i WAT_H.pdb -o WAT.mol2 -at amber -c bcc -pf y

2) ついですべての標準残基を含むPDBファイルを作成する。

ウェブサーバH++を PDBファイルの水素原子を添加に使用できる。(ここではデフォルトの設定を使用する)。H ++は、モデリングプロセス中に非標準残基を削除し、水素原子を付加したPDBファイルを生成すると共に、システム用にAMBERのtopologyとcoordinateファイルを作成する。残基についてAMBER命名スキームを使用している(例えば、ヒスチジンはHISではなく、HID、HIE、HIP)ので、そのtopologyとcoordinateファイルを使用して、PDPファイルを作成するコマンドを実行する。:

ambpdb -p 0.15_80_10_pH6.5_1OKL.top -c 0.15_80_10_pH6.5_1OKL.crd > 1OKL_Hpp.pdb

水素原子を添加する際にH ++は、金属イオンを考慮しない。金属部位は物理的に意味のないHIP残基を持っている。手動で(HE2原子を削除し、PDBファイル内のHIPからHIDに残基名を変更することで)HIP-92をHID-92変更することができます。ここでは変更後のPDBファイルは:1OKL_Hpp_fixed.pdb

3) 最後に複数のPDBファイルを一つのPDBファイルにまとめる。

PDBファイル内の通常の順序と一致さすために、まず標準的な残基、金属イオン、その後リガンド、次いで(もしあれば)水を置く。.

cat 1OKL_Hpp_fixed.pdb ZN.pdb MNS_H_fixed.pdb > 1OKL_H.pdb

そのあと、PDBファイルの番号を変更するpdb4amberを使用する。

pdb4amber -i 1OKL_H.pdb -o 1OKL_fixed_H.pdb

モデリングの次の段階のためのPDBファイル1OKL_fixed_H.pdbとMOL2ファイルMNS.mol2とZN.mol2を作成した。

2. PDB、Gaussian and fingerprint modelingファイルの作成 (effort: several minutes):

手動で入力ファイルを作成する必要がある。入力ファイルは、1OKL.inである。アンバーマニュアルでMCPB.py.で使用される入力パラメータを確認する。 ここでは、モデル化を実行するためにff14SBvforce field(デフォルト)を使用し次のコマンドを実行する。:

MCPB.py -i 1OKL.in -s 1a

このステップでは、側鎖のPDBとfingerprintファイルは、標準と大規模なモデルが生成される。側鎖と大きなモデルのGaussian inputファイルも生成される。大型モデルのGaussian inputファイルは、まず全ての不適切に配置した水素原子を補正するために水素原子の最適化を実行する。標準モデルの指紋ファイル(1OKL_standard.fingerprint)は、標準モデル中の原子(第3列は元の原子タイプで、最後の列は、最終的に割り当てられた原子タイプである)の原子タイプの情報が含まれている。金属イオンの原子タイプ(名前がXで始まる)と結合する原子(名前はY/Zで始まる)は、AMBER力場中の原子タイプと区別するために、自動的に名前が変更される。ステップ番号を1nとしてどの原子タイプもリネームしないでfingerprint fileを作成し、そのあとでマニュアルでそれを修正する。(実行される前に、AMBER力場のparm*.datチェックし、金属イオンと結合する原子がparm*.datに存在する原子タイプではないことを確認する。)fingerprint fileはファイルの最後に"LINK"という文字で金属イオンと周辺の原子との結合情報も含んでいる。必要に応じてそれらをマニュアルで変更できる。QMの構造最適化後の任意のリンケージの変更がある場合など)

3. ガウスの計算(:〜12のCPUを使用して、数日の努力)を実行 (effort: several days using ~12 CPUs):

ここでは、前工程で得られたガウス入力ファイルを使用してガウス計算を実行する。入力ファイル内のパラメータを変更することができる(例えば、CPU、メモリ使用量、方法、基底関数は、潜在している溶媒和モデルの数など)。大規模モデルのガウスの計算では、計算タスクを少なくするために水素原子のみが最適化される。ジョブはしばらく時間がかかる可能性があるため、計算はパラレルで実行する方がよい。:ガウスのジョブを実行している2つのリンク: Gaussian03 and Gaussian09.

構造最適化、力場コンスタントの計算、と側鎖モデルのfchkファイルのを生成。 (effort: several days using ~12 CPUs):

g03 < 1OKL_sidechain_opt.com > 1OKL_sidechain_opt.log

g03 < 1OKL_sidechain_fc.com > 1OKL_sidechain_fc.log

formchk 1OKL_sidechain_opt.chk 1OKL_sidechain_opt.fchk

Perform the Merz-Kollman RESP charge calculation for the large model (effort: several hours using ~12 CPUs):

g03 < 1OKL_large_mk.com > 1OKL_large_mk.log

4. 最終的なモデリングの実行。 (effort: several minutes):

力場パラメータを生成するためにSeminarioメソッドを使用する。その他のオプション、 Z-matrix (with step_number 2z) や Empirical (with step_number 2e) methodsも利用できる。Empirical methodは、ガウスの計算を必要としいが、現在のバージョンでは亜鉛イオンモデリングのみをサポートしている。

MCPB.py -i 1OKL.in -s 2s

leap modeling で使う1OKL.frcmod を得る。

RESP charge fittingをするのにChgModBを使い、金属部位残基についてMOL2ファイルを生成する。。他のオプションも利用可能です:ChgModA、ChgModCとChgModD(3a、3c、3d)。

MCPB.py -i 1OKL.in -s 3b

:このステップでは、金属部位のための5つのMOL2ファイル、 HD1.mol2, HD2.mol2, HE1.mol2, ZN1.mol2MS1.mol2. を取得することができる。これらのファイルの電荷が、MK RESP電荷フィッティングaglorithmでによって再度フィットされる。leapモデリングでこれらのMOL2ファイルを使用する。

tleap入力ファイルを生成する。 Generate the tleap input file:

MCPB.py -i 1OKL.in -s 4

その後、金属部位残基の名前を変更した後に新しいPDBファイルを取得することができ((1OKL_mcpbpy.pdb))さらにleap inputファイル(1OKL_tleap.in)を得る。都合の良いように入力ファイルを変更することができる。その後、tleapを使って、topology と coordinateファイルを生成する。

tleap -s -f 1OKL_tleap.in > 1OKL_tleap.out

トポロジーと座標ファイル( 1OKL_solv.prmtop and 1OKL_solv.inpcrd)があり、従って、最適化および分子動力学シミュレーションが可能となっている。