Simulação de Dinâmica Molecular da Lisozima com GROMACS

Este repositório contém um tutorial completo e detalhado para a simulação de dinâmica molecular (MD) da lisozima em solução aquosa utilizando o GROMACS. O material abrange desde a preparação inicial do sistema até a simulação produtiva, com explicações e códigos de cada etapa.

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Deixo um artigo de revisão sobre tutoriais de simulações em Dinâmica Molecular, como material de apoio. Recomento fortemente a leitura do material.

Introductory Tutorials for Simulating Protein Dynamics with GROMACS. Justin A. Lemkul. The Journal of Physical Chemistry B 2024 128 (39), 9418-9435. DOI: 10.1021/acs.jpcb.4c04901

PDF disponível em: https://github.com/madsondeluna/aula_dinamica_molecular/blob/main/lemkul-2024-introductory-tutorials-for-simulating-protein-dynamics-with-gromacs.pdf

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Índice

• Introdução
• Requisitos
• Fluxo de Trabalho
• Detalhamento das Etapas
  • 1. Preparação do Sistema
  • 2. Criação da Caixa e Solvatação
  • 3. Adição de Íons
  • 4. Minimização de Energia
  • 5. Equilíbrio NVT
  • 6. Equilíbrio NPT
  • 7. Simulação Produtiva
  • 8. Pós-processamento e Análise de Resultados
• Estrutura do Projeto
• Como Executar o Tutorial
• Possíveis Erros e Soluções
• Referências
• Licença

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Introdução

A dinâmica molecular é uma técnica essencial para estudar a estrutura e a dinâmica de biomoléculas. A lisozima é frequentemente utilizada como modelo devido à sua estrutura bem caracterizada. Este tutorial cobre todas as etapas necessárias para simular a lisozima em solução aquosa utilizando o GROMACS.

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Requisitos

Antes de iniciar, certifique-se de ter os seguintes itens instalados:

• GROMACS (versão recomendada: 2022 ou superior)
• Python (para pós-processamento opcional)
• Pacotes adicionais: VMD ou PyMOL para visualização das trajetórias
• Arquivo PDB da lisozima (por exemplo, 1AKI.pdb do PDB)

Instale o GROMACS com:

sudo apt install gromacs

ou via Conda:

conda install -c bioconda gromacs

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Fluxo de Trabalho

1. Obtenção e preparação da estrutura proteica.
2. Criação da caixa e adição de solvente.
3. Neutralização do sistema com adição de íons.
4. Minimização de energia do sistema.
5. Equilíbrio sob condições NVT e NPT.
6. Simulação produtiva.
7. Pós-processamento e análise de resultados.

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Detalhamento das Etapas

1. Preparação do Sistema

gmx pdb2gmx -f 1AKI.pdb -o 1AKI_processed.gro -p topol.top -water spce 

• Converte o arquivo PDB para o formato GROMACS e gera os arquivos de topologia e restrições.

2. Criação da Caixa e Solvatação

gmx editconf -f 1AKI_processed.gro -o 1AKI_box.gro -c -d 1.0 -bt cubic

• Define uma caixa cúbica ao redor da proteína.

gmx solvate -cp 1AKI_box.gro -cs spc216.gro -o 1AKI_solv.gro -p topol.top

• Preenche a caixa com moléculas de água.

3. Adição de Íons

gmx grompp -f ions.mdp -c 1AKI_solv.gro -p topol.top -o ions.tpr

• Prepara o sistema para a adição de íons.

gmx genion -s ions.tpr -o 1AKI_solv_ions.gro -p topol.top -pname NA -nname CL -neutral

• Substitui moléculas de água por íons para neutralizar o sistema.

4. Minimização de Energia

gmx grompp -f minim.mdp -c 1AKI_solv_ions.gro -p topol.top -o em.tpr

• Prepara o sistema para a minimização de energia.

gmx mdrun -v -deffnm em

• Executa a minimização de energia.

5. Equilíbrio NVT

gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -r em.gro -p topol.top -o nvt.tpr

• Prepara o sistema para o equilíbrio a temperatura constante.

gmx mdrun -deffnm nvt

• Executa o equilíbrio NVT.

6. Equilíbrio NPT

gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -r nvt.gro -p topol.top -o npt.tpr

• Prepara o sistema para o equilíbrio a pressão constante.

gmx mdrun -deffnm npt

• Executa o equilíbrio NPT.

7. Simulação Produtiva

gmx grompp -f md.mdp -c npt.gro -p topol.top -o md.tpr

• Prepara o sistema para a simulação de produção.

gmx mdrun -deffnm md

• Executa a simulação produtiva.

8. Pós-processamento e Análise de Resultados

8.1 Cálculo do RMSF

gmx rmsf -s md.tpr -f md.xtc -o rmsf.xvg -res

• Mede a flutuação média dos resíduos da proteína ao longo da simulação.

8.2 Cálculo do RMSD

gmx rms -s md.tpr -f md.xtc -o rmsd.xvg -tu ns

• Mede o desvio médio quadrático das coordenadas da proteína.

8.3 Cálculo do Raio de Giração

gmx gyrate -s md.tpr -f md.xtc -o giracao.xvg

• Mede a compactação estrutural da proteína.

8.4 Cálculo do Número de Ligações de Hidrogênio

gmx hbond -s md.tpr -f md.xtc -num hbond.xvg

• Analisa a quantidade de ligações de hidrogênio formadas.

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Como Executar o Tutorial

1. Clone o repositório:

   git clone https://github.com/seu_usuario/seu_repositorio](https://github.com/madsondeluna/aula_dinamica_molecular.git

2. Acesse o diretório:

   cd aula_dinamica_molecular

3. Execute os scripts disponíveis para automação do processo.

   gmx (comandos acima)

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Possíveis Erros e Soluções

1. Erro Segmentation Fault ao rodar mdrun

• Solução: Verifique se a topologia foi gerada corretamente e se os arquivos .mdp estão configurados corretamente.

2. Mensagem Water molecule cannot be settled

• Solução: Reduza o dt no arquivo mdp e tente novamente.

3. Erro Fatal error: number of coordinates does not match topology

• Solução: Certifique-se de que o arquivo .gro corresponde ao .top.

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Referências

• GROMACS Manual
• MD Tutorials – Lysozyme in Water

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Agradecimentos

• Um agradecimento especial ao projeto Making-It-Rain de Pablo R. Arantes (@pablitoarantes), Marcelo D. Polêto (@mdpoleto), Conrado Pedebos (@ConradoPedebos) e Rodrigo Ligabue-Braun (@ligabue_braun) que permitiu a execução dos protocolos na nuvem com o Colab.

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Licença

Este projeto está licenciado sob a MIT License.