شبیه سازی دینامیک مولکولی با استفاده از نرم افزار LAMMPS

دینامیک ملکولی یکی از شاخه‌های فیزیک محاسباتی است.در این روش برهمکنش میان اتم ها و مولکول ها در بازه‌هایی از زمان بر اساس قوانین فیزیک، به‌وسیله کامپیوتر شبیه سازی می‌شود.این روش برای اولین بار در سال ۱۹۵۷ توسط آلدر(Alder) و واینرایت(Wainwright) برمبنای مدل کره سخت به کار گرفته شد. درسال ۱۹۶۴ رحمان (Anees Rahman) مدل کره نرم را در شبیه‌سازی خود به کار برد. از وی به عنوان پدر دینامیک ملکولی یاد می‌شود.
در دینامیک مولکولی که شکلی از شبیه‌سازی کامپیوتری است در ان اتمها و مولکولها اجازه دارند برای یک دوره از زمان تحت قوانین شناخته شده فیزیک باهم برهم کنش کنند و چشم‌اندازی از حرکت اتمها بدهند. از آنجائیکه سیستم‌های مولکولی عموماً شامل تعداد زیادی از ذرات هستند این امکان‌ وجود ندارد که ویژگی‌های سیستم‌های پیچیده را بطور تحلیلی بدست آوریم. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی این مسئله را با بکار بردن روش محاسباتی حل می‌کند. این روش یک واسطه بین تجربیات آزمایشگاهی و نظریه ایجاد می‌کند و به عنوان یک آزمایش مجازی در نظر گرفته می‌شود. دینامیک مولکولی روابط بین ساختار مولکولها، حرکت مولکولهاو توابع مولکولی را بررسی می‌کند. دینامیک مولکولی یک روش منظم چندگانه‌است. قوانین و نظریه‌های آن از ریاضیات، فیزیک و شیمی بدست می‌آید و الگوریتم‌هایی را از علم رایانه و نظریه اطلاعات بکار می‌برد.دینامیک مولکولی ابتدا در فیزیک نظری در دهه ۱۹۵۰ استفاده شد. اما امروزه بیشتر در علم مواد و زیست مولکول بکار می‌رود. قبل از اینکه امکان شبیه‌سازی دینامیک مولکولی با رایانه‌ها بوجود بیاید عده‌ای کار سخت آزمایش کردن آن بوسیله مدل‌های فیزیکی مانند کره‌های ماکروسکوپیک را متعهد شدند. ایده این بود که آن‌ها را مرتب کنند تا ویژگی‌های مایع را تکرار کند. آقای برنال در سال ۱۹۶۲ گفت من تعدادی از توپهای پلاستیکی در نظر می‌گیرم و آن‌ها را با میله‌هایی در مخدوده طول ۲٫۷۵ تا ۴ اینچ بهم می‌چسبانم و سعی می‌کنم در اولین محلی که امکانش هست در محل کارم انجام دهم و حدود هر ۵ دقیقه مختل کنم و ان کاری را که قبلاً انجام داده‌ام به یاد نیاورم. اما خوشبختانه امروز رایانه‌ها مسیر قیدها را حفظ می‌کنند.

آغاز
برای آغاز يک شبيه سازی ديناميک ملکولی ابتدا بايد يک ساختار اوليه که نقطه شروع يا ساختار سيستم در زمان صفر است برای سيستم انتخاب نمود. در اغلب شبيه سازی‌های ديناميک ملکولی ماکروملکول های زيستی، ساختاری که با روش‌های کريستالوگرافی يا طيف نگاری رزونانس مغناطيسی هسته مشخص شده است به عنوان ساختار اوليه مورد استفاده قرار می‌گیرد. در مواردی که با يکی از اين دو روش ساختار ماکروملکول تعيين نشده باشد می‌توان از ساختارهای مدل سازی شده به روش‌های تئوری استفاده کرد. انتخاب ساختار اوليه سيستم از اهميت ویژه‌ای برخوردار است و بايد مورد دقت و توجه قرار گيرد زيرا اين انتخاب می‌تواند کيفيت فرآيند شبيه سازی را تحت تأثیر قرار دهد.
قبل از شروع شبيه سازی فرآيند کمينه کردن انرژی ساختار انجام می‌گیرد تا ميانکنش های واندروالسی که در وضعیت‌های نامناسب از نظر انرژی قرار دارند حذف شوند و به ساختار و محيط اجازه داده شود ميانکنش های مناسب مثل پيوندهای الکترواستاتيک را با يکديگر برقرار سازند. قبل از کمينه سازی انرژی سيستم ملکول‌های آب به پروتئين افزوده می‌شود و به اصطلاح ملکول در محيط آبی قرار می‌گیرد و حل می‌گردد. اين مجموعه ملکول و حلال در داخل جعبه‌ای قرار گرفته و برای فرآيند کمينه سازی انرژی آماده می‌شوند.
شبیه سازی دینامیک مولکولی این اجازه را به شخص می دهد تا براساس قوانین فیزیک تحول وابسته به زمان یک سیستم حاوی اجزا در تماس را پبشگویی کند. از انجایی که خیلی از پدیده های زیستی مانند انتقالات سلولی، شناسایی مولکول، فعالیت های انزیم و تنظیمات الوستریکی که پروتئین ها درگیر هستند یک پروسه دینامیک می باشد مطالعه پیشرفت دینامیک سیستم های زیستی با درنظر گرفتن انعطاف پذیری پروتئین بسیار حیاتی است. در حالی که مدل استاتیک ماکرومولکول حاصل از NMR کریستالوگرافی اشعه ایکس و همولوژی مدلینگ دانش ارزشمندی در مورد ساختار میدهد . شبیه سازی دینامکی مولکولی اطلاعات کاملی در سطح اتمی درباره تغییرات کنفورماسیونی و ترمودینامیک اتصال پروتئین تحت شرایط فیزیولوژیک متفاوت را به ما میدهد.
با توجه به موضوع همگرایی علوم در سال های اخیر می توان شبیه سازی دینامیک ملکولی را یکی از زمینه های تحقیقاتی در شیمی، فیزیک و زیست محاسباتی دانست. در اكثر مطالعاتي كه بر روي سيستمهاي زيستي انجام مي شوند، جزئيات حركات ذرات سازنده سيستم بسيار اهميت دارند. از اینرو می توان کاربرد اصلی شبیه سازی های دینامیک مولکولی را در ارتباط با سیستم های زیستی در نظر گرفت. بکارگیری شبیه سازی های دینامیک مولکولی اطلاعاتی را در سطح اتمی در اختیار قرار می دهد که ممکن است از دید روش های متداول تجربی پنهان بماند. در حقیقت، شبیه سازی های دینامیک مولکولی ابزار مکملی برای تکنیک های تجربی می باشند.
از کاربردهای شبیه سازی های دینامیک مولکولی در سیستم های زیستی می توان به موارد کلی زیر اشاره کرد:
– بررسی برهمکنش میان ماکرومولکول ها شامل (پروتئین-پروتئین، پروتئین- اسید نوکلئیک، پروتئین-لیپید)
– بررسی برهمکنش میان ماکرومولکول ها و لیگاند/ دارو شامل (پروتئین- لیگاند، اسید نوکلئیک- دارو، لیپید- دارو)
– بررسی فرایندهای folding و unfolding
– بررسی تغییراتِ پارامترهای ساختاری در هر یک از فرایندهای زیستی
– بررسی تغییرات ایجاد شده در ماکرومولکول ها پس از جهش (موتاسیون)
سرفصل های دوره مقدماتی:
1- آشنایی مقدماتی با شبیه سازی مولکولی
2- آشنایی مقدماتی با کد LAMMPS
3- آشنایی مقدماتی با انواع پتانسیل ها
4- آشنایی مقدماتی با نرم افزار VMD
5- انجام انواع شبیه سازی

ویدئو اول