2. 力場パラメータとトポロジーの準備¶
前回はアルコール分子の構造を作成し、それを使ってアルコール二重膜系を作成した。 しかし、この構造を用いてシミュレーションを行うにあたって、GROMACSでこの分子を認識させ、力場を与えてやる必要がある。 今回はGROMACSでの力場の扱い方を学ぶためにCHARMM力場を導入し、アルコール分子のトポロジーをGROMACSに認識させて、実際にシミュレーションが開始できるまでの準備をする。
CHARMM力場のダウンロード
CHARMMトポロジーの追加
構造ファイル（groファイル）の作成
また、このページでもCHARMM力場のダウンロードのためにインターネット環境が必要である。 通信環境を確認しておこう。
CHARMM力場のダウンロード¶
まず、シミュレーションに使用する力場を決定する。 チュートリアル①ではGROMACSにデフォルトでインストールされているOPLS-AA力場を使用したが、今回は新たな力場をインストールして使えるように設定する。
使用する力場はCHARMM36力場である。 CHARMM Force Field Filesにアクセスし、CHARMM36 Files for GROMACSのセクションから最新版のCHARMM36力場ファイル（charmm36-xxx.ff.tgz）をダウンロードする。
ダウンロードできたら、このファイルをGROMACSが認識できる場所で展開する。 GROMACSをインストールした場所によって名前は異なるかもしれないが、
~/App/gromacs-XXX/gmx_install/share/gromacs/top
にcharmm36-xxx.ff.tgzを移動し、ここで中身を展開するだけでCHARMM36力場が使用可能となる。
# ダウンロードしたファイルを移動
mv charmm36-xxx.ff.tgz ~/App/gromacs-XXX/gmx_install/share/gromacs/top/
cd ~/App/gromacs-XXX/gmx_install/share/gromacs/top/
# ファイルを展開
tar xvf charmm36-xxx.ff.tgz
Appやgmx_installなどはGROMACSのインストールで紹介している場所なので、もし環境が異なるようであれば参考にしてほしい。
CHARMMトポロジーの追加¶
CHARMM-GUIで作成したアルコール分子はオリジナルの分子であるため、GROMACSはデフォルトでこの分子を認識することができない。 そこで、GROMACSが認識できる分子一覧のファイルに今回作成したアルコール分子のトポロジーを与えてやることによって、この問題を解決できる。
アルコール分子のトポロジーファイルには原子情報と結合情報が含まれており、これは前回CHARMM-GUIで分子を作成した際に同時に生成している。 アルコール分子にLALという名前をつけたので、トポロジーファイルはCHARMM-GUIファイルのlal内のlal.rtfという名前になっているはずである。 テキストエディタで内容を確認すると、次のようになっている。
lal.rtf
# 原子情報
RESI lal 0.000 ! param penalty= 0.000 ; charge penalty= 0.000
GROUP ! CHARGE CH_PENALTY
ATOM C1 CG331 -0.270 ! 0.000
ATOM C2 CG321 -0.177 ! 0.000
ATOM C3 CG321 -0.183 ! 0.000
ATOM C4 CG321 -0.180 ! 0.000
ATOM C5 CG321 -0.180 ! 0.000
# 結合情報
BOND C1 C2
BOND C2 C3
BOND C3 C4
BOND C4 C5
BOND C5 C6
しかし、このトポロジーファイルはGROMACSの形式ではないため（ここが一番面倒だが）形式を変換してやる必要がある。 少し長いがサンプルを以下に示すので、コピーして使ってほしい。
[ LAL ] ; original molecule made by charmm-gui
[ atoms ]
C1 CG331 -0.270 1
C2 CG321 -0.177 2
C3 CG321 -0.183 3
C4 CG321 -0.180 4
C5 CG321 -0.180 5
C6 CG321 -0.180 6
C7 CG321 -0.180 7
C8 CG321 -0.180 8
C9 CG321 -0.180 9
C10 CG321 -0.180 10
C11 CG321 -0.180 11
C12 CG321 -0.180 12
C13 CG321 -0.180 13
C14 CG321 -0.180 14
C15 CG321 -0.182 15
C16 CG321 0.054 16
O OG311 -0.651 17
H1 HGA3 0.090 18
H2 HGA3 0.090 19
H3 HGA3 0.090 20
H4 HGA2 0.090 21
H5 HGA2 0.090 22
H6 HGA2 0.090 23
H7 HGA2 0.090 24
H8 HGA2 0.090 25
H9 HGA2 0.090 26
H10 HGA2 0.090 27
H11 HGA2 0.090 28
H12 HGA2 0.090 29
H13 HGA2 0.090 30
H14 HGA2 0.090 31
H15 HGA2 0.090 32
H16 HGA2 0.090 33
H17 HGA2 0.090 34
H18 HGA2 0.090 35
H19 HGA2 0.090 36
H20 HGA2 0.090 37
H21 HGA2 0.090 38
H22 HGA2 0.090 39
H23 HGA2 0.090 40
H24 HGA2 0.090 41
H25 HGA2 0.090 42
H26 HGA2 0.090 43
H27 HGA2 0.090 44
H28 HGA2 0.090 45
H29 HGA2 0.090 46
H30 HGA2 0.090 47
H31 HGA2 0.090 48
H32 HGA2 0.090 49
H33 HGA2 0.090 50
H34 HGP1 0.419 51
[ bonds ]
C1 C2
C2 C3
C3 C4
C4 C5
C5 C6
C6 C7
C7 C8
C8 C9
C9 C10
C10 C11
C11 C12
C12 C13
C13 C14
C14 C15
C15 C16
C16 O
C1 H1
C1 H2
C1 H3
C2 H4
C2 H5
C3 H6
C3 H7
C4 H8
C4 H9
C5 H10
C5 H11
C6 H12
C6 H13
C7 H14
C7 H15
C8 H16
C8 H17
C9 H18
C9 H19
C10 H20
C10 H21
C11 H22
C11 H23
C12 H24
C12 H25
C13 H26
C13 H27
C14 H28
C14 H29
C15 H30
C15 H31
C16 H32
C16 H33
O H34
このトポロジーを先程ダウンロード、展開したcharmm36-xxx.ffの中のmerged.rtpというファイルの末尾に追加する。 merged.rtpにはGROMACSが認識できる分子の一覧が書かれているので、ここにトポロジーを追加することで新しい分子を扱うことが可能となる。
なお、既存のファイルを変更する時は必ずバックアップを取っておくようにしよう。
構造ファイル（groファイル）の作成¶
最後に、GROMACSが新しい力場と分子を正しく認識し、構造ファイルを作成できることを確認しておく。 以前のチュートリアルでも扱った通り、groファイルの作成にはgmx pdb2gmxを使用する。
gmx pdb2gmx -f system.pdb -o system.gro
コマンドを実行すると、力場の選択画面になる。 これまでの設定が正しくできているとCHARMM36が選択できるはずである。
Select the Force Field:
From '/home/user/App/gromacs-XXX/gmx_install/share/gromacs/top':
1: AMBER03 protein, nucleic AMBER94 (Duan et al., J. Comp. Chem. 24, 1999-2012, 2003)
2: AMBER94 force field (Cornell et al., JACS 117, 5179-5197, 1995)
3: AMBER96 protein, nucleic AMBER94 (Kollman et al., Acc. Chem. Res. 29, 461-469, 1996)
4: AMBER99 protein, nucleic AMBER94 (Wang et al., J. Comp. Chem. 21, 1049-1074, 2000)
5: AMBER99SB protein, nucleic AMBER94 (Hornak et al., Proteins 65, 712-725, 2006)
6: AMBER99SB-ILDN protein, nucleic AMBER94 (Lindorff-Larsen et al., Proteins 78, 1950-58, 2010)
7: AMBERGS force field (Garcia & Sanbonmatsu, PNAS 99, 2782-2787, 2002)
8: CHARMM27 all-atom force field (CHARM22 plus CMAP for proteins)
9: CHARMM36 all-atom force field (July 2020)
10: GROMOS96 43a1 force field
11: GROMOS96 43a2 force field (improved alkane dihedrals)
12: GROMOS96 45a3 force field (Schuler JCC 2001 22 1205)
13: GROMOS96 53a5 force field (JCC 2004 vol 25 pag 1656)
14: GROMOS96 53a6 force field (JCC 2004 vol 25 pag 1656)
15: GROMOS96 54a7 force field (Eur. Biophys. J. (2011), 40,, 843-856, DOI: 10.1007/s00249-011-0700-9)
16: OPLS-AA/L all-atom force field (2001 aminoacid dihedrals)
9を選択して次へ進むと、使用する水モデルの種類を聞かれる。 前回はSPE/Cモデルを使用したが、今回はTIP3Pモデルを使用する。
Select the Water Model:
1: TIP3P TIP 3-point, recommended, by default uses CHARMM TIP3 with LJ on H
2: TIP4P TIP 4-point
3: TIP5P TIP 5-point
4: SPC simple point charge
5: SPC/E extended simple point charge
6: None
1を選択し、何もエラーが出なければgroファイルが生成されているであろう。 また同時に、大量のトポロジーファイルと位置拘束ファイルが生成されているであろう。 これでは扱うファイルが増えてしまい、見た目もあまりよくないので、ここからはファイルを1つにまとめてみたいと思う。
現在gmx pdb2gmxをしたことでトポロジーファイルが自動生成されたが、PDBファイルに含まれているアルコール分子256個が別々のファイルに分けられてしまっている。 しかしながら、256個のアルコール分子は全て同じものであるので、わざわざファイルを分ける必要はなく、むしろ全て同じトポロジーファイルを利用することが望ましい。 従って、topol_Other.itp及びposre_Other.itpのみを残して、topol_OtherXXX.itpやposre_OtherXXX.itpなどは全て削除してしまおう。 （ただし、topol.topは残しておくこと）
# 生成したファイル（一部のみ抜粋）
posre_Other.itp topol_Other.itp
posre_Other2.itp topol_Other2.itp
posre_Other3.itp topol_Other3.itp
posre_Other256.itp topol_Other256.itp
topol.top
# posre_Other.itp, topol_Other.itp, topol.topのみを残して、他のitpファイルを全て削除
さらに、系全体のトポロジーファイルであるtopol.topを編集する。 「Include chain topologies」の項目に削除したファイル一覧があるので、topol_Other.itpのみを残して他を削除する。
topol.top (modified)
; Include chain topologies
#include "topol_Other.itp"
また、ファイル末尾の[ molecules ]のセクションでも同様の修正をして、Otherの分子数を256に変更する。
topol.top (modified)
[ moleules ]
; Compound #mols
Other 256
SOL 7680
変更を保存して、次の5つのファイルが手元にあれば、ここまでの操作は完了となる。 なお、ここからsystem.pdbとposre_Other.itpは使用しないが、削除せずに残しておこう。
system.pdb
system.gro
topol.top
topol_Other.itp
posre_Other.itp