软件更新：Pysimm 1.1——聚合物模型的基础设施和功能更新

软件X 15（2021）100749软件更新更新1.1至Alexander G.德米多夫a，b，c，B。拉克希塔河Pereraa，b，c，Michael E. A，B，C，Sibo Lind，科雷·M科琳娜a，b，c，e，a佛罗里达大学化学系，Gainesville，FL 32611，美国bGeorge and Josephine Butler Polymer Research Laboratory，University of Florida，Gainesville，FL 32611，United StatescCenter for Macromolecular Science Engineering，University of Florida，Gainesville，FL 32611，United Statesd阿美石油服务公司：阿美石油研究中心-波士顿，400 Technology Square，Cambridge，MA，02139，美国佛罗里达大学材料科学与工程系，Gainesville，FL 32611，United Statesar t i cl e i nf o文章历史记录：2021年6月21日收到2021年6月23日接受保留字：分子模拟聚合物模型Pysimma b st ra ctpysimm应用程序编程接口的此更新pysimm 1.1提供了基础设施和功能更新。此外，改进的无规行走应用程序，使其能够构建聚合物与控制立构规整度突出。力场模块的新增功能包括一个更新，以支持使用CHARMM力场系列和使用CHARMM广义力场（CGenFF）自动键入。最后，还提供了展示新功能的新的详细示例版权所有2021作者。Elsevier B.V.出版，保留所有权利。代码元数据当前代码版本v1.1此代码版本使用的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-21-00117Code Ocean compute capsule法律代码许可证MIT使用git的代码版本控制系统使用Python 3.x的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境依赖性Linux如果可用，链接到开发人员文档/手册https://pysimm.readthedocs.io问题支持电子邮件support@pysimm.org1. 动机和意义Pysimm是一个用于分子模拟的开源面向对象Python软件包[1]。它处理parti- cles，力场参数和模拟设置的数据组织，使用户可以专注于开发他们的模拟工作流程。版本0.2主要侧重于提供CASSANDO（Monte Carlo分子模拟软件）的接口，允许通过与LAMMPS分子动力学模拟软件包的连接进行混合模拟当前版本pysimm1.1的重点是总结新的改进，原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.softx.2016.12.002。*通讯作者：佛罗里达大学化学系，Gainesville，FL 32611，美国电子邮件地址：colina@chem.ufl.eduCoray M. Colina）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2021.1007492352-7110/©2021作者。 Elsevier B.V.出版，保留所有权利。（迁移到Python 3.x，引入了一个pysimm Docker镜像，并进行了集成测试）以及功能更新（添加了forcefield模块，扩展了随机游走应用程序，并提供了Zeo++软件包的接口[2]）。力场模块已更新，以便能够使用CHARMM力场系列[3最后，增加了控制和分析聚合物链的立构规整度的应用工具。在过去的几十年中，聚合物-蛋白质生物缀合物领域的实验[6]和计算[7]研究的快速增长强调了对复杂计算模型的需求，以提取必要的分子水平信息并为实验工作提供信息[8]。一些计算工具，如CHARMM-GUI [9]，可以促进生物缀合物系统的聚合物的构建，然而，在其库中只有有限数量的聚合物可用，并且模型通常基于一个特定的力场。扩大可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softxAlexander G.德米多夫湾拉克希塔河作者：Michael E.Alberto等人软件X 15（2021）1007492通过允许用户构建任何感兴趣的聚合物并为任务选择最合适的（在Pysimm中可用的）力场，Pysimm的功能进一步扩展了可用于计算生物缀合物模型的相邻单体单元的立体化学或立构规整度对聚合物材料性能有显著影响[10]。pysimm的更新功能允许制表和生成具有定义的立构规整度的此类聚合物。特别是，该功能最近已被应用于具有顺式-双间同立构骨架的乙烯基型聚异戊二烯模型的模拟[11]，这是一种在先前的建模研究中被忽略的复杂立体化学。2. 通用代码改进Pysimm代码已迁移到Python 3.x。添加了一系列与PyTest框架兼容的集成和单元测试，这对进一步的pysimm开发应该很有用。pysimm发行版现在包含一个Dockerfile，用于创建和部署Docker镜像，该镜像包含最新的pysimm版本，该版本与它可以连接的分子模拟软件集成，即，[12][13][14 ][15 ][16][17][18][19][19][1“pysimm.zeopp”应用程序将pysimm系统翻译成Zeo++可接受的格式，并为各种分析模式生成其余的输入文件。更新后的pysimm接口现在可以与最新的Poreblazer版本（3.0.x和4.0）以及早期版本（2.x）一起使用[14]。3. 力场模块的更新：使用CHARMM Ether和CGenFF力场进行“pysimm.forcefield”模块的一个优点这意味着所有键合和非键合相互作用的参数将自动分配，并且现在可以识别CGenFF中描述的一些常见原子类型（碳，氢，氧，氮和硫）。分析原子的最接近化学环境以导出正确的原子类型，并且在CHARMM参数数据库[19]中可用的不同原子类型之间的非键相互作用的显式范德华参数的存在在'forcefield.Charmm'类中解释在pysimm中可用的每个力场的参数都保存在一个数据库文件中，所采用的参数格式为与LAMMPS模拟包中的相同。因此，CHARMM力场的所有项的参数，除了二面角，都以这种格式表示。在不同的软件包中实现的力场函数形式中，转换二面角项的参数时应特别注意。例如，在 CHARMM 中，一些二面角由和而CHARMM 二面角的标准LAMMPS 表示是单个余弦项。因此，pysimm中的CHARMM二面角被表示为更一般的傅立叶二面角。与CGenFF一起， 通过pysimm包括CHARMM醚，CHARMM全氢蛋白质，CHARMM碳水化合物，和CHARMM脂质参数。在本工作的后面讨论了一个说明性的例子，MD模拟的一个单一的聚环氧乙烷（ PEO ）链在水中的 类型与两个不同的集 CHARMM 力场参数（CGenFF和CHARMM醚）。与PEO一起，一些其他聚合物的重复单元被添加到pysimm的单体库中：pQA [聚（甲基丙烯酸季铵）]，pSMA [聚（磺酸Fig. 1. 在“pysimm.random_walk”的“check_tacticity（）”函数中使用的聚合物链中基于二元组的立构规整度定义的说明甲基丙烯酸酯）]、聚（羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯）[pCBMA]和聚异丁烯[pNB]（用于开环易位聚合）。这些重复单元是生物缀合物社区感兴趣的[20，21]，并且作为使用pysimm随机游走的具有较大侧链或带电侧链的聚合物链的示例提供即使大多数绑定参数由CHARMM数据库提供，并且因此对于pysimm是已知的，也可能存在系统具有绑定参数（例如，二面角）未列入数据库。在这种情况下，用户可以像修改任何文本文件中的数据一样修改pysimmforcefield数据：通过复制和更新现有记录或创建新记录。4. 随机游走应用程序先前的随机游走应用程序公开了两个函数这个更新增加了另一个功能：该算法使用基于二联体的立构规整度定义，并输出布尔序列，该布尔序列标记沿着主链的下一个二联体是内消旋（1）型还是外消旋（0）型（参见图1B）。1，函数将输出序列[1，0]）。第 二 个 函 数 “random_walk_tacticity （ ） ” 允 许 用 户 通 过“tacticity”关键字设置来定义内消旋二联体的比例以创建大分子。该函数将返回一个聚合物链，该聚合物链在“真空”中以预定的规整度创建。然而，重要的是要注意，这种立构性可能 在聚合物链通过最小化和平衡过程之后不被保留。如果需要预定的立构规整性，我们建议以下工作流程：（1）运行“random_walk_tacticity”，而不进行力场优化，力场优化将连接重复单元并将它们放置在近似正确的位置，以及（2）运行系统的长分子动力学模拟以放松原子的位置。最后，对于“random_walk（）”和“copolymer（）”函数，现在可以定义在随机游走过程中要添加到链中的下一个重复单元的不同构型（旋转、平移或反射）。这两个函数都接受Alexander G.德米多夫湾拉克希塔河作者：Michael E.Alberto等人软件X 15（2021）1007493±图二. PEO单链在水中的回转半径分布。用pysimm建立了两个50 ns的分子动力学模拟，在LAMMPS中使用两组CHARMM参数CGenFF和CHARMM ether运行。侧面的聚合物链显示出最丰富的构型之一对于每个参数集。由一个以上的化学键连接的重复单元的链。5. 例如带有CHARMM力场的MD模拟设置的一般工作流程如分布示例#13所示。在该实施例中，产生短（37个重复单元）PEO链，然后在cTIP 3 P水中溶剂化[22然后，Pysimm设置MD模拟来平衡整个系统并运行生产模拟。在本例中，链使用CGenFF参数或CHARMM-ether 力 场 参 数 进 行 类 型 化 [25] 。 该 示 例 展 示 了pysimm力场类型化方案的改进实现，该方案现在允许用户通过用相应的类型名称标记这些粒子来显式地设置系统中某些粒子的类型。两个类似的PEO链，类型与两个不同的参数集（CHARMM醚或CGenFF），进行了两个其他相同的50 ns MD模拟LAMMPS，由pysimm控制。为了评估所选参数对最终结果的影响，得到了两个链的回转半径（Rg）的分布Rg是一个常用于确定高分子链的紧密度的参数。有趣的是，观察到两条链计算的R g分布之间存在明显差异（图11）。2）的情况。以前曾报道，在类似条件下，PEO链的平均Rg等于13.0 2.4 Ω [26]。虽然这两种模拟显示的平均Rg值接近参考，有两种情况下的Rg分布之间的差异。CHARMM EtherFF模拟的链呈现单峰分布，峰值大约在平均值处，而CGenFF模拟的链呈现偏态分布，Rg构型在10 ° C处最值得注意的是，虽然CHARMM醚和CGenFF力场参数对于PEO非常相似，但即使参数中的微小差异也会导致某些热力学性质的显著差异[27，28]。6. 结论Pysimm是一个用户友好的，多功能的，最新的Python API，它促进了不同研究领域的分子模拟设计，从纳米多孔材料到蛋白质-聚合物生物缀合物。本作品遵循这一方向，并提供了随机游走应用程序的修改更新还旨在来帮助构建聚合物-蛋白质生物结合物模型。在这项工作中提出的例子已被添加到pysimm代码库（https://github.com/polysimtools/pysimm），并设置有用的模板，为建设所需的立构规整度分布的聚合物链。竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作确认作 者 感 谢 美 国 能 源 部 的 资 助 （ 拨 款 DE-FG 02 - 17 ER16362）。引用[1]Mr. Meyer， Colina CM. Pysimm ： 一个用 于模拟 分子系 统的 Python包 。SoftwareX2017;6：7-12.[2][10] Wilmems TF，Rycroft CH，Kazi M，Meza JC，Haranczyk M.结晶多孔材料高通量几何分析的算法和工具。Microporous Mesoporous Mater2012;149（1）：134-41.[3]MackerellAD ， etal.All-atomempiricalpotentialformolecularmodelingand dynamics studies of proteins. J Phys Chem B1998;（ 102 ） ：3586-616.[4]Vanommeslaeghe K等人，CHARMM通用力场（cgenff）：与CHARMM全原子加性生物力场相容的药物样分子的力场。J Comput Chem2010;31（4）：671-90.[5]Vanommeslaeghe K，Raman EP，Mackerell JDA. CHARMM广义力场的自动化（cgenff）II：键参数和部分原子电荷的分配。J Chem Inf Model2012;（52）：3155-68.[6]放大图片作者：Kaupbayeva B.高分子增强生物大分子研究进展。Prog PolymSci2020;101：101194.[7]Munasinghe A，Baker SL，Lin P，Colina CM，Russell AJ.作为聚合物电荷的函数的基于α-胰凝乳蛋白酶的缀合物的结构-功能-动力学。软物质2020;16：456-65.[8]Russell AJ 等 人 ， Next generation protein-polymer conjugates. AIChEJ2018;64（9）：3230-45。[9]CHARMM-GUI Polymer builder for modeling and simulationof syntheticpolymer. J Chem Theory Comput2021;17：2431-43.Alexander G.德米多夫湾拉克希塔河作者：Michael E.Alberto等人软件X 15（2021）1007494[10]科茨GW。使用单位点金属催化剂精确控制聚烯烃立体化学。Chem Rev2000;（100）：1223-52.[11]Sundell BJ等人，具有增强的分子量、产率和烃类气体传输特性的外选择性还原性heck衍生的聚异戊二烯。ACS Macro Lett2020;9（9）：1363-8.[12]普林顿湾短程分子动力学的快速并行算法。JComput Phys1995;117（1）：1-19.[13]Cassandra：An open source Monte Carlo package formolecular simulation. JComput Chem2017;1727-39.[14][10]杨文辉，李文辉，李文辉.使用poreblazer v4.0和CSD mof数据库的材料信息学。Chem Mater2020;32：9849-67.[15]放大图片作者：Simon CM，Smit B，Haranczyk M. Pyiast：Ideal adsorbedsolution theory（IAST）python包。Comput Phys Comm 2016;200：364[16]Mayo SL，Olafson BD，Goddard WA. Dreiding：分子模拟的通用力场。物理化学杂志1990;94（26）：8897-909.[17]王J，沃尔夫R，考德威尔J，科尔曼P，案例D。一般琥珀力场的开发和测试。计算化学杂志2004;34：1157.[18]太阳H。力场用于芳香族聚酯的构象能、结构和振动频率的计算。J ComputChem1994;15（7）：752-68.[19]麦 克 雷 尔 实 验 室 。 2021 年 ， 【 上 线 】 。 可 用 网 址 ：http://mackerell.umaryland.edu/charmm_ff.shtml[访 问日 期 ： 2021 年5 月 25日]。[20]Baker SL等人，共轭聚合物的分子内相互作用模拟分子伴侣以稳定蛋白质-聚合物共轭物。 Biomacromolecules 2018;19：3798-813.[21]林P，林林.蛋白质-聚合物共轭物的分子模拟。CurrOpin Chem Eng2019;23：44-50.[22]Jorgensen WL，Mr. Jasekhar J，Madura JD，Impey RW，Klein ML.几种简单势函数模拟液态水的比较.J Chem Phys1983;79（2）：926[23]放大图片作者：Mark P. 298 K时TIP 3 P、SPC和SPC/E水模型的结构和动力学。JPhys Chem A2001;（105）：9954-60.[24]Price DJ，Brooks CL.一个修正的TIP3P水势与埃瓦尔德求和模拟。化学物理杂志2004;121：10096.[25]作者：Michael M，D.醚类在CHARMM德鲁德极化力场中的极化率重标度和基于原子的孔标度。J MolModel2010;16（3）：567-76.[26]Rukmani SJ，Kupgan G，Anstine DM，Colina CM.水溶性聚合物的分子动力学研究：原子模拟力场分析。Mol Simul2019;7022：310-21.[27]Zhu X ， Lopes PEM ， Mackerell Jr. CHARMM 力 场 的 最 新 发 展 和 应 用 。WIREs Comput Mol Sci 2012;2（1）：167[28]ChowdharyJ，Harder E，Lopes PEM，Huang L，Mackerell Jr AD.基于经典德鲁德模型的二棕榈酰磷脂酰胆碱极化力场在脂类分子动力学模拟中的应用。J Phys Chem B2013;117：9142-60.