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[Gromacs] GROMACS 中 g_mmpbsa 工具使用详解

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发表于 2014-8-11 10:56:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 solo7773 于 2014-8-14 11:20 编辑

注:坛中已有前辈贡献类似帖子,介绍的比较详细专业。在此献上入门版,疏漏错讹之处敬请指正^_^
       使用 g_mmpbsa 可以像在amber中一样,使用pbsa方法计算能量(自由能,结合能,结合自由能?)。
       本教程实用平台,亲测 Ubuntu 12.04 LTS Server,Ubuntu Kylin,Deepin linux (Ubuntu 12.04 based)

|----------------------------------------------------------------------|
||  必须环境之 GROMACS和 APBS 安装,Ubuntu系统,方便省事  ||
||  sudo apt-get install gromacs                                                     ||
||  sudo apt-get install apbs                                                           ||
|----------------------------------------------------------------------|

g_mmpbsa官方来源
http://rashmikumari.github.io/g_mmpbsa/

一 安装
参考网页

http://rashmikumari.github.io/g_mmpbsa/Download-and-Installation.html

1. 推荐使用"Pre-compiled executable program",程序已经是编译好了的,即可运行
    1.1 复制程序到 /usr/local/bin 文件夹
          sudo cp g_mmpbsa /usr/local/bin
    1.2 如果不能运行,添加可执行属性
          sudo chmod +x /usr/local/bin/g_mmpbsa
    1.3 用同样的方法按需添加其他文件(or工具,or预编译程序)

2. Installation from Source-Code,源代码安装,略麻烦,想折腾可以试试

二 使用
参考网页
http://rashmikumari.github.io/g_mmpbsa/Usage.html#top


1. 明白binding free energy 的组成,对于 g_mmpbsa中的一些表示,结合着amber中的一些解释来理解
1) "MM" terms

molecular mechanics (vdw and electrostatic) vacuum energy
2) "GB" term
polar solvation energy "GB"
3) "SA" term [可以三中方法选一:SASA, SAV and Weeks–Chandler–Andersen (WCA)]non-polar solvation energy

2. 对于1中所说的3个能量组成,g_mmpbsa是先分别算好,然后用工具 MmPbSaStat.py, calculating the average binding energy and its standard deviation/error from the output files obtained from g_mmpbsa

2.0) 轨迹处理

由于在计算能量过程中,是安每ps来计算,特别费时,所以需要用trjconv把轨迹文件,通过-skip参数设置每隔多长时间读取一次轨迹,如
my command: trjconv -f md.xtc -o trj_8-10ns -b 8000 -e 10000 -skip 100
最后得到的文件,似乎时间序列应是8100, 8200, 8300, ..., 10000,共计20个frames。但是,请注意
在我的动力学过程中是每2ps记录一次轨迹,所以实际上是,这里得到的8-10ns的xtc文件中时间是

8000, 8200, 8400, ..., 10000,共计10个frames
如果是每1ps,2ps,或4ps记录一次轨迹,实际情况发生相应变化
-------------------- Running log ---------------------
Reading frame       0 time 8000.000   
Precision of ../md_noPBC.xtc is 0.001 (nm)
Using output precision of 0.001 (nm)

Last frame       1000 time 10000.000    ->  frame     10 time 10000.000
---------------------- End Log ----------------------------
对于以上log的解释:(10000-8000)=2000 ps,步长2 ps,2000/2=1000 frames,由于skip为100,所以1000/100=10 frames


2.1) calculate "MM" terms
sample command:  g_mmpbsa -f traj.xtc -s topol.tpr -n index.ndx -mme -mm energy_MM.xvg -decomp -mmcon contrib_MM.dat
my command: g_mmpbsa -f ../md_noPBC.xtc -s ../../md.tpr -mme -mm energy_MM.xvg
注:-mme表示计算 van der Waals and electrostatic energy
      选择group,分别为 1 protein;13 LIG


2.2) calculate "PB" term, i.e. polar solvation
因为 -pbsa 打开,solvation energy will be calculated and solvation energy parameter input file -i is necessary for this calculation
sample command:  g_mmpbsa -f traj.xtc -s topol.tpr -i mmpbsa.mdp -n index.ndx -nomme -pbsa -decomp -pol polar.xvg -pcon contrib_pol.dat
my command: g_mmpbsa -f ../md_noPBC.xtc -s ../../md.tpr -i mmpbsa_polar.mdp -nomme -pbsa -pol polar.xvg
注: still don't know how to set the input .mdp file
     -nomme 因为2.1)已经算了gas phase的能量了,也就是"MM" terms
     增加了 -pbsa,默认是 -nopbsa,所以在2.1)中没给出类似的参数
     必要输入.mdp文件见附件一     选择gruop,分别为 1 protein;13 LIG


2.3) calculate "SA" term, i.e. nonpolar solvation
sample command: g_mmpbsa -f traj.xtc -s topol.tpr -i mmpbsa.mdp -n index.ndx -nomme -pbsa -decomp -apol apolar.xvg -apcon contrib_apol.dat
my command: g_mmpbsa -f ../md_noPBC.xtc -s ../../md.tpr -i mmpbsa_nonpolar_sasa.mdp -nomme -pbsa -apol apolar.xvg
注:与2.2)的细微差别      选择gruop,分别为 1 protein;13 LIG
      必要输入.mdp文件见附件二

注:对于2.1), 2.2)和2.3)如果出现运行错误,提示group之类的问题,请加上 -n 参数,提供index文件,使用如下类似命令
       g_mmpbsa -f ../md_noPBC.xtc -s ../../md.tpr -n ../../index.ndx -mme -mm energy_MM.xvg

2.4) 运行统计工具 MmPbSaStat.py
由于缺少相应的model,需要先安装 numpy, scipy

2.4.1) 比如,安装numpy
方法一,推荐,参考http://kelly-1122.blog.163.com/b ... 072010711114123703/
Python Numpy Scipy搭建过程详解  
在ubuntu里可以是用apt-get命令非常简单的就完成安装
sudo apt-get install python-numpy
sudo apt-get install python-scipy


方法二

go to this website to download correct package:
  NumPy Home Page
  http://numpy.scipy.org/
  http://sourceforge.net/projects/numpy/files/

unzip the package
go to the document
use this command to install numpy: python setup.py install

方法三,参考http://blog.163.com/yang_jianli/ ... 006201162152724339/
setuptools工具安装
a. 使用ez_setup.py安装setuptools
这是 setuptools 自豪的一种安装方式,只需要一个大约 8K 作为的脚本ez_setup.py,就能自动为用户安装包括 setuptools 自身在内的许多 Python 包。使用这种方式,用户只需要下载 ez_setup.py 并运行,就可以自动下载和安装适合用户当前 Python 版本的适当的 setuptools egg 文件(当然,用户需要 Python 2.3.5 以上的版本,64 位操作系统的用户则需要 Python 2.4 以上的版本)。此外,这段脚本还会将可执行的 easy_install 脚本安装到用户所有的操作系统 Python 可执行脚本正常应该安装的位置(例如,Windows 用户会安装到 Python 安装目录下的 Scripts 目录中)。关于这种安装方法的更详细说明和注意事项,请参考其官方说明(见扩展阅读)。简单的安装命令如下:wget -q ez_setup。py下载地址(见扩展阅读) 安装完后,最好确保
b. 使用完整的安装包安装setuptools
当然,用户也可以直接使用 setuptools发布版本来安装。对于使用 Windows 的用户,这也是挺方便的方法,许多 Linux 发行版的官方包管理仓库都包含 setuptools 的某个版本。例如,如果你跟我一样使用 Ubuntu ,那安装 setuptools 只是简单的进行如下操作:
# apt-get install python-setuptools
安装模块
   easy_install package-name,比如 easy_install pylab
模块卸载
   easy_install -m package-name, 比如easy_install -m pylab
   easy_install -m 包名,可以卸载软件包,但是卸载后还要手动删除遗留文件。
setuptools它可以自动的安装模块,只需要你提供给它一个模块名字就可以,并且自动帮你解决模块的依赖问题。一般情况下用setuptools给安装的模块会自动放到一个后缀是.egg的目录里。
在Windows里,easy_install这个命令在python安装目录下的scripts里面,所以需要把scripts加到环境变量的PATH里,这样用起来就更方便,linux下不需要注意这个问题。


2.4.2) 运行命令
my command: MmPbSaStat.py -m energy_MM.xvg -p polar.xvg -a apolar.xvg -of full_energy.dat -os summary_energy.dat
注:此处我把这个MmPbSaStat.py已经放到了/usr/local/bin目录中,所有可以直接运行这个python脚本,否则需要执行类似于如下命令
example command: python /此脚本的完整路径/MmPbSaStat.py -m energy_MM.xvg -p polar.xvg -a apolar.xvg -of full_energy.dat -os summary_energy.dat


\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 附件一 mmpbsa_polar.mdp///////////////////////////////////

;Polar calculation: "yes" or "no"
polar = yes

;=============
;PSIZE options
;=============
;Factor by which to expand molecular dimensions to get coarsegrid dimensions.
cfac = 1.5

;The desired fine mesh spacing (in A)
gridspace = 0.5

:Amount (in A) to add to molecular dimensions to get fine grid dimensions.
fadd = 5

;Maximum memory (in MB) available per-processor for a calculation.
gmemceil = 4000

;=============================================
;APBS kwywords for polar solvation calculation
;=============================================
;Charge of positive ions
pcharge = 1

;Radius of positive charged ions
prad = 0.95

;Concentration of positive charged ions
pconc = 0.150

;Charge of negative ions
ncharge = -1

;Radius of negative charged ions
nrad = 1.81

;Concentration of negative charged ions
nconc = 0.150

;Solute dielectric constant
pdie = 2

;Solvent dielectric constant
sdie = 80

;Reference or vacuum dielectric constant
vdie = 1

;Solvent probe radius
srad = 1.4

;Method used to map biomolecular charges on grid. chgm = spl0 or spl2 or spl4
chgm = spl4

;Model used to construct dielectric and ionic boundary. srfm = smol or spl2 or spl4
srfm = smol

;Value for cubic spline window. Only used in case of srfm = spl2 or spl4.
swin = 0.30

;Numebr of grid point per A^2. Not used when (srad = 0.0) or (srfm = spl2 or spl4)
sdens = 10

;Temperature in K
temp = 300

;Type of boundary condition to solve PB equation. bcfl = zero or sdh or mdh or focus or map
bcfl = mdh

;Non-linear (npbe) or linear (lpbe) PB equation to solve
PBsolver = lpbe


;========================================================
;APBS kwywords for Apolar/Non-polar solvation calculation
;========================================================
;Non-polar solvation calculation: "yes" or "no"
apolar = no

;Repulsive contribution to Non-polar
;===SASA model ====

;Gamma (Surface Tension) kJ/(mol A^2)
gamma = 0.0226778

;Probe radius for SASA (A)
sasrad = 1.4

;Offset (c) kJ/mol
sasaconst = 3.84928

;===SAV model===
;Pressure kJ/(mol A^3)
press = 0

;Probe radius for SAV (A)
savrad = 0

;Offset (c) kJ/mol
savconst = 0

;Attractive contribution to Non-polar
;===WCA model ====
;using WCA method: "yes" or "no"
WCA = no

;Probe radius for WCA
wcarad = 1.20

;bulk solvent density in A^3
bconc = 0.033428

;displacment in A for surface area derivative calculation
dpos = 0.05

;Quadrature grid points per A for molecular surface or solvent accessible surface
APsdens = 20

;Quadrature grid spacing in A for volume integral calculations
grid = 0.45 0.45 0.45

;Parameter to construct solvent related surface or volume
APsrfm = sacc

;Cubic spline window in A for spline based surface definitions
APswin = 0.3

;Temperature in K
APtemp = 300
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 附件一 END, version 20140807, N. Zhou, SCU ///////////////////////////////////


\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 附件二 mmpbsa_nonpolar_sasa.mdp ///////////////////////////////////

;Polar calculation: "yes" or "no"
polar = no

;=============
;PSIZE options
;=============
;Factor by which to expand molecular dimensions to get coarsegrid dimensions.
cfac = 1.5

;The desired fine mesh spacing (in A)
gridspace = 0.5

:Amount (in A) to add to molecular dimensions to get fine grid dimensions.
fadd = 5

;Maximum memory (in MB) available per-processor for a calculation.
gmemceil = 4000

;=============================================
;APBS kwywords for polar solvation calculation
;=============================================
;Charge of positive ions
pcharge = 1

;Radius of positive charged ions
prad = 0.95

;Concentration of positive charged ions
pconc = 0.150

;Charge of negative ions
ncharge = -1

;Radius of negative charged ions
nrad = 1.81

;Concentration of negative charged ions
nconc = 0.150

;Solute dielectric constant
pdie = 2

;Solvent dielectric constant
sdie = 80

;Reference or vacuum dielectric constant
vdie = 1

;Solvent probe radius
srad = 1.4

;Method used to map biomolecular charges on grid. chgm = spl0 or spl2 or spl4
chgm = spl4

;Model used to construct dielectric and ionic boundary. srfm = smol or spl2 or spl4
srfm = smol

;Value for cubic spline window. Only used in case of srfm = spl2 or spl4.
swin = 0.30

;Numebr of grid point per A^2. Not used when (srad = 0.0) or (srfm = spl2 or spl4)
sdens = 10

;Temperature in K
temp = 300

;Type of boundary condition to solve PB equation. bcfl = zero or sdh or mdh or focus or map
bcfl = mdh

;Non-linear (npbe) or linear (lpbe) PB equation to solve
PBsolver = lpbe


;========================================================
;APBS kwywords for Apolar/Non-polar solvation calculation
;========================================================
;Non-polar solvation calculation: "yes" or "no"
apolar = yes

;Repulsive contribution to Non-polar
;===SASA model ====

;Gamma (Surface Tension) kJ/(mol A^2)
gamma = 0.0226778

;Probe radius for SASA (A)
sasrad = 1.4

;Offset (c) kJ/mol
sasaconst = 3.84928

;===SAV model===
;Pressure kJ/(mol A^3)
press = 0

;Probe radius for SAV (A)
savrad = 0

;Offset (c) kJ/mol
savconst = 0

;Attractive contribution to Non-polar
;===WCA model ====
;using WCA method: "yes" or "no"
WCA = no

;Probe radius for WCA
wcarad = 1.20

;bulk solvent density in A^3
bconc = 0.033428

;displacment in A for surface area derivative calculation
dpos = 0.05

;Quadrature grid points per A for molecular surface or solvent accessible surface
APsdens = 20

;Quadrature grid spacing in A for volume integral calculations
grid = 0.45 0.45 0.45

;Parameter to construct solvent related surface or volume
APsrfm = sacc

;Cubic spline window in A for spline based surface definitions
APswin = 0.3

;Temperature in K
APtemp = 300
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 附件二 END, version 20140807, N. Zhou, SCU ///////////////////////////////////



\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 附件三 my example result ///////////////////////////////////
#Complex Number:    1
===============
   SUMMARY   
===============

van der Waal energy      =        -101.565   +/-   11.709 kJ/mol
Electrostattic energy    =        -329.161   +/-   36.608 kJ/mol
Polar solvation energy   =         322.298   +/-   45.109 kJ/mol
SASA energy              =         -13.990   +/-    1.021 kJ/mol
SAV energy               =           0.000   +/-    0.000 kJ/mol
WCA energy               =           0.000   +/-    0.000 kJ/mol
Binding energy           =        -122.418   +/-   24.559 kJ/mol
===============
    END     
===============

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 附件三 END, version 20140814, N. Zhou, SCU ///////////////////////////////////

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发表于 2014-10-16 16:48:27 | 显示全部楼层
本帖最后由 zhuimeng0812 于 2014-10-17 20:48 编辑

我有问题请教楼主:
我用g_mmpbsa计算蛋白和小分子的结合能量,
算non-polar用的是SASA模型,但是算出来数值偏大好多,是不是哪里的细节问题没有注意到,
求指教

用到的命令:g_mmpbsa -f 7-8ns.xtc -s md.tpr -i nonpolar-wca.mdp -n mm.ndx -nomme -pbsa -decomp -apol  apolar.xvg -apcon apolar.dat

计算结果:(一组)van der Waal energy      =        -193.035   +/-    9.768 kJ/mol
                                Electrostattic energy    =        -117.392   +/-   14.038 kJ/ mol
                                Polar solvation energy   =         169.845   +/-    8.646 kJ/mol
                                SASA energy              =          19.360   +/-   12.209 kJ/mol
                                SAV energy               =           0.000   +/-    0.000 kJ/mol
                                WCA energy               =           0.000   +/-    0.000 kJ/mol
                                Binding energy           =        -121.223   +/-   17.473 kJ/mol
               (二组)van der Waal energy      =        -280.684   +/-    9.631 kJ/mol
                             Electrostattic energy    =        -136.934   +/-   15.977 kJ/mol
                             Polar solvation energy   =         203.455   +/-    8.377 kJ/mol
                             SASA energy              =        -245.935   +/-   18.634 kJ/mol
                             SAV energy               =           0.000   +/-    0.000 kJ/mol
                             WCA energy               =           0.000   +/-    0.000 kJ/mol
                             Binding energy           =        -460.098   +/-   20.665 kJ/mol
我测试了两个配体。结果都是SASA energy 这一项,出了问题。
我是不是哪里的小细节,没注意到?
请赐教!



发表于 2015-1-5 00:02:15 | 显示全部楼层
楼主你好,小弟是gromacs初学者,在使用g_mmpbsa计算结合自由能时出现了下面的问题,想向你请教:1、我的蛋白是个复合物(由3条链组成,A链是抗原,H链与L链是一个2聚体),现在我想看看A链与H链之间的结合能,行吗?
2、我在运行在使用mmpbsa分析的时候(附件1)出现这个错误(附件2),该如何解决?3、之后发现ndex.ndx 是通过(附件3)得到,运行这里(附件4)改输入什么或者是选择什 么?
4、假若我前面2、3个问题的做法是错误的,那么第1个问题,该如何解决,谢谢。
附件:

附件1

附件1

附件2

附件2

附件3

附件3

附件4

附件4
发表于 2017-8-3 17:46:45 | 显示全部楼层
solo7773 发表于 2014-8-14 11:19
你好,迟复为歉。你的这个问题,确实也困扰着我。我测试了用amber算和g_mmpbsa来算的差别,比如amber算出 ...

楼上正解!!amber中的能量单位是kcal/mol;gromcas的能量单位是kj/mol;1kcal/mol=4.18kj/mol。另外这两个软件的长度单位,有的地方是Å,有的地方是nm,也要注意;1Å=0.1nm。
发表于 2014-8-11 16:46:19 | 显示全部楼层
我靠,这个贴子必须顶啊!!!!!!!!!!!!!!!!
发表于 2014-8-12 19:49:58 | 显示全部楼层
nice。。
发表于 2014-8-13 08:15:27 | 显示全部楼层
您好,看到您发的g_mmpbsa的帖子。我有一个小问题想请教您:tutorial中1EBZ的ΔGbind=-210KJ/mol。而实验中1EBZ的Ki=0.4nM,根据ΔGbind = RT ln IC50 计算得到的ΔGbind=-53.973KJ/mol。这两个值也差的太多了。本人刚学此软件,还望大神指导
 楼主| 发表于 2014-8-14 11:19:11 | 显示全部楼层

你好,迟复为歉。你的这个问题,确实也困扰着我。我测试了用amber算和g_mmpbsa来算的差别,比如amber算出来只有-54,而g_mmpbsa算出来却有-200左右。我也不是很懂,我个人认为,可能依据你的计算方式,amber里面的pbsa会更准确一些。而对于此g_mmpbsa而言,作者提供了一个在gromacs里面计算pbsa的工具,在一个相对的水平上是可以认为是正确的,但是不一定像amber一样优秀。

点评

单位不一样  发表于 2014-8-16 20:33
发表于 2014-8-14 20:00:12 | 显示全部楼层
谢谢解答,。计算方面的话,我也是按照g_mmpbsa教程中计算的。这个软件确实使gromacs使用者受益良多,恩,从相对水平的话,可能靠谱些。总之,谢谢您
 楼主| 发表于 2014-10-19 03:13:31 | 显示全部楼层
zhuimeng0812 发表于 2014-10-16 16:48
我有问题请教楼主:
我用g_mmpbsa计算蛋白和小分子的结合能量,
算non-polar用的是SASA模型,但是算出来数 ...

你好,请问数值偏大很多是什么意思?和谁比偏大?
发表于 2014-10-30 08:35:02 | 显示全部楼层
和amber的mmpbsa计算值比较
 楼主| 发表于 2014-10-31 17:11:08 | 显示全部楼层
zhuimeng0812 发表于 2014-10-30 08:35
和amber的mmpbsa计算值比较

单位不一样哈。一个是Kcal,一个是Kj/mol
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