Simulationen
Protokolle für hochmoderne Molekulardynamik-Simulationen
Simulieren biologischer Systeme mit Spitzentools
Biomolekular-Prozesse basieren auf einer Vielzahl dynamischer Wechselwirkungen zwischen Proteinen, Liganden, Lösungsmitteln und Ionen. Oft sind die Besonderheiten dieser Wechselwirkungen nur schwer durch physikalische Experimente zu erfassen, da sie nur in kurzen Zeiträumen stattfinden. Die Simulation kann dabei helfen, die Energie dieser Prozesse zu verdeutlichen, indem sie einen Einblick in deren Wirkmechanismus und Eigenschaften bietet.
BIOVIA Discovery Studio nutzt Programme der Spitzenklasse für Molekulardynamik-Simulationen, z. B.NAMD und CHARMm. Darüber hinaus ist auch die Gaußsche beschleunigte Molekulardynamik (GaMD) in der neuesten Version von Discovery Studio implementiert. So werden simultane, uneingeschränkte, erweiterte Stichproben und Berechnungen der freien Energie ermöglicht.
- Simulieren
- Modellieren
- Kennenlernen
Simulieren
- CHARMm
- NAMD
- Ausführen von MD-Simulationen für explizite Lösungsmittel
- Ein Protein mit expliziter Membran lösen und MD-Simulationen durchführen
- DMol3/CHARMm
- Berechnung von Einpunkt-Energien oder Durchführung von Minimalisierungen von Rezeptor-Ligand-Komplexen mithilfe hybrider QM/MM-Simulationen (Quantenmechanik/molekulare Mechanik)
- Implementierung von GaMD für die gleichzeitige, uneingeschränkte, erweiterte Stichprobennahme und Berechnungen der freien Energie
- Konfigurieren und Durchführen einer GaMD-Äquilibrierung mit automatischer Parametrierung der benötigten Ertragspotenziale
- GaMD-Simulationen ausführen und neu starten
- Einschätzen einer freien Energielandschaft anhand von MD-Trajektorien und Ermöglichen einer statistische Neugewichtung von GaMD-Simulationen
Modellieren
- Unterstützung für eine Vielzahl von Kraftfeldern, einschließlich CGenFF, charmm36, CHARMm und andere
- Abgleichmethode für die Eingabe von Liganden mit charmm36
- Vollständige Unterstützung des CHARMM-Patching-Mechanismus
- Schnelle explizite wässrige Solvatisierungsmethode mit optionalen Gegenionen, geeignet für sehr große molekulare Systeme
- Solvatisierung von Transmembranprotein in voräquilibrierte Lipiddoppelschicht
- Analyse von MD-Trajektorien
Kennenlernen
- Schnelle und genaue Vorhersagen zu Proteinionisation und Rückstands-pKs-Vorhersagen für die Proteinvorbereitung
- Verwenden von CDOCKER, einer CHARMm-basierten Docking-Engine für flexibles ligandenbasiertes Andocken und Verfeinerung
- Posen-Optimierung mehrerer Liganden im Kontext eines Rezeptors
- Berechnung der Bindungsenergie angedockter Posen
- Genaue Vorhersage der relativen Liganden-Bindungsenergie für eine kongenerische Ligandenreihe mithilfe der Methode der Freie-Energie-Störung (FEP)
- Berechnung der relativen freien Bindungsenergie für eine kombinatorische Bibliothek von Liganden, die von Multi-Site Lambda Dynamics (MSLD) modelliert wurde
- Einschätzung der freien Ligandenbindung und Untersuchung der Ligandenbindung mithilfe von CHARMm-basierten gesteuerten Molekulardynamik-Simulationen (SMD)
- Untersuchung der elektrostatischen Potentialauswirkungen mit der CHARMm Poisson-Boltzmann (PB)-Gleichung
Beginnen Sie Ihre Reise
Wirkstoffforschung mit BIOVIA Discovery Studio beschleunigen.
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Häufig gestellte Fragen zu Molekulardynamik-Software und Programmen
Eine Molekulardynamik-Simulation (MD-Simulation) ist eine computerbasierte Methode zur Untersuchung der physikalischen Bewegungen von Atomen und Molekülen im Zeitverlauf. Sie hilft beim Verständnis des Verhaltens komplexer Systeme, indem Wechselwirkungen auf atomarer Ebene unter bestimmten Bedingungen simuliert werden.
Die Simulationsmethode der Molekulardynamik (MD) ist eine Computertechnik, die zur Modellierung der physikalischen Bewegungen von Atomen und Molekülen im Zeitverlauf verwendet wird. Sie simuliert die Wechselwirkungen zwischen Partikeln (z. B. Atome, Moleküle oder Ionen) auf der Grundlage klassischer Mechanik, in der Regel unter Verwendung der Bewegungsgesetze von Newton. Durch die Berechnung der Kräfte zwischen diesen Partikeln sagen MD-Simulationen vorher, wie sich ihre Positionen im Laufe der Zeit entwickeln, sodass Forscher das dynamische Verhalten komplexer molekularer Systeme wie Proteine, Nukleinsäuren oder Materialien in verschiedenen Umgebungen untersuchen können.
Simulationen der Molekulardynamik liefern Einblicke in die Wechselwirkungen von Medikamenten mit ihren Zielproteinen auf atomarer Ebene. Dies ermöglicht es Forschern, Bindungsaffinitäten vorherzusagen, Arzneimittelkandidaten zu optimieren und wirksamere Therapien zu entwickeln, ohne dass umfangreiche physikalische Experimente erforderlich sind.
Molekulardynamik-Simulationen unterstützen Forscher bei der Visualisierung von Wechselwirkungen zwischen Medikamenten, der Vorhersage der Stabilität der Arzneimittelbindung und der Beurteilung, wie molekulare Veränderungen die Wirksamkeit eines Arzneimittels beeinflussen. Dies beschleunigt die Identifizierung potenzieller Arzneimittelkandidaten und reduziert den Zeit- und Kostenaufwand für experimentelle Studien.
Es gibt verschiedene Arten von MD-Simulationen, darunter:
- Klassische MD (Standardsimulation von Molekularsystemen),
- Beschleunigte MD (für schnellere Stichprobennahme von Konformationen),
- Quantenmechanik/molekulare Mechanik (QM/MM) (Hybridsimulationen für chemische Reaktionen),
- Gaußsche beschleunigte MD (GaMD), welche die Stichprobennahme für komplexe Biomolekularsysteme verbessert.
In der folgenden Vergleichstabelle werden die wichtigsten Unterschiede zwischen NAMD und CHARMm in klassischen Molekulardynamik-Simulationen hervorgehoben, z. B. Aspekte wie Funktionalität, Recheneffizienz, Systemgröße und Anwendungsfälle:
| Komponente | NAMD | CHARMm |
|---|---|---|
| Hauptfunktion | Spezialisiert auf parallele Molekulardynamik-Simulationen für große Systeme. | Simulationssoftware für Molekulardynamik mit Schwerpunkt auf Kraftfeldberechnungen. |
| Entwickler | Entwickelt von der Theoretical and Computational Biophysics Group (TCBG). | Entwickelt von Accelrys/BIOVIA. |
| Rechnerische Effizienz | Hochgradig optimiert für die parallele Verarbeitung auf Clustern und Supercomputern. | Effizient für kleinere Systeme; weniger Fokus auf großflächige Parallelisierung. |
| Kraftfelder werden unterstützt | Verwendet hauptsächlich CHARMM-Kraftfelder, unterstützt aber auch AMBER (biomolekulares Simulationsprogramm) und andere. | Basiert auf dem CHARMM-Kraftfeld (Chemistry at Harvard Molecular Mechanics). |
| Systemgröße | Geeignet für große biomolekulare Systeme wie Proteine und Membranen. | Ideal für kleinere Systeme und QM/MM-Simulationen. |
| GPU-Support | Umfangreiche GPU-Unterstützung für Beschleunigung mit CUDA. | Begrenzte GPU-Beschleunigung über DOMDEC und OpenMM. |
| Erweiterte Funktionen | Unterstützt erweiterte Simulationen wie gesteuerte MD, Replika-Austausch MD. | Starke Unterstützung für QM/MM-Simulationen und Liganden-Andocken. |
| Anwendungsfälle | Optimal für umfangreiche Hochleistungssimulationen von Proteinen und Membranen. | Wird für das Arzneimitteldesign, das Andocken des Liganden und die detaillierte Kraftfeldanalyse verwendet. |
| Einfache Bedienung | Erfordert eine gewisse Komplexität bei der Einrichtung für die parallele Berechnung. | Einfachere Einrichtung für kleinere Systeme oder bei Integration in Discovery Studio. |
| Community-Support | Weit verbreitet in der wissenschaftlichen Forschung in großen Anwender-Communitys. | Mehr Nischenmärkte, die häufig in der Industrie für die Wirkstoffforschung eingesetzt werden. |
Molekulardynamik-Simulationen mit BIOVIA Discovery Studio bieten leistungsstarke Tools wie NAMD und CHARMm zur präzisen Modellierung komplexer biomolekularer Wechselwirkungen. Mit der Gaußschen beschleunigten MD (GaMD) für verbesserte Stichprobennahme und Berechnungen der freien Energie können Forscher molekulare Prozesse effizient untersuchen. Die Software unterstützt verschiedene Kraftfelder und molekulare Modellierungstechniken, was sie für die Wirkstoffforschung unerlässlich macht und Benutzern dabei hilft, Wechselwirkungen auf atomarer Ebene zu simulieren, zu modellieren und zu analysieren.
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