使用 CHARMM-GUI 与 GROMACS 构建蛋白-小分子水溶液体系

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使用 CHARMM-GUI 与 GROMACS 构建蛋白-小分子水溶液体系：以 6T5U 复合物为例

1. 下载结构文件

访问 RCSB PDB 网站，或打开 VMD 2.0 后点击 Plugins -> Data -> PDB Database Query，下载 6T5U.pdb 文件，如图所示：

该复合物为 SARS-CoV-2 主蛋白酶（Mpro）与抑制剂 N3 的结合结构，共包含 2984 个原子，由两条链（A 和 B）组成。

2. 使用 CHARMM-GUI 生成输入文件

CHARMM-GUI 是一个功能强大的基于网页的界面，能够自动化完成大部分繁琐的预处理步骤，显著降低了 GROMACS 的使用门槛。

在本例中，我们需要使用 CHARMM-GUI 为该复合物（蛋白质与小分子）分配力场参数，将其置于水盒子中，并添加离子以中和体系电荷、模拟生理离子浓度。

访问 CHARMM-GUI 官网，依次选择 Input Generator -> Solution Builder -> Protein Solution System -> Upload PDB File，上传 .pdb 文件。点击 Next Step 后，CHARMM-GUI 会自动读取并解析文件中的链和组分。

2.1 Select Model/Chain

在 Model/Chain Selection Option 部分，Type 列标注为 Protein、Hetero 和 Water 的行分别对应蛋白质链、杂原子基团以及晶体结构中的水分子。

取消勾选 Type 列为 Water 的组分，如下图所示。因为在后续步骤中，我们将把复合物置于一个更大的水盒子中进行溶剂化处理，原有晶体水分子的位置将被新添加的动态水分子覆盖，移除它们可避免潜在的位置冲突。

注意勾选 Check pKa 选项，该功能将调用外部工具预测各可电离氨基酸残基在指定 pH 条件下的质子化状态。

确认设置无误后，点击 Next Step 继续。

2.2 Manipulate PDB

PDB Manipulation Options 界面主要包含三个关键部分：配体力场生成方式、末端修补设置和缺失残基建模。

针对当前体系（6T5U），基本无需调整任何参数，直接点击 Next Step 即可。CHARMM-GUI 将依据预设依次执行以下操作：

自动补全结构中缺失的残基；

为蛋白质和 GDP 分子应用标准力场参数；

将 MKW 小分子的结构提交至 CGenFF 服务器以生成相应力场参数；

生成一个经过完整处理的新 PDB 文件，并自动进入下一步（水溶液环境设置）。

2.3 Generate PDB

点击 view structure 可以查看 CHARMM-GUI 处理后的蛋白质结构，如下图所示。

2.3.1 在 Waterbox Size Options 设置水溶液环境:

选择 Fit Waterbox Size to Protein Size，由 CHARMM-GUI 自动计算能够容纳蛋白复合物的最小盒子尺寸。

设置 Waterbox type: Rectangular，Enter Edge Distance: 10.0。

Rectangular 为标准的立方体水盒子，对所有主流分子动力学软件具有最佳兼容性。
设定边界距离为 10 Å，可确保水盒子表面与蛋白质任意原子之间的最小距离为 10 Å，从而避免在周期性边界条件下蛋白质与其镜像之间出现不合理的相互作用。

2.3.2 在 Add Ions 步骤中添加离子以保持体系的物理合理性：

CHARMM-GUI 会自动计算体系的净电荷，并建议添加必要的离子（如 Na⁺ 或 Cl⁻）使体系整体电中性。

系统会通过蒙特卡洛方法尝试多种离子放置方式，并选择能量最优的构型。

在 Concentration 中选择 0.15 M 的 NaCl，以模拟生理盐浓度环境。

请确保勾选 Neutralize 选项，系统将自动根据整个蛋白-小分子复合物的净电荷添加相应数量的离子，实现体系电中性。

点击 Calculate Solvent Composition，即可自动计算溶液中所需添加的离子数量。

如上图所示，确认所有设置无误后，点击 Next Step 进入下一步。

2.4 Solvate Molecule

在 Periodic Boundary Condition Options 部分，选择 Generate grid information for PME FFT automatically 即可。该选项用于自动生成粒子网格埃瓦尔德方法所需的网格参数。PME 是一种高效计算长程静电相互作用的算法，已成为现代分子动力学模拟的标准配置。

确认设置无误后，点击 Next Step 继续。

2.5 Setup Periodic Boundary Condition

这个界面主要包含“力场选项”和“输入生成选项”两部分。

力场选项：选择 CHARMM36m 力场，这是目前针对蛋白质体系最可靠的力场之一。同时请勾选 WYF parameter，该选项是 CHARMM36m 力场的一个重要扩展。

输入生成选项：在支持的软件列表中勾选 GROMACS。

平衡阶段默认使用 NVT 系综，表示 CHARMM-GUI 将生成用于 NVT 平衡（恒定粒子数、体积和温度）的模拟参数文件，目的是使体系温度稳定至目标值。
动力学阶段默认使用 NPT 系综，建议将温度设置为 310.15 K。该阶段旨在使体系密度达到稳定，后续的生产模拟也将在 NPT 系综下进行。

确认所有设置无误后，点击 Next Step 继续。

2.6 Generate Equilibration and Dynamics inputs

生成完成后，页面将出现名为 download.tgz 的下载链接。点击下载该压缩包，其中包含运行模拟所需的全部最终文件：

.gro 文件：体系的坐标文件。

.top 文件：体系的拓扑文件。

多个 .mdp 文件：分别用于能量最小化、NVT 平衡、NPT 平衡以及生产模拟的参数设置文件。

小分子的 .itp 文件：包含 N3 分子的专用力场参数。

脚本文件（.sh）：用于自动执行模拟流程的脚本。

上传课题组集群解压，然后启动 GROMACS 分子动力学模拟。

3. GROMACS 模拟

创建 gromacs.sh 脚本以实现分子动力学模拟的全流程自动化：

该脚本将依次执行能量最小化、体系平衡（NVT）及 10 轮连续的生产模拟，自动衔接各步骤，实现高效、可重启的长时间模拟。

使用 chmod +x gromacs.sh 为脚本添加可执行权限，然后通过 PBS 作业脚本 qsub rungmx.pbs 提交计算任务。

4. 处理轨迹

将 GROMACS 轨迹处理命令保存为 process_trajectory.sh，如下所示：

使用 chmod +x process_trajectory.sh 为脚本添加可执行权限，然后通过 PBS 作业脚本 qsub trajectory_process.pbs 提交作业。

运行脚本生成结构文件 reference.pdb 和轨迹文件 fitted_trajectory.xtc 的组合。蛋白质在轨迹中保持居中，便于观察构象变化；同时去除了平动和转动，只保留内部运动。

5. VMD 可视化

在 VMD 2.0 中点击 File -> New Molecule... 加载 reference.pdb 文件，然后 source visualization.tcl 进行可视化与渲染：

点击 File -> Render...，选择 Tachyon 渲染器，点击 Start Rendering 即可在 VMD 2.0 的安装目录下生成 Tachyon 渲染器的输入文件 vmdscene.dat。

随后，在该目录创建 render.bat 文件，用于将 vmdscene.dat 文件中的数据绘制成图片。render.bat 文件内容如下：

双击运行 render.bat，即可生成渲染后的图像 VMD.bmp ，如下图所示：