آموزش دینامیک مولکولی با نرم افزار VMD، GROMACS، Material Studio، NAMD و LAMMPS

آموزش دینامیک مولکولی با نرم افزار

نرم افزار Materials Studio

نرم افزار Materials Studio پیشرفته ترین و در عین حال آسان‌ترین محیط برای مدل‌سازی و ارزیابی عملکرد و رفتار مواد است. با استفاده از Materials Studio، دانشمندان می توانند مزایای زیر را تجربه کنند:

• کاهش هزینه و زمان مرتبط با آزمایش و آزمایش فیزیکی از طریق غربالگری مجازی مواد کاندید.
• تسریع در فرآیند نوآوری و توسعه مواد جدید با عملکرد بهتر، پایدارتر و مقرون به صرفه‌تر سریع‌تر از آنچه با آزمایش فیزیکی انجام می‌شود.
• بهبود درک اساسی از رابطه بین ساختار اتمی و مولکولی با خواص و رفتار مواد.
• قابلیت های قدرتمند بیوانفورماتیک مواد از طریق پذیرش علم مواد محاسباتی به عنوان مکمل های آزمایشگاهی. • اتوماسیون و به اشتراک گذاری بهترین روش با مجموعه Materials Studio برای پایلوت.

شیمیدانان، دانشمندان پلیمر و سایر دانشمندان مواد از طریق Materials Visualize، ساده‌ترین و کامل‌ترین محیط گرافیکی کاربر پسند را  برای مدل‌سازی و شبیه‌سازی مواد، سریع‌تر و با تلاش کمتری فراهم می آورند. نرم افزار Materials Visualize قابلیت ساخت، دستکاری و مشاهده مدل‌های مولکول‌ها، مواد کریستالی، سطوح، پلیمرها و ساختارهای مقیاس متوسط ​​را فراهم می‌کند.

همچنین از طیف کامل شبیه سازی های Materials Studio با قابلیت تجسم نتایج از طریق تصاویر، انیمیشن ها، نمودارها، جداول و داده های متنی پشتیبانی می کند. بیشتر ابزارهای موجود در Materials Visualizer نیز از طریق MaterialsScript API  قابل دسترسی هستند و به کاربران متخصص اجازه می‌دهند قابلیت‌های سفارشی ایجاد کرده و کارهای تکراری را خودکار کنند. سرویس گیرنده مایکروسافت ویندوز Materials Visualizer با طیف وسیعی از معماری های سرور ویندوز و لینوکس کار می کند تا تجربه کاربری بسیار پاسخگو را ارائه دهد.

تکنولوژی Solution نرم افزار Materials Studio طیف کاملی از قابلیت‌های شبیه‌سازی از ابزارهای کوانتومی، اتمی، مقیاس متوسط، آماری، تحلیلی و تبلور را ارائه می‌دهد. طیف وسیع راه‌حل‌ها محققان را قادر می‌سازد تا مواد را در اندازه‌های ذرات مختلف و مقیاس‌های زمانی ارزیابی کنند تا خواص را با دقت بیشتری پیش‌بینی کنند و عملکرد را در کوتاه‌ترین زمان ممکن ارزیابی کنند.

ابزار QUANTUM نرم افزار Materials Studio طیف وسیعی از حل‌کننده‌های مبتنی بر نظریه تابعی چگالی و روش‌های نیمه تجربی را برای پیش‌بینی خواص مواد مولکولی و حالت جامد از ساختار الکترونیکی ارائه می‌کند، همچنین شامل حل‌کننده‌های تخصصی برای استفاده از انرژی‌ها و خواص کوانتومی مشتق‌شده از مکانیک کوانتومی در واکنش‌های شیمیایی است.

ابزارهای شبیه سازی کلاسیک Materials Studio طیف بسیار گسترده ای از روش ها را بر اساس برهمکنش های کلاسیک بین اتم ها و مولکول ها ارائه می دهد. اینها شامل دینامیک مولکولی، دینامیک شبکه و روش‌های مختلف مبتنی بر مونت کارلو و همچنین ارائه میدان‌های نیرو است.

ابزارهای شبیه سازی MESOSCALE

روش های Mesoscale در Materials Studio مبتنی بر دو رویکرد هستند که در آن گروه هایی از اتم ها با مهره ها جایگزین می شوند یا مناطقی از مواد با میدان های چگالی نشان داده می شوند. با استفاده از این رویکردها، می‌توان مقیاس‌های طول و زمان قابل دسترسی را با چندین مرتبه بزرگی بر روی شبیه‌سازی‌های کلاسیک گسترش داد.

ابزارهای آماری برای غربالگری سریع ترکیبات با ربط دادن مستقیم صفات مولکولی به مقادیر تجربی مشاهده شده ایده آل هستند.

ابزارهای تحلیلی و تبلور برای بررسی، پیش‌بینی و اصلاح ساختار بلوری و رشد کریستال استفاده می‌شوند.

درباره نرم افزار GROMACS بیشتر بدانید

نرم افزار GROMACS یک بسته همه کاره برای انجام دینامیک مولکولی است، یعنی شبیه سازی معادلات حرکت نیوتنی برای سیستم هایی با صدها تا میلیون ها ذره انجام می دهد و یک پروژه جامعه محور است. مشارکت‌ها به اشکال مختلف، از جمله بهبود اسناد، پیوست هایی برای رفع اشکال‌ها، مشاوره در انجمن‌ها، گزارش‌های اشکال که به ما امکان می‌دهند مشکل را بازتولید کنیم. عملکردهای جدید، مورد استقبال قرار می‌گیرند. می توانید صفحه توسعه را ببینید و یک مشکل را گزارش کنید.

GROMACS اساسا برای مولکول‌های بیوشیمیایی مانند پروتئین‌ها، لیپیدها و اسیدهای نوکلئیک که دارای برهمکنش‌های پیوندی پیچیده هستند، طراحی شده است، اما از آنجایی که GROMACS در محاسبه برهم‌کنش‌های غیرپیوندی که معمولا بر شبیه‌سازی‌ها غالب هستند، بسیار سریع است. بسیاری از گروه‌ها از آن برای تحقیقات در حوزه ی سیستم های بیولوژیکی استفاده می‌کنند. به عنوان مثال پلیمرها و دینامیک سیالات.

نرم افزار GROMACS از همه الگوریتم‌های معمولی که از اجرای دینامیک مولکولی مدرن انتظار دارید پشتیبانی می‌کند، اما چندین ویژگی نیز وجود دارد که آن را از رقبا متمایز می‌کند:

نرم افزار GROMACS عملکرد بسیار بالایی را در مقایسه با سایر برنامه ها ارائه می دهد. بسیاری از بهینه سازی های الگوریتمی در کد معرفی شده است. به عنوان مثال، ما محاسبه ویروس را از درونی ترین حلقه ها بر روی فعل و انفعالات استخراج کرده ایم و از روتین های نرم افزاری خودمان برای محاسبه ریشه دوم معکوس استفاده می کنیم. هسته های محاسباتی با استفاده از SIMD برای CPU ها و CUDA، OpenCL و SYCL برای پردازنده های گرافیکی نوشته شده اند. بنابراین می توان از پتانسیل کامل تمام CPU و GPU های مدرن استفاده کرد.

نرم افزار GROMACS می تواند همزمان از CPU و GPU در یک سیستم استفاده کند. گزینه هایی برای متعادل کردن بار بین منابع مختلف به صورت ایستا و پویا وجود دارد.

نرم افزار GROMACS کاربر پسند می باشد. بررسی‌های سازگاری زیادی وجود دارد و هنگامی که مشکلی وجود دارد، پیام‌های خطای واضح صادر می‌شود. از آنجایی که از یک پیش پردازنده C استفاده می شود، می توانید قسمت های شرطی را در توپولوژی های خود داشته باشید و فایل های دیگری را نیز شامل کنید. شما حتی می توانید اکثر فایل ها را فشرده کنید و GROMAC به صورت خودکار آنها را پس از خواندن از طریق gzip  فشرده می کند.

در نرم افزار GROMACS نیازی به برنامه نویسی نیست و همه برنامه ها از یک رابط ساده با گزینه های خط فرمان برای فایل های ورودی و خروجی استفاده می کنند. همیشه می‌توانید با استفاده از گزینه -h در مورد گزینه‌ها کمک بگیرید، یا از کتابچه‌های راهنمای گسترده ارائه شده رایگان در قالب الکترونیکی یا کاغذی استفاده کنید. کار مداومی بر روی یک API پایتون وجود دارد که اسکریپت‌نویسی تنظیم، اجرا و تجزیه و تحلیل شبیه‌سازی را ممکن می‌سازد.

نرم افزار GROMACS می تواند مختصات را با استفاده از فشرده سازی بنویسد که روش بسیار فشرده ای برای ذخیره داده های مسیر ارائه می دهد. دقت می تواند توسط کاربر انتخاب شود.

نرم افزار GROMACS مجموعه وسیعی از ابزارهای انعطاف پذیر برای تجزیه و تحلیل مسیر ارائه میدهد و فرمت های خروجی نیز توسط تمام بسته های اصلی تجزیه و تحلیل و تجسم پشتیبانی می شوند.

نرم افزار GROMACS را می توان به صورت موازی، با استفاده از پروتکل ارتباطی استاندارد MPI، یا از طریق کتابخانه Thread MPI خودمان اجرا کرد.

نرم افزار GROMACS شامل چندین الگوریتم پیشرفته است که امکان افزایش قابل توجه مراحل زمانی شبیه سازی ها را فراهم می کند و در نتیجه عملکرد را بدون از دست دادن دقت یا جزئیات افزایش می دهد. این بسته شامل یک سازنده توپولوژی کاملا خودکار برای پروتئین ها، حتی ساختارهای چندمری است. بلوک های ساختمانی برای ۲۰ باقیمانده آمینواسید استاندارد و همچنین برخی از آنها اصلاح شده، ۴ نوکلئوتید و ۴ دئوکسی نوکلئوتید، چندین قند و لیپید و برخی گروه های خاص مانند هِم ها و چندین مولکول کوچک در دسترس هستند.

نرم افزار GROMACS از طریق ماژول ها از طریق رابط MDModules قابل توسعه است. GROMACS یک نرم افزار رایگان است که تحت مجوز عمومی عمومی LGPL نسخه ۲.۱ در دسترس است

در مورد نرم افزار VMD بیشتر بدانیم

نرم افزار VMD مخفف Visual Molecular Dynamics می باشد که یک برنامه تجسم و تجزیه و تحلیل مولکولی است که برای سیستم های بیولوژیکی مانند پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک، مجموعه های دولایه لیپیدی و غیره طراحی شده است. این برنامه توسط گروه بیوفیزیک نظری و محاسباتی در دانشگاه ایلینو در اوربانا توسعه یافته است.

در بین برنامه‌های گرافیک مولکولی، VMD از نظر توانایی کارآمد در مسیرهای دینامیک مولکولی چند گیگابایتی، قابلیت همکاری با تعداد زیادی بسته شبیه‌سازی دینامیک مولکولی را دارا می باشد و هچنین قادر به ادغام اطلاعات ساختار و توالی، منحصربه‌فرد است.

از جمله ویژگی های کلیدی VMD می توان به موارد زیر اشاره نمود:

• تجسم مولکولی سه بعدی عمومی با روش های گسترده ترسیم و رنگ آمیزی
• نحو گسترده انتخاب اتم برای انتخاب زیر مجموعه اتم ها برای نمایش
• تجسم داده های مولکولی دینامیک
• تجسم داده های حجیم
• پشتیبانی از اکثر فرمت های فایل داده های مولکولی
• هیچ محدودیتی در تعداد اتم ها، مولکول ها، یا فریم های مسیر، به جز حافظه موجود وجود ندارد
• دستورات آنالیز مولکولی
• ارائه تصاویر مولکولی با وضوح بالا و با کیفیت انتشار
• قابلیت ساخت فیلم
• ساخت و آماده سازی سیستم ها برای شبیه سازی دینامیک مولکولی
• شبیه سازی دینامیک مولکولی تعاملی
• برنامه های افزودنی برای زبان های برنامه نویسی Tcl/Python
• کد منبع توسعه پذیر نوشته شده در C و C++

دانلود نرم افزار VMD

نرم افزار VMD از تمام پلتفرم های اصلی کامپیوتر پشتیبانی می کند و می توان آن را از صفحه اصلی VMD http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd دریافت کرد. برای نصب دستورالعمل آنلاین را می توانید دنبال کنید.

در مورد نرم افزار NAMD بیشتر بدانید

نرم افزار NAMD یک کد دینامیک مولکولی موازی است که برای شبیه‌سازی سیستم های بیومولکولی بزرگ با کارایی بالا طراحی شده است. نرم افزار NAMD به صدها پردازنده در پلتفرم‌های موازی پیشرفته، و همچنین ده‌ها پردازنده مقیاس می‌شود و همچنین روی رایانه‌ها و لپ‌تاپ جداگانه اجرا می‌شود. نرم افزار NAMD با توابع، پارامترها و فرمت های فایل بالقوه AMBER و CHARMM کار می کند.

نرم افزار NAMD برای فعال کردن شبیه‌سازی‌های MD سیستم‌های زیست مولکولی، با استفاده از بهترین فناوری موجود برای ارائه حداکثر عملکرد ممکن به محققان توسعه داده شد. در دهه گذشته اندازه و مدت شبیه سازی به طور چشمگیری افزایش یافته است. ده سال پیش شبیه سازی ۳۶۰۰۰ اتم با سرعت ps۱۰۰ گزارش شده است که بسیار پیشرفته در نظر گرفته می شود.

افزایش هزار برابری در قابلیت (ده برابر در تعداد اتم ها و بیش از صد برابر در طول شبیه سازی) تا حدی با پیشرفت در عملکرد پردازنده فعال شده است. با این حال، پیشرفت قابل توجهی نیز از بهره برداری از ضریب صد یا بیشتر در عملکرد موجود از طریق استفاده از محاسبات موازی گسترده، هماهنگ کردن تلاش های پردازنده های متعدد برای پرداختن به یک محاسبه منفرد حاصل شده است.

نرم افزار NAMD در c++ پیاده سازی شده است که محبوب ترین و گسترده ترین زبان برنامه نویسی می باشد که از این روش ها پشتیبانی می کند. با موازی سازی خودکار کامپایلرها و زبان ها اکثر برنامه نویسان از کتابخانه های Message Passing Interface (MPI)  در ترکیب با C، C++  یا Fortran استفاده می کنند.

نرم افزار NAMD بر اساس سیستم برنامه نویسی موازی Charm++ می باشد. در Charm++، محاسبات به اشیایی تجزیه می شود که با ارسال پیام به اشیاء دیگر در همان پردازنده یا از راه دور، تعامل دارند. این پیام‌ها ناهمزمان و یک طرفه هستند. سیستم Charm++ به NAMD اجازه می دهد به راحتی به پلتفرم های جدید منتقل شود.

با نرم افزار LAMPS بیشتر آشنا شوید

نرم افزار LAMPS مخفف Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator  می باشد که یک برنامه دینامیک مولکولی از آزمایشگاه ملی ساندیا است. نرم افزار LAMPS از رابط عبور پیام MPI برای ارتباطات موازی استفاده می کند و نرم افزاری رایگان و open source است.

نرم افزار LAMPS در اصل تحت یک توافقنامه تحقیق و توسعه همکاری (CRADA) بین دو آزمایشگاه از وزارت انرژی ایالات متحده و سه آزمایشگاه دیگر از شرکت های بخش خصوصی توسعه یافته است. از سال ۲۰۱۶، توسط محققان آزمایشگاه ملی ساندیا و دانشگاه تمپل نگهداری و توزیع شده است.

برای کارایی محاسباتی، نرم افزار LAMPS از لیست های Verlet برای پیگیری ذرات نزدیک استفاده می کند. لیست ها برای سیستم هایی با ذراتی در فواصل کوتاه، بهینه شده اند، به طوری که چگالی محلی ذرات هرگز خیلی بزرگ نمی شود.

در رایانه ها نرم افزار LAMPS از تکنیک های تجزیه فضایی برای تقسیم دامنه شبیه سازی به زیر دامنه های کوچک سه بعدی استفاده می کند که یکی از آنها به هر پردازنده اختصاص داده می شود. پردازنده‌ها اطلاعات اتم را برای اتم‌هایی که با دامنه فرعی آنها هم مرز هستند، ارتباط برقرار کرده و ذخیره می‌کنند. نرم افزار LAMPS برای سیستم هایی که ذرات آن یک جعبه مستطیلی سه بعدی با چگالی تقریبا یکنواخت را پر می کند، در مفهوم محاسباتی موازی، کارآمدترین محسوب می شود. نرم افزار LAMPS با بسیاری از ابزارها و موتورهای آنالیز در ارتباط است.

با شرکت در دوره کارآموزی طراحی دارو ژنیران، دانش خود را درباره دینامیک مولکولی افزایش دهید:

دوره مهارت آموزی طراحی دارو

منبع1

منبع2