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[NAMD] NAMD自由能计算教程—1、用eABF和meta-eABF进行多维自由能计算

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本帖最后由 fhh2626 于 2020-5-28 16:18 编辑

NAMD自由能计算教程—1、用eABF和meta-eABF进行多维自由能计算
fhh2626  Updated in 2020/5/28
本文首发计算化学公社分子模拟板块,禁止转载。
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2020/5/28
well-tempered-meta-eABF的用法(建议使用这个)
NAMD 2.14b1及后续版本中边界力常数的设置方法
expandBoundaries选项

目前几大MD软件当中,Gromacs的中文资料比较丰富,而其他软件的则较少。尤其是NAMD,在网上很难找到中文教程。因此,作为NAMD的developer之一,我决定开一个坑,向大家介绍一下NAMD的中高级功能,可能包括但不限于TclForce,QM/MM,自由能计算,可极化力场,广义系综等等。希望我的教程能让大家觉得NAMD比别的MD软件要强大:)
这一系列教程假定读者已经具有一定的MD基础,能自己建立输入文件并且跑简单的平衡模拟(对于志在科研的你来说应该做得到吧。。。),由于我比较擅长自由能计算,所以我准备先介绍自由能计算这个主题,暂定有以下几个内容:
1、用eABF和meta-eABF进行多维自由能计算
2、谈谈metadynamics和其estimator
3、umbrella sampling、选择反应坐标和自由能计算当中的tricks
4、Colvars模块的高级应用
5、“炼金术”方法——FEP和TI
6、精确结合自由能计算和BFEE插件
下面进入主题。我把自由能计算方法大致分为两类:基于“炼金术”(alchemistry)的自由能计算方法和基于反应坐标的自由能计算方法。前者主要包括FEP和TI,由于其可以直接消失生长原子而不顾及化学原理,形似“炼金术”而得名。后者则包括ABF、Metadynamics、Umbrella Sampling和SMD四大方法。SMD是非平衡模拟方法,这里不多介绍,这个主题主要介绍其他的自由能计算方法。
如果要使用NAMD的话,则推荐使用ABF类方法,原因是NAMD的作者之一Chris Chipot和NAMD中自由能计算模块Colvars的作者Jérôme Hénin都是ABF阵营的兄弟。所以NAMD对ABF的支持较好。
在这个主题中,我会向大家介绍两种ABF的衍生方法,eABF和meta-eABF方法。其中eABF方法的基本原理是由Tony Lelièvre和Yang Wei首先提出的,由我最先实现在NAMD当中,之后Jerome提出了eABF的两个改进(czar estimator和pABF)。eABF目前是ABF的公认上位方法,即在任何情况下都应该使用eABF和不是传统ABF。meta-eABF是我最近提出的,(私货注意)是目前最快的自由能计算方法之一,(私货注意)我个人认为在任何情况下都可以使用meta-eABF代替eABF和metadynamics。
这里不详细讨论两种方法的原理,我会在第二讲和第三讲中涉及到各个方法的原理。此外,要详细了解原理或者引用参考文献的可以参考这几篇文献:
eABF:
Fu et al. J. Chem. Theory Comput., 2016, 12(8), pp 3506–3513
Lesage et al. J. Phys. Chem. B, 2017, 121(15), pp 3676–3685
meta-eABF:
Fu et al. J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9(16), pp 4738–4745
Well-tempered-meta-eABF
Fu et al. Acc. Chem. Res. 2019, 52 (11), 3254–3264
下面以NANMA为例来介绍这两种方法的使用。NANMA又称alanine dipeptide,其构象变化通常可以用两个二面角来描述,这里我们将计算沿着这两个二面角的自由能变化:
1.jpg

这里假定读者具有能自己生成大部分输入文件的基础,生成好的pdb,psf和namd文件已经提供在附件当中。
namd文件中有以下几句话:
colvars                on
这句话表示激活NAMD当中的Colvars模块
colvarsConfig          colvarsA.in
这句话表示Colvars模块的输入文件名为colvarsA.in
然后打开colvarsA.in文件
colvarsTrajFrequency    20000
colvarsRestartFrequency 1000000
上面两句分别定义了colvars文件记录数据的频率和输出的频率
colvar {
name phi
这里定义了一个叫phi的几何变量
width 5.0
该几何变量记录数据的精度
lowerboundary -180
upperboundary 180
记录的上下界
extendedlagrangian   on
extendedFluctuation  5.0
extendedTimeConstant   200
定义体系中的扩展自由度,即eABF中的“e”,这里不用深究含义,对于任何体系均可设置extendedFluctuation=width和extendedTimeConstant=200
dihedral {
   group1 {
     atomnumbers 13
    }
   group2 {
     atomnumbers 15
    }
   group3 {
     atomnumbers 17
    }
   group4 {
     atomnumbers 1
    }
  }
  对于dihedral,即二面角colvar,需要定义4个原子(团),这里定义了13-15-17-1的二面角。定义原子(团)可以直接指定pdb当中的原子序号,也可以通过给一个reference pdb,在里边将某一列由0改为1实现,后面那种方法通常用于定义大原子团
}

colvar {
name psi

width 5.0
lowerboundary -180
upperboundary 180

extendedlagrangian   on
extendedFluctuation  5.0
extendedTimeConstant   200


dihedral {
   group1 {
     atomnumbers 3
    }
   group2 {
     atomnumbers 1
    }
   group3 {
     atomnumbers 17
    }
   group4 {
     atomnumbers 15
    }
  }
}

NAMD 2.14及之后的版本修改了边界力常数的定义方式,现在需要额外定义一个harmonicWalls block
#harmonicWalls {
#  name mywalls
#  colvars phi psi
#  lowerWalls -180 -180
#  upperWalls 180 180
#  forceConstant 1.0
#}
分别定义phi psi的边界墙,力常数为1.0,注意单位是对应变量的width值,也就是说力常数会随着反应坐标种类/width不同而自动scale。1.0的力常数适用于大多数情况,在这里由于二面角是周期性的,所以无需定义边界力常数

abf {
定义跑的作业为ABF,因为之前设了扩展自由度,因此跑的是eABF
colvars phi psi
表示针对上面定义的phi和psi colvars进行自由能能计算
fullSamples 500
在每一个width区间内的平衡步数,500-2000适用于绝大多数情况
historyfreq  1000000
写history文件的频率
writeCZARwindowFile
使用czar estimator时产生一些中间文件
}
提交作业,跑50 ns以后(至少有一台工作站吧!),对eabf.czar.pmf作图。
2.jpg
接下来尝试一下meta-eABF,meta-eABF是eABF和metadynamics的结合,打开colvarsA.in可以看到,配置文件绝大部分都跟eABF一样,多出了以下几句话,
subtractAppliedForce   on
expandboundaries    on
这是处理metadynamics高斯峰的一个选项,不写这个也不会影响计算结果,但是计算效率比较低

这是计算eABF偏置力的一个内部选项,使用meta-eABF时必须打开
metadynamics {
colvars phi psi
这里同时向定义的两个几何变量的扩展自由度上施加metadynamics偏置力,即meta-eABF
hillwidth  5
metadynamics的峰宽(单位为width),在meta-eABF中均可使用5
hillweight  0.1
metadynamics的峰高(kcal/mol),在meta-eABF中均可使用0.1
welltempered   on
biastemperature  4000
最早的meta-eABF并没有引入well-tempered算法,因为当时我觉得没啥用。后来在复杂体系计算中发现加上well-tempered算法会是的计算收敛性更好,因为eABF本身是渐近收敛的,well-tempered-MtD也是,但是单纯的metadynamics并不是渐近收敛的。
Biastemperature定义了MtD渐近收敛的速率,4000对大多数情况适用

}
提交作业,运行10 ns,对metaeabf.abf1.czar.pmf作图。
3.jpg

001_eABF_metaeABF.7z

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发表于 Post on 2018-9-4 11:26:47 | 显示全部楼层 Show all
“分子模拟论坛”是哪个论坛?
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 楼主 Author| 发表于 Post on 2018-9-4 11:58:02 | 显示全部楼层 Show all
sobereva 发表于 2018-9-4 11:26
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脑残了,我想说的是计算化学公社的分子模拟板块
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发表于 Post on 2018-9-4 14:42:17 | 显示全部楼层 Show all
这个比较好!
学习学习。

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发表于 Post on 2018-9-4 19:25:10 | 显示全部楼层 Show all
顶顶,NAMD很不错

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蓝卫兵

发表于 Post on 2018-9-5 00:49:09 | 显示全部楼层 Show all
请问fu博士:这个meta-eABF在namd的哪个版本之后可以用?谢谢
B样条插值
个人专栏https://zhuanlan.zhihu.com/p/21936803

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2018-9-5 16:30:52 | 显示全部楼层 Show all
pyscf 发表于 2018-9-5 00:49
请问fu博士:这个meta-eABF在namd的哪个版本之后可以用?谢谢

2.12好像不行,只有最新的Nightly version可以,需要自己编译,编译的方法在我的新帖里面
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发表于 Post on 2018-11-13 14:06:14 | 显示全部楼层 Show all
谢谢楼主,感觉很有意思。
请教一下,如果是比较复杂的CV,比如 多个距离的平方和 或 RMSD的加权平均,可以直接用吗?如果不行的话,可以利用Plumed实现吗?

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2018-11-14 22:10:18 | 显示全部楼层 Show all
霜晨月 发表于 2018-11-13 14:06
谢谢楼主,感觉很有意思。
请教一下,如果是比较复杂的CV,比如 多个距离的平方和 或 RMSD的加权平均,可 ...

这些都不算复杂的CV,前者可以用colvars里面的custom function实现,后者可以用Linear and polynomial combinations of components实现。

如果是复杂的CV,可以用Scripted functions实现
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发表于 Post on 2018-11-17 20:42:00 | 显示全部楼层 Show all
fhh2626 发表于 2018-11-14 22:10
这些都不算复杂的CV,前者可以用colvars里面的custom function实现,后者可以用Linear and polynomial co ...

谢谢fu博士,看来NAMD比我想像的强大得多。

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发表于 Post on 2019-3-1 20:05:02 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 16aDream 于 2019-3-1 20:17 编辑

Amber里面的ABMD模块是用abp计算的,这与abf或者eabf相比哪种更推荐?(好像amber没法用abf)另外我在使用ABMD的时候做了几个测试发现体系还是被局部极小值困住了,这是因为flooding time取的不合理吗,还是因为模拟时间不够长?

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2019-3-2 09:14:43 | 显示全部楼层 Show all
16aDream 发表于 2019-3-1 20:05
Amber里面的ABMD模块是用abp计算的,这与abf或者eabf相比哪种更推荐?(好像amber没法用abf)另外我在使用ABM ...

abmd是metadynamics的一个变种,陷入极小值有可能是模拟时间不够长,也有可能是反应坐标选得不好或者MtD的参数设得不好
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发表于 Post on 2019-3-14 15:08:24 | 显示全部楼层 Show all
目前还属于在学习阶段,感觉代码操作还是有点困难,不知道有没有图形界面的MD软件学习使用呢

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2019-3-14 16:45:54 | 显示全部楼层 Show all
sixofgad 发表于 2019-3-14 15:08
目前还属于在学习阶段,感觉代码操作还是有点困难,不知道有没有图形界面的MD软件学习使用呢

其实现在跑模拟已经很简单了,拿NAMD为例,跑模拟最少只需要3个文件,pdb(定义初始原子坐标),psf(定义原子连接方式、电荷和原子类型),prm(力场参数)和conf(模拟参数)文件,如果你跑的是生物体系(比如蛋白质、膜)的话,前面三种文件都可以用charmm-gui自动生成,你需要的就只是conf文件,这个文件的格式就类似下面的样子:

Structure    xxx.psf
Coordinates     xxx.pdb
Temperature 300    ;定义模拟温度为300K
......

你只要做完NAMD官网上任意一个tutorial,就可以用里面的conf文件作为模板,改几个参数适应你自己的体系就行了,任何图形界面的软件都只会把事情弄得更复杂
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发表于 Post on 2019-3-14 18:46:38 | 显示全部楼层 Show all
fhh2626 发表于 2019-3-14 16:45
其实现在跑模拟已经很简单了,拿NAMD为例,跑模拟最少只需要3个文件,pdb(定义初始原子坐标),psf(定 ...

哦哦哦,这样的,不过NAMD的中文教程是真的少,有点基础教程什么的也好啊,楼主有木有兴趣做一个,感觉你是个大神哈哈哈

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