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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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发表于 2018-9-4 10:59:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 fhh2626 于 2018-9-4 11:57 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  2018/9/3
本文首发计算化学公社分子模拟板块,禁止转载。
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
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
#lowerWallConstant 0.2
#upperWallConstant 0.2
约束体系在上下界之间的力场数,因为二面角是周期性的,所以用#注释掉,对于距离和角度来说通常要设定力常数为100和1
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
#lowerWallConstant 0.2
#upperWallConstant 0.2

extendedlagrangian   on
extendedFluctuation  5.0
extendedTimeConstant   200


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

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

001_eABF_metaeABF.rar

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发表于 2018-9-4 11:26:47 | 显示全部楼层
“分子模拟论坛”是哪个论坛?
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 楼主| 发表于 2018-9-4 11:58:02 | 显示全部楼层
sobereva 发表于 2018-9-4 11:26
“分子模拟论坛”是哪个论坛?

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 2018-9-4 14:42:17 | 显示全部楼层
这个比较好!
学习学习。

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

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发表于 2018-9-5 00:49:09 | 显示全部楼层
请问fu博士:这个meta-eABF在namd的哪个版本之后可以用?谢谢

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 楼主| 发表于 2018-9-5 16:30:52 | 显示全部楼层
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 2018-11-13 14:06:14 | 显示全部楼层
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| 发表于 2018-11-14 22:10:18 | 显示全部楼层
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 2018-11-17 20:42:00 | 显示全部楼层
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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