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[GROMACS] 几种生成有机分子GROMACS拓扑文件的工具

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发表于 Post on 2014-12-9 22:50:35 | 显示全部楼层 Show all |阅读模式 Reading model
几种生成有机分子GROMACS拓扑文件的工具

文/Sobereva@北京科音
First release:2014-Dec-9  Last update: 2022-Mar-15

本文把各种可以产生GROMACS拓扑文件的工具进行汇总。具体细节和实际使用例子笔者在北京科音分子动力学与GROMACS培训班里会详细讲(http://www.keinsci.com/workshop/KGMX_content.html)。

值得一提的是,这些程序有很多不能产生原子电荷,或者产生的原子电荷质量较差。RESP电荷是最适合分子动力学模拟使用的电荷之一,AMBER、GAFF、GLYCAM等力场将之作为御用的原子电荷,将RESP电荷与UFF力场结合使用也是得当的。Multiwfn是计算RESP电荷最简单、最好、最灵活而且完全免费的工具,原理、用法和实例见《RESP拟合静电势电荷的原理以及在Multiwfn中的计算》(http://sobereva.com/441)、《计算RESP原子电荷的超级懒人脚本(一行命令就算出结果)》(http://sobereva.com/476)、《RESP2原子电荷的思想以及在Multiwfn中的计算》(http://sobereva.com/531)。另外,OPLS-AA力场很适合结合1.2*CM5电荷使用,用Multiwfn的主功能7的子功能16直接就能计算出CM5电荷,将之手动乘以1.2即是1.2*CM5电荷,可以用Gaussian、ORCA等程序产生的fch/wfn/wfx/molden等格式作为Multiwfn的输入文件,详见《详谈Multiwfn支持的输入文件类型、产生方法以及相互转换》(http://sobereva.com/379)。如果你完全不会用Gaussian的话,可以直接用这个傻瓜式脚本,一行命令就能算出来:《计算适用于OPLS-AA力场做模拟的1.2*CM5原子电荷的懒人脚本》(http://sobereva.com/585)。另有专门结合ORCA用的傻瓜式脚本,见《ORCA结合Multiwfn计算RESP、RESP2和1.2*CM5原子电荷的懒人脚本》(http://sobereva.com/637)。


Sobtop(http://sobereva.com/soft/Sobtop
这是我开发的GROMACS拓扑文件产生工具,主要产生GAFF、AMBER力场的拓扑文件,但由于其力场库可以自行非常方便地修改和扩充,因此Sobtop本质上是完全普适、通用的。Sobtop可谓是最理想、最灵活、最易用的产生GROMACS拓扑文件的工具。此程序用起来超级简单,什么额外的程序以及特殊的运行环境都不需要装,解压即用。Sobtop使用极其方便,照着屏幕上的提示敲几下键盘,itp、top和gro文件就产生了,另外也可以要求产生rtp文件。Sobtop的主页有非常详细的产生各类体系拓扑文件的例子,并给出了详细的相关要点的说明。从例子中你会体会到Sobtop的设计特别注重兼顾便利和灵活,初级用户会体会到它极其便利,而高级用户则会体会到通过Sobtop构建复杂体系拓扑文件特别灵活好用。

Sobtop可以产生任意体系的拓扑文件,有机和无机小分子、过渡金属配合物、聚合物、共价团簇、晶体、二维材料等等全都可以产生,孤立体系和周期性体系都支持。Sobtop可以用于包含任意元素的体系,那些GAFF/AMBER不支持的元素可以自动让Sobtop用UFF的,或者自己定义额外原子类型。对于GAFF/AMBER力场里缺失的成键相关参数,可以直接让Sobtop基于量子化学程序产生的Hessian矩阵通过不同方法自动算出来,也可以自己把其它方式得到的(如自己单独拟合、文献中找的)添到力场库文件里让Sobtop直接用。Sobtop运行效率特别高,甚至对于几千原子体系的拓扑文件都可以搞。

Sobtop极度灵活,提供许多不同的指认原子类型的方式,可以自动指认GAFF/AMBER原子类型,也可以手动指认,也可以自定义判断规则让Sobtop结合实际化学环境和成键关系判断,等等。Sobtop还提供了丰富的指认力场成键相关参数的方式,比如可以都用力场库文件里的,都用直接基于Hessian算出来的参数,或者一部分作为刚性(里面的参数都基于Hessian算出来的)而其余部分作为柔性(参数用力场库里的,可以考虑二面角的可旋转性),等等。Sobtop还可以调用Multiwfn或OpenBabel自动指认EEM、Gasteiger、MMFF94原子电荷,还可以载入Multiwfn计算RESP/RESP2等电荷产生的chg文件来获得原子电荷。Sobtop的设计在各方面都特别贴心,比如在产生的拓扑文件里非常详细地注释各个力场项的参数来源、是否是缺失的,在自己手动改和补参数时很方便。

有了Sobtop,下面介绍的acpype就没有任何使用价值了。acpype只适合产生GAFF能描述的那些有机和极少数无机体系,有特殊成键方式、有GAFF不支持的元素、周期性体系都没法搞;对很大体系耗时非常高;容易出现莫名其妙又不好解决的报错;还得有Python运行环境、安装臃肿的AmberTools...

• acpype:这是一个Python脚本,可以在http://svn.code.sf.net/p/ccpn/code/branches/stable/ccpn/python/acpype/下载。使用前必须在机子里安装AmberTools(免费),acpype会调用其中的Antechamber先产生Amber格式的拓扑文件然后再转成GROMACS的。acpype用法很简单,要处理xxx.mol2就执行./acpype.py -i xxx.mol2,算完后会新产生一个xxx目录,里头有_GMX后缀的.gro、.itp、.top,直接在GROMACS里用即可。默认情况下,产生的拓扑文件是基于GAFF力场的,另外也会输出_OPLS后缀的基于OPLS力场的文件,但属于实验性质不建议用。.mol2文件用常用的GaussView就可以产生(但必须确保在gview里看到的分子结构中没有诡异的成键方式),也可以通过OpenBabel或Antechamber将其它格式转成.mol2。默认情况下acpype分配的原子电荷是Antechamber产生的AM1-BCC,虽然能用,但明显不如RESP/RESP2电荷理想。建议大家按前述做法用Multiwfn计算出RESP或RESP2电荷,自行写入分子拓扑信息的[atoms]的原子电荷那一列。

如果你懒得为了用acpype而装臃肿庞大的AmberTools,可以用在线版http://bio2byte.be/acpype/,不过可能排队要排很久。所以如果你要快速处理较多小分子,还是建议用离线版acpype。

对于稍大的体系,用独立的acpype时强烈建议加上-c user选项以避免acpype自动算AM1-BCC原子电荷,否则在处理期间acpype所调用的Antechamber会先调用SQM程序用半经验方法进行优化然后再算这个电荷。然而SQM不仅慢,做优化还容易不收敛,导致半天也无法成功产生拓扑文件。更何况最后也是要替换为Multiwfn算的RESP/RESP2电荷,故计算AM1-BCC电荷没实际意义。同理,用在线版acpype也是建议把charge method设为user。

• PRODRG2(http://prodrg1.dyndns.org/):历史非常悠久很有名的生成Gromacs拓扑文件的在线工具。只支持GROMOS87/96力场,生成gromacs和其它一些程序的拓扑文件。原子电荷是根据基团指认的,如果基团识别不对那么电荷也不可靠。有在线版和离线版。可以选择自动优化分子结构。此工具在J. Chem. Inf. Model., 50, 2221 (2010)被曝光往往不能正确指认charge group,导致原子电荷分配也很不合理。而且又由于有了更好的ATB,因此如今强烈不推荐使用。
注:笔者2020-Oct-18访问时发现此网站似乎被wall了,**上网后可以访问。

• Automated Topology Builder(ATB,http://atb.uq.edu.au):生成GROMACS拓扑文件的在线工具,可以生成基于ATB开发者自行修改的GROMOS96 G54A7力场(扩充了原子类型)的GROMACS或GROMOS程序的拓扑文件。比PRODRG2更先进更可靠,解决了PRODRG2没法自动确定质子化态和charge group指认不准的问题以保证原子电荷可靠,并且能利用对称性保证电荷等价,另外没有PRODRG2那样对于每日提交的数目有限制。ATB虽然设计得不错,可以作为产生小分子GROMOS力场的GROMACS拓扑文件的首选,但它生成的原子电荷、确定的参数的可靠性也只是一般,不能保证总是很理想。如果要做很严谨的模拟研究,还是建议自行计算RESP电荷并且手动检查ATB给出的拓扑文件的合理性,有必要时适当调节。ATB网站上也有个分子库,包含巨量事先搞好的小分子的参数和拓扑文件,其中有的是别人之前提交过的分子,有的是经过专人手工处理过的分子,显然后者可靠程度更高。对于比较常见的分子,提交到ATB之前建议先搜索一下分子库,如果已经有的话就直接用。

• MKTOP:是个Perl脚本,可以在https://github.com/aar2163/MKTOP/blob/master/mktop.pl下载。支持OPLS-AA和AMBER03力场,电荷没法自动生成而必须自己提供。使用之前需要确保已经安装了Perl运行环境,并且要把mktop.pl脚本开头的GROMACS拓扑文件目录改成当前机子里实际的,比如$gromacs_dir="/sob/gmx2018.8/share/gromacs/top";。之后可以比如这样运行:./mktop.pl -i new.pdb -o new.top -ff opls -conect no。这代表处理当前目录下的new.pdb,产生名为new.top的拓扑文件,使用OPLS-AA力场,并且不使用.pdb里的CONECT字段记录的连接关系而是根据原子之间距离猜测连接关系。之后需要自行把原子电荷填到new.top的[atoms]字段里。我发现有时候此脚本指认的OPLS-AA原子类型是错误的,所以建议按照力场目录下的atomtypes.atp仔细看看指认的原子类型到底是否合理。
注:以前MKTOP是有在线服务器的(http://www.aribeiro.net.br/mktop/),但是如今已经失效。

• TPPmktop(http://erg.biophys.msu.ru/tpp/):在线工具,提供pdb文件,能产生OPLS-AA力场参数的GROMACS拓扑文件。速度比较快,但得到的拓扑文件里有时候会缺参数,或者出现额外的原子类型,需要再手工处理(需要引入额外的力场文件,但是笔者发现在网上下载不到)。此服务器有时候有其它任务在跑,此时无法提交任务,只能等过一阵服务器没任务时再提交。

• LigParGen(http://zarbi.chem.yale.edu/ligpargen/):生成GROMACS, NAMD, CHARMM, LAMMPS等程序OPLS-AA力场的拓扑文件的工具。毕竟这是OPLS力场开发者自己搞的,因此原则上比MKTOP、TPPmktop更靠谱。可以通过SMILES字符串、.mol、.pdb文件进行输入(用pdb格式时老是报错,我建议用.mol),原子上限200个,可以顺带着让服务器对分子在OPLS-AA力场下做几何优化。分配的原子电荷是1.14*CM1A或1.14*CM1A-LBCC,前者是把CM1A电荷数值乘上1.14得到的,后者是在1.14*CM1A基础上再引入LBCC校正得到的,在J. Phys. Chem. B, 121, 3864 (2017)中已证明这两种原子电荷结合OPLS-AA模拟有机体系凝聚相可以得到不错结果。此服务器还可以输出PQR文件。

本文开头所述的Multiwfn可以计算的1.2*CM5电荷比LigParGen直接给出的电荷在多数情况下更适合做动力学模拟,特别是对于密度、蒸发焓的精度方面而言,这点在J. Phys. Chem. B, 121, 3864 (2017)的测试中充分体现了。而且对于一些分子,LigParGen给出的原子电荷加和不精确为0,而是比如0.0001,这导致此类分子数目较多时体系总电荷对整数有不可忽视的偏离,对模拟造成不良影响。因此建议大家将LigParGen给出的itp文件里的原子电荷部分替换为Multiwfn得到的1.2*CM5电荷。

• OBGMX(http://software-lisc.fbk.eu/obgmx/):生成UFF力场的gromacs拓扑文件的在线工具。由于UFF几乎涵盖整个周期表,因此不光有机分子,也可以使得Gromacs能够处理无机物、周期性体系,比如MOF。由于UFF的力场形式和Gromacs所支持的不完全兼容,此程序给出的参数实际上是对原UFF力场的近似。个别原子类型识别可能有误。电荷必须自己提供。
2020-Dec-26注:此在线服务器目前已无法使用,但可以下载离线程序使用,见http://bbs.keinsci.com/thread-21015-1-1.html

• SwissParam(http://swissparam.ch):输入有机小分子mol2文件,生成用于CHARMM/NAMD和GROMACS模拟的拓扑、参数文件。力场参数基于MMFF,但只保留谐振项部分,因此只是MMFF的近似。原子电荷通过MMFF方法获得。范德华参数采用CHARMM22中最接近的原子类型。这样的参数比较粗糙,有优化的余地。

• CGenFF(https://cgenff.paramchem.org/):先注册,上传有机小分子的mol2文件,即可生成基于CGenFF力场的CHARMM的拓扑文件。如果mol2是gview建的,一定要事先把里面的Ar替换成ar。上传文件的时候不要选Guess bond orders from connectivity和Include parameters that are already in CGenFF。如果文件处理正常,会立刻产生str文件,点击其链接之后把里面内容拷到比如Actos.str里面。进入网页里的More Info & Tools - Utilities,点击GROMACS conversion program,可下载把str文件转换为GROMACS格式的Python脚本cgenff_charmm2gmx.py。对于CentOS 7.2,应运行yum install numpy和yum install python-networkx把这个脚本所需的包装上。去http://mackerell.umaryland.edu/charmm_ff.shtml#gromacs里面下载用于GROMACS的CHARMM36力场文件,解压得到比如charmm36-nov2016.ff文件夹,将它和Actos.str、cgenff_charmm2gmx.py都放到当前目录,另外也把此文件夹拷到gromacs的top目录下。假设Actos.str里RESI后面的词是Molecu,最初上传的是Actos.mol2,则运行./cgenff_charmm2gmx.py Molecu Actos.mol2 Actos.str charmm36-nov2016.ff。在当前目录会产生molecu.top、molecu.prm、molecu.itp、molecu.pdb(从mol2转换过来的),适当调整itp和top里的分子名,调整itp里的残基名和结构文件相对应后,即可用于模拟。str文件里的力场参数有penalty指标,数值越大说明此参数可靠性越低,详见网页里的说明。

• ztop:计算化学公社论坛(http://bbs.keinsci.com)上钟成开发的拓扑文件产生工具,请在论坛首页搜索框里搜索ztop看他发的相关帖子了解此程序的特点和使用。

另外说两个有关的程序

• YASARA AutoSMILES Server(http://www.yasara.org/autosmilesserver.htm)是在线版程序,离线的话得买YASARA(建模+可视化+动力学模拟工具)。可以计算AM1-BCC电荷、指认amber94/96/99力场参数。但是产生的文件只能用YASARA View打开,也就是说,拓扑文件相当于YASARA专用的。

• RED(RESP ESP charge Derive,http://q4md-forcefieldtools.org/REDServer-Development/):专门生成RESP电荷的,也能搞力场参数。页面做得不是一般的糟糕,结构十分混乱,令我摸不到头绪,因此笔者也没怎么仔细研究。由于Multiwfn已经完美支持RESP电荷计算了,RED已没有必要使用了。


这里把各种程序做一下总结,是笔者讲授的北京科音分子动力学与GROMACS培训班(http://www.keinsci.com/workshop/KGMX_content.html)中的一页幻灯片

1.png

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太谢谢你了

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发表于 Post on 2014-12-18 17:02:46 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 yaochuang 于 2014-12-18 17:44 编辑

@sobereva
sob老师,请问用这些软件产生的top文件和用pdb2gmx 这个命令产生的有什么关系吗?

我可以直接用gaussianview产生pdb文件,然后用pdb2gmx这个命令来生成top文件吗?我试了一下总是报错(报错信息在下图中),是文件的格式问题呢,还是就不能用这种方法呢?

我主要想做的是模拟一下我们自己合成的一个有机分子在水和四氢呋喃中形成particle的过程,以及控制这个过程的作用力是什么。
谢谢了!

QQ截图20141218170843.jpg

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2014-12-18 19:09:20 | 显示全部楼层 Show all
自己找的小分子不要用pdb2gmx来产生拓扑文件,用我文中的途径产生.itp文件然后include到主.top文件是最好的作法。

pdb2gmx主要是对于力场已经自带的残基或者小分子产生拓扑文件的,并且可以处理残基间的拼接过程,比如产生蛋白、DNA等。用pdb2gmx之前必须把要载入的pdb文件里所有类型的分子拓扑信息写进相应力场的rtp文件里面。即便你已经把小分子的拓扑信息都写进了rtp里能够用它来生成体系的拓扑文件,但仍有一点很不好,就是所有分子的拓扑文件是连在一起的。比如说,你模拟20000个A分子,本来include一次A分子的.itp文件就够了,但你要如果先把A分子的拓扑信息写进rtp里用pdb2gmx来产生拓扑文件,则20000个A分子会成为一个“分子”,出现在同一个[ moleculetype ]里,这使得拓扑文件冗长且不容易修改。
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发表于 Post on 2014-12-19 17:22:54 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 yaochuang 于 2014-12-19 17:27 编辑

@sobereva
谢谢sob老师,

根据你的提示,我在ATB网站上提交了我的小分子,得到了WVQC.itp和WVQC.pdb文件.(如图ATB)
但是我在操作时还是出现了一些问题,我把我的过程写一下请你帮我看看。

1:我利用
WVQC.pdb产生一个盒子并添加了水:
editconf -f
WVQC.pdb -bt dodecahedron -d 0.5 -o box.gro

2:按照manul中的介绍我写了一个
WVQC.top文件。(如图top
之后运行 gmx solvate -cp box.gro -cs spc216.gro -p WVQC.top solvated.gro
产生的solvated.gro在VMD中观看也是正常的。

3.做energy minimization,自己按手册写了em.mdp文件。 (如图em)

然后运行 grompp -f em.mdp -p WVQC.top -c solvated.gro -o em.tpr 时就出现了错误。(如图 error)

此时的top文件在最后多了一行sol   1467 (如图top2)


请老师帮我看看,自己弄了一天了也没有弄出来! 谢谢!


ATB

ATB

top

top

em

em

error

error

top2

top2

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2014-12-19 18:58:53 | 显示全部楼层 Show all
yaochuang 发表于 2014-12-19 17:22
@sobereva
谢谢sob老师,

给你两个完整的基于ATB产生的拓扑文件做小分子+水模拟的例子。对照对照估计就明白了。对应的是gmx 4.6.7。
文中用到的mdp文件: em.mdp (447 Bytes, 下载次数 Times of downloads: 152)
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发表于 Post on 2014-12-20 16:01:52 | 显示全部楼层 Show all
sobereva 发表于 2014-12-19 18:58
给你两个完整的基于ATB产生的拓扑文件做小分子+水模拟的例子。对照对照估计就明白了。对应的是gmx 4.6.7 ...

谢谢sob老师!

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发表于 Post on 2014-12-20 16:32:32 | 显示全部楼层 Show all

    给你两个完整的基于ATB产生的拓扑文件做小分子+水模拟的例子。对照对照估计就明白了。对应的是gmx 4.6.7 ...


谢谢sob老师!

还有一个问题想请教你,如果我想向水盒子放5个这样的分子应该怎么做呢?
我直接在.top文件中将molecules后面的数字改为了5
[ molecules ]
;molecule name nr.
WVQC       5

但是在计算 grompp -f em.mdp -c system.gro -p system.top -o em.tpr的时候出现这样的错误:
Fatal error:
number of coordinates in coordinate file (system.gro, 91625)
             does not match topology (system.top, 91750)

我查看了一下ststem.gro中最前面好像也只有一个WVQC的坐标。
这个应该怎么做呢?
谢谢!

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发表于 Post on 2014-12-20 18:41:58 | 显示全部楼层 Show all
谢谢分享!

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2014-12-20 20:32:06 | 显示全部楼层 Show all
yaochuang 发表于 2014-12-20 16:32
给你两个完整的基于ATB产生的拓扑文件做小分子+水模拟的例子。对照对照估计就明白了。对应的是gmx 4. ...

你也得相应地在结构文件里放5个分子才能对应上。
可以用packmol来生成初始结构,要放几个分子,在什么位置放都可以方便地设定。也可以建立个空盒子,然后用genbox添加分子,-nmol可以设定放几个。
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发表于 Post on 2014-12-20 22:01:40 | 显示全部楼层 Show all
Sob老师您好,您提到了可以利用Packmol构建初始构型,我想请教一下那个resnumbers这个命令应该怎样使用(手册已看)??我在构型的2侧分别加入15个Ca原子,但是它默认将这个2侧Ca离子看成了不同的残基序列号。我想让Ca离子是同一序列号应该怎样处理。附上我的inp文件

tolerance 2.0
filetype pdb
output 7_7_Ca_Cl.pdb

structure Ca.pdb
  number 15
  resnumbers 1
  inside box 0. 0. 0. 46. 46. 24.
end structure


structure Ca.pdb
  number 15
  resnumbers 1
  inside box  0. 0. 42. 46. 46. 66.
end structure

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2014-12-20 22:14:28 | 显示全部楼层 Show all
ruanyang 发表于 2014-12-20 22:01
Sob老师您好,您提到了可以利用Packmol构建初始构型,我想请教一下那个resnumbers这个命令应该怎样使用(手 ...

想不起来了,就用ultraedit之类的工具用列模式手动编辑一下就行了
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发表于 Post on 2014-12-21 07:57:47 | 显示全部楼层 Show all
我也是这样处理的!  我不清楚这个resnumbers怎么用!在UltraEdit中编辑有点麻烦!谢谢Sob l老师

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发表于 Post on 2014-12-22 10:55:36 | 显示全部楼层 Show all
本帖最后由 yaochuang 于 2014-12-22 11:13 编辑
sobereva 发表于 2014-12-20 20:32
你也得相应地在结构文件里放5个分子才能对应上。
可以用packmol来生成初始结构,要放几个分子,在什么位 ...

谢谢sob老师,

我还有一个问题就是gromacs中可不可以把水盒子换成其他的溶剂盒子呢,比如说甲醇之类的。 我直接利用genbox把甲醇插入到盒子中,利用甲醇的密度来算盒子中插入的甲醇分子的个数。 这样可以吗?
我计算的一个6*6*6的盒子中要插入19224个甲醇分子,感觉和水比起来太多了,跑不完就死掉了。这样算可能是太多了,那要怎样计算分子的数量呢?
有没有其他的办法呢?

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 楼主 Author| 发表于 Post on 2014-12-22 11:15:08 | 显示全部楼层 Show all
不用设个数,genbox自动就会把盒子填满,能填多少填多少。
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