صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

LAMMPS :

واژه ی LAMMPS مخفف عبارت Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator به معنای شبیه ساز اتمی/ مولکولی بزرگ مقیاس به شدت موازی می باشد. این نرم افزار با در اختیار داشتن میدان نیروهای متنوع فراهم کننده ی بستری مناسب برای شبیه سازی سیستم های مختلف از سیستم های اتمی و مولکولی گرفته تا انواع پروتئین ها و سیستم های زیستی می باشد. از مهمترین ویژگی های این نرم افزار می توان به توان بالای آن در شبیه سازی سیستم های پر ذره اشاره نمود.

این بسته ی محاسباتی بر اساس نظریه ی دینامیک مولکولی (MD) کار می کندکه در ابتدا در فیزیک نظری در دهه ۱۹۵۰ استفاده شد اما امروزه بیشتر در علم مواد و زیست مولکول بکار می‌رود و همانگونه که بیان شد لمپس قابلیت شبیه سازی سیستم های زیستی و مهندسی را دارا می باشد.

در مورد ساختارهای شبیه سازی شده با استفاده از این نرم افزار می توان به موارد زیر اشاره نمود:
   • سیستم های پریودیک
   • ذرات درشت دانه
   • مولکول های ارگانیک
   • فلزات
   • پلیمرها
   • DNA
   • پروتئین
   • ذرات کروی و بیضوی با اندازه معین
   • …

ویژگی های فنی

نرم افزار LAMMPS با استفاده از زبان برنامه نویسی C++ تهیه گردیده و توسعه دهنده ی آن Sandia National Laboratories می باشد که این بسته ی محاسباتی را تحت پروانه GPL منتشر کرده است. از مهمترین ویژگی های فنی این نرم افزار می توان به موارد زیر اشاره نمود:
   • قابلیت اجرا شدن به صورت موازی و سریال
   • اجرای شبیه سازی ها با استفاده از فایل Input
   • قابلیت محاسبات بر روی GPU ها
   • قابلیت توسعه پذیری بالا
   • اپن سورس بودن
   • قابلیت اجرای چند شبیه سازی به وسیله ی یک فایل Input
   • قابلیت جفت شدن با سایر نرم افزارها
   • …

خروجی های  LAMMPS

با استفاده از شبیه سازی های انجام شده توسط این بسته ی محاسباتی می توان بسیاری از ویژگی های ترمودینامیکی و کلاسیکی سیستم های مورد بررسی را بدست آورد. تعدادی از مهمترین خروجی های حاصل از اجرای بسته محاسباتی لمپس که با استفاده از آن می توان خواص مکانیکی و ترمودینامیکی مختلفی از سیستم شبیه سازی شده را محاسبه نمود را در قسمت زیر فهرست کرده ایم:

   • Log file شامل اطلاعات ترمودینامیکی سیستم شبیه سازی شده
   • خروجی از مکان و سرعت هریک از اتم های شبیه سازی شده در هر لحظه دلخواه از زمان شبیه سازی
   • نمایش مقادیر انرژی، دما، فشار و … اتم های شبیه سازی شده
   • میانگین گیری فضایی و زمانی از مشخصات تک تک اتم ها
   • ارائه خروجی قابل نمایش گرافیکی از رفتار سیستم در بازه های زمانی شبیه سازی در فرمت هایی مختلف از قبیل XYZ, XTC, DCD, CFG
   • …

GROMACS :

بسته ی نرم افزاری GROMACS، برای انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی سیستم های بس ذره ای بر اساس معادلات حرکت نیوتن گسترش یافته است. از این نرم افزار بصورت گسترده در بررسی و شبیه سازی سیستم های زیستی استفاده می شود. کلمه GROMACS مخفف کلمات زیر می باشد:

Groningen Machine for Chemical Simulations

این نرم افزار تحت سیستم عامل لینوکس قابل اجرا است. قبل از نصب نرم افزار بایستی برنامه fftw نصب شود. پس از ایجاد ساختار اولیه سیستم مورد نظر و انتخاب شرایط شبیه سازی و میدان نیرو، که قلب هر شبیه سازی دینامیک مولکولی می باشد، سیستم به سطح حداقلی از انرژی رسانده می شود و بعد از مرحله تعادل رسانی، از سیستم مورد نظر نمونه برداری می شود. در نهایت فایل مسیر (trajectory) حاصل می شود. عمده پارامترها از تجزیه و تحلیل فایل مسیر به دست می آیند. از دیگر نرم افزار های مشابه می توان به لمپس اشاره کرد.

قابلیت های GROMACS

فایل مسیر در هر شبیه سازی شامل موقعیت، سرعت و شتاب تک تک اتم های سازنده سیستم است. از تجزیه و تحلیل فایل مسیر حاصل از شبیه سازی می توان موارد زیر را محاسبه کرد:

   ۱) انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل و انرژی کل سیستم
   ۲) دما، فشار، دانسیته
   ۳) Root Mean Square Deviation
   ۴) Root Mean Square Fluctuation
   ۵) Radial Distribution Function, Spatial Distribution Function
   ۶) ساختار دوم پروتئین (dssp)
   ۷) انرژی برهمکنش (کولمبی و لنارد جونز برد بلند و برد کوتاه) میان اجزای موجود در سیستم
   ۸) آنالیز پیوندهای هیدروژنی
   ۹) آنالیز پل های نمکی (salt bridge) در سیستم های باردار
 ۱۰) پارامتر ترتیب در لیپیدها
 ۱۱) انرژی آزاد
 ۱۲) ضریب نفوذ
 ۱۳) تحول زمانی فاصله میان مرکز جرم دو گروه در سیستم
 ۱۴) توزیع و همبستگی زوایا و دای هدرال ها
 ۱۵) رسم نمودار راماچاندران برای دای هدرال های Phi/Psi
 ۱۶) سطح در دسترس حلال
 ۱۷) Radius of Gyration

*** در برخی از موارد می توان فایل مسیر حاصل از نرم افزار GROMACS را به عنوان ورودی برای برنامه های دیگر (3DNA و Curves) استفاده کرده و پارامترهای دیگری مانند پارامترهای پیچشی در DNA را بدست آورد.

دوره ی آموزشی GROMACS

دوره ی آموزشی GROMACS در دو سطح مقدماتی و پیشرفته برگزار می شود. مباحث آموزش داده شده در هر سطح به شرح زیر می باشد:

سطح مقدماتی:
   ۱. معرفی سیستم عامل لینوکس
   ۲. اجرای دستورات پر کاربرد لینوکس
   ۳. اهمیت و جایگاه فیزیک/شیمی محاسباتی – دینامیک مولکولی
   ۴. آشنایی با مبانی نظری دینامیک مولکولی ( میدان نیرو، شرایط مرزی متناوب، گام زمانی و شعاع قطع)
   ۵. نصب و حذف نرم افزار GROMACS
   ۶. انواع میدان نیرو،نحوه انتخاب میدان نیرو و آشنایی با فایل های سازنده یک میدان نیروی نوعی
   ۷. آماده‏ سازی فایل‏های ورودی‏ (فایل های ساختاری pdb و gro) برای استفاده در GROMACS
   ۸. بررسی شرایط انجام شبیه سازی (دما، فشار، زمان، …) و انجام تنظیمات اولیه (فایل های mdp)
   ۹. آشنایی با محیط نرم افزار GROMACS و بخش های مختلف آن
   ۱۰. انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی یک سیستم ساده زیستی :
      الف. ایجاد جعبه شبیه سازی برای ساختار مورد نظر و حلال پوشی آن
      ب. حداقل رسانی انرژی، تعادل رسانی ساختار مورد مطالعه، بررسی خواص کنترلی و نمونه برداری
   ۱۱. تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی
   ۱۲. آشنایی با نرم افزار کمکی VMD جهت بررسی شماتیک فایل مسیر (trajectory) و فایل های ساختاری (gro و pdb) مرتبط با ساختار مورد مطالعه سطح پیشرفته:
   ۱. شبیه سازی دینامیک مولکولی کمپلکس پروتئین-DNA و تجزیه و تحلیل داده ها (تئوری/محاسباتی).
   ۲. شبیه سازی دینامیک مولکولی پروتئین–لیگاند در میدان نیروهای مختلف و تجزیه و تحلیل داده ها (تئوری/محاسباتی).
   ۳. شبیه سازی دینامیک مولکولی نانولوله های کربنی و تجزیه و تحلیل داده ها (تئوری/محاسباتی).
   ۴. شبیه سازی دینامیک مولکولی پروتئین غشایی و لیپید و تجزیه و تحلیل داده ها (تئوری/محاسباتی).
   ۵. شبیه سازی دینامیک مولکولی دارو- DNA و تجزیه و تحلیل داده ها (تئوری/محاسباتی).

*** در برخی از موارد، با انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی سیستم های زیستی می توان به اطلاعات و جزئیاتی در سطح مولکولی دست پیدا کرد که با روش های تجربی قابل دستیابی نیستند. در موارد دیگر، با در دست داشتن داده های تجربی و مقایسه داده های حاصل از شبیه سازی با آنها، می توان به صحت نتایج حاصل از شبیه سازی پی برد.

AMBER : بسته ی نرم افزاری AMBER، برای انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی سیستم های بس ذره ای بر اساس معادلات حرکت نیوتن گسترش یافته است. از این نرم افزار بصورت گسترده در بررسی و شبیه سازی سیستم های زیستی استفاده می شود. کلمه AMBER مخفف کلمات زیر می باشد:
Assisted Model Building with Energy Refinement

این نرم افزار تحت سیستم عامل لینوکس قابل اجرا است. AMBER شامل دو بخش است: AmberTools (که به صورت رایگان در دسترس است) و Amber ( که دارای Licence می باشد). AmberTools را می توان بدون Amber استفاده کرد، اما حالت عکس آن امکان پذیر نیست. برای انجام تمام مراحل یک شبیه سازی دینامیک مولکولی، هر دوی Amber و AmberTools مورد نیاز هستند. AmberTools از چندین بسته نرم افزاری مستقل مانند NAB, Antechamber, LEaP, pbsa, ptraj تشکیل شده است. تفاوت عمده میان Amber و AmberTools در آن است که AmberTools برنامه Sander را شامل نمی شود. Sander مهم ترین برنامه برای انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی در Amber است. یکی از مزایای مهم AMBER نسبت به سایر نرم افزارهای شبیه سازی دینامیک مولکولی، وجود برنامه Antechamber در آن است. اگر سیستم مورد مطالعه دارای building block هایی باشد که در میدان نیروهای پیش فرض در Amber موجود نباشند، می توان فایل های مورد نیاز میدان نیرو را با استفاده از برنامه Antechamber تولید کرد.
پس از ایجاد ساختار اولیه سیستم مورد نظر و انتخاب شرایط شبیه سازی و میدان نیرو، که قلب هر شبیه سازی دینامیک مولکولی می باشد، سیستم به سطح حداقلی از انرژی رسانده می شود و بعد از مرحله تعادل رسانی، از سیستم مورد نظر نمونه-برداری می شود. در نهایت فایل مسیر (trajectory) حاصل می شود. عمده پارامترها از تجزیه و تحلیل فایل مسیر به دست می آیند.
قابلیت های AMBER

فایل مسیر در هر شبیه سازی شامل موقعیت، سرعت و شتاب تک تک اتم های سازنده سیستم است. از تجزیه و تحلیل فایل مسیر حاصل از شبیه سازی می توان موارد زیر را محاسبه کرد:

   1)انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل و انرژی کل سیستم
2)دما، فشار، دانسیته
3)Root Mean Square Deviation
4)Root Mean Square Fluctuation
5)Radial Distribution Function
6)Radius of Gyration
7)محاسبه ساختار متوسط در کل مسیر شبیه سازی
8)ساختار دوم پروتئین (dssp)
9)آنالیز پیوندهای هیدروژنی
10)انرژی آزاد به روش Thermodynamic Integration و MM_PBSA
11)محاسبه ضریب نفوذ از طریق میانگین مربع جابجایی ها
12)تحول زمانی فاصله میان مرکز جرم دو گروه در سیستم
13)محاسبه زوایا و دای هدرال ها
14)افت و خیز موقعیت اتم ها
15)محاسبه تعداد contact ها در فاصله قطع معین
16)تعیین لایه های اول و دوم حلالپوشی با شمارش تعداد مولکول های آب در فاصله معینی از دیگر اتم ها

*** در برخی از موارد می توان فایل مسیر حاصل از نرم افزار امبر را به عنوان ورودی برای برنامه های دیگر (3DNA و Curves) استفاده کرده و پارامترهای دیگری مانند پارامترهای پیچشی در DNA را بدست آورد.
دوره ی آموزشی AMBER

مباحث آموزش داده شده در این دوره به شرح زیر می باشد:

  1.معرفی سیستم عامل لینوکس
2.اجرای دستورات پر کاربرد لینوکس
3.اهمیت و جایگاه شیمی محاسباتی : دینامیک مولکولی
4.آشنایی با مبانی نظری دینامیک مولکولی ( میدان نیرو، شرایط مرزی متناوب، گام زمانی و شعاع قطع)
5.نصب نرم افزار AMBER
6.انواع میدان نیرو، نحوه انتخاب میدان نیرو و آشنایی با فایل های سازنده یک میدان نیروی نوعی
7.آماده‏ سازی فایل‏های ورودی‏ (فایل های ساختاری pdb) برای استفاده در AMBER
8.بررسی شرایط انجام شبیه سازی (دما، فشار، زمان، …) و انجام تنظیمات اولیه (فایل های in)
9.آشنایی با محیط نرم افزار AMBER و بخش های مختلف آن (LEaP, Antechamber, Sander)
10.انجام شبیه سازی دینامیک مولکولی یک سیستم ساده زیستی:
الف. ایجاد جعبه شبیه سازی برای ساختار مورد نظر و حلال پوشی آن
ب. حداقل رسانی انرژی، تعادل رسانی ساختار مورد مطالعه، بررسی خواص کنترلی و نمونه برداری
11.تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از شبیه سازی دینامیک مولکولی
12.آشنایی با نرم افزار کمکی VMD جهت بررسی شماتیک فایل مسیر (trajectory) و فایل های ساختاری (inpcrd و pdb) مرتبط با ساختار مورد مطالعه
13.استفاده از Antechamber برای تهیه فایل های میدان نیروی یک لیگاند یا دارو