TR-GRID ÇALŞTAYI Nisan 5-9, 2010, TUBİTAK-ULAKBİM, Ankara

Transkript

1 TR-GRID ÇALŞTAYI Nisan 5-9, 2010, TUBİTAK-ULAKBİM, Ankara H1N1 (domuz gribi) ve H5N5 (kuş gribi) tipi retrovirüslere karşı in-siliko ilaç geliştirilmesi ve TR-GRID de $AMBERHOME (autodock_vina, amber v10, autodock tools, gamess, gabedit, vmd, chimera, sirius, digital studio visualizer, etc) programlarının kullanımı Dr. Cenk Andaç Dicle Üniversitesi, Tıp Fakültesi, Farmakoloji Bölümü M.S., Eczacılık Fakültesi, Wisconsin Üniversitesi, Madison, WI USA Ph.D., Eczacılık Fakültesi, Gazi Üniversitesi, Ankara

2 AMBER ÇALIŞTAYI AMACI TR-GRID $AMBERHOME programları kullanılarak : 1) İlaç-reseptör etkileşimlerinin Autodock_vina ile incelenmesi 2) AMBER Molecular Mechanics 3) İlaçların bağlanma değerlerinin (Ka ve G) MM-PBSA (Molecular Mechanics/Poisson-Boltzmann Surface Area) yöntemi ile belirlenmesi 4) Madde 1-3 için gerekli programların TR-GRID de çalıştırılması KONU Oseltamivir, Zanamivir ve Peramivir gibi nöraminidaz inhibitörü ilaçların influenza A tipi retrovirüs enfeksiyonlarına karşı etki mekanizmalarının in siliko yöntemlerle incelenmesi METOT ve ARAÇLAR $AMBERHOME@TRGRID programları : autodock_vina v1 ve AMBER v10 program paketi, 2HU4.pdb, chimera, Autodock Tools (ADT) GAMESS QUANTUM MECHANICS ÇALIŞTAYI AMACI 1) DSV (Digital Studio Visualizer) ile molekül hazırlanması 2) GAMESS input dosyalarının GAPEDIT ile hazırlanması 3) GAMESS işlerinin PBS script ile node lara gönderilmesi 4) Density Functional Theory B3LYP/6-31 G* (d,p) Quantum metodu ile moleküller arasında potansiyel enerji hesaplaması, stabilite ve afinite

3 İnsanlara bulaşan İnfluenza-A retrovirüs tipleri

4 Figure was adapted from A. Moscona (2005). Neuraminidase İnhibitors for Influenza. Drug Therapy, 353,

5 Taylor NR, von Itzstein M (March 1994). "Molecular modeling studies on ligand binding to sialidase from influenza virus and the mechanism of catalysis". Journal of Medicinal Chemistry 37 (5):

6 Anti-influenza ilaç geliştirme çabaları nöraminidaz enziminin kristal yapısını 1983 te Colman1 grubu yayınladıktan sonra hızlandı. 1. PM Colman, JN Varghese, WG Laver (1983). Structure of the catalytic and antigenic sites in influenza virus neuraminidase. Nature; 303: İçerik: Zanamivir, 1989 Ticari isim: Relenza Firma:GlaxoSmithKline (UK) Uygulama: Oral inhalation Metot: In Siliko, GRID (Molecular Discovery Ltd.) İçerik: Oseltamivir Ticari isim: Tamiflu Firma:GlaxoSmithKline (USA) Uygulama: Capsulles Metot: In Siliko İçerik: Peramivir, 2009 Ticari isim: Faz-III test aşaması Firma:BioCryst Pharmaceuticals (USA), Allience of U.S. Department of Health and Human Services Uygulama: Intravenous or intramascular Metot: Kristalografi, In Siliko ethyl (3R,4R,5S)-5-amino-4-acetamido-3(pentan-3-yloxy)cyclohex-1-ene-1carboxylate (2R,3R,4S)- 4-[(diaminomethylidene)amino]3-acetamido- 2-[(1R,2R)- 1,2,3trihydroxypropyl]- 3,4-dihydro- 2H-pyran- 6carboxylic acid (1S,2S,3S,4R)-3-[(1S)-1-acetamido-2-ethylbutyl]-4- (diaminomethylideneamino)-2hydroxy-cyclopentane- 1-carboxylic acid

7 $AMBERHOME module load tr-01-ulakbim/application/amber10/intel AMBER v10 GAMESS QM GABEDIT Discovery Studio Visualizer v2.0 AutoDock (MGL) Tools v1.x.x Autodock_vina VMD Sirius

8 En sık kullanılan koordinat dosyaları 1) Protein Data Bank (PDB) formatı (makro moleküller, ligand, su, iyonlar, vb.) REMARK HELIX SHEET SSBOND atom # atom type residue chain res.# x y z ATOM.. TER HETATM TER CONECT END 1 N VAL A CA MOL A/B ) SYBYL mol2 formatı (makromoleküller, küçük moleküller) #Creation time: Mon Apr 03 11:57:47 GTB Daylight Time zanamivir PROTEIN # atom type x y z atom type chain C.2 1 ZMR

9 Uygun PDB dosyası seçimi PROTEIN DATA BANK Protein, RNA, DNA, Glikoprotein, reseptör-ilaç komplex yapıları Dosya formatı : PDB Search (Arama) ile molekül(ler) bulunabilir 1) Kristal (susuz ortamda) yapı koordinatları. Metot: X-RAY kristalografisi -Tek bir yapı. -Monomerler kristallenirken dimer veya tetramer yapı oluşturabilirler. Bu durumda birinci monomer yapı koordinatları tercih edilir -Hidrojen atomları dahil değildir. Mümkünse <2.5 Ao çözünürlük tercih edilmelidir. -Çok az miktarda kristallenmiş su molekülleri içerebilir. 2) Çözelti (sulu ortamda) yapı koordinatları. Metot: NMR yapı tayini -Ortalama bir yapı veya birden fazla üst-üste çakıştırılmış yapılar olabilir. -Gerekli olmadıkça su molekülleri içermezler BIOMAGNETIC RESONANCE BANK (BMRB) PDB formatında Biyomoleküllerin NMR çözelti yapıları DOCKING ve MOLECULAR MECHANICS için kristal yapıları tercih ediniz.

10 Protein Data Bank ta uygun H1N1 tipi nöraminidaz enzim koordinatları seçimi

11 amino asitler

12 RESEPTÖR VE LİGAND KOORDİNATLARI CHIMERA kullanımı --$AMBERHOME kütüphanelerini yükleyiniz. module load tr-01-ulakbim/application/amber10/intel --chimera yı çalıştırınız chimera File>Fetch By ID >PDB seçiniz > kutuya 2hu4 yazınız > Fetch --2 adet tetramer kristal yapısı. Monomerler: A, B, C, D, E, F, G, H --sadece monomer A ile çalışılacak. Monomer A koordinatlarını 2HU4_A.pdb olarak kaydediniz Select>Chain>A File> Save PDB File name : 2HU4_A.pdb Save Selected atoms only ve Use untransformed atoms only işaretleyiniz > Save -- 2HU4.pdb dosyasını kapatınız ve 2HU4_A.pdb dosyasını yükleyiniz. File>Close File>Open File name : 2HU4_A.pdb > Open -- Actions>Atoms/Bonds>delete -- Ligandı (oseltamivir) PDB formatında kaydediniz Select>Residue>G39 File>SavePDB>Save Selected Atoms Only> Filename: oseltamivir.pdb

13 RESEPTÖR VE LİGAND HAZIRLANMASI EDİTÖR KULLANIMI nedit veya vi editörleri 2HU4.pdb dosyasındaki reseptör (nöraminidaz) koordinatları -- 2HU4 dosyasında ATOM 1 ile TER 2963 arasındaki atom koordinatlarını kopyalayıp -- bir başka dosyaya yapıştırınız ve rec.pdb olarak kaydediniz ATOM 1 N VAL A TER 2963 ILE A N 2HU4.pdb dosyasındaki ligand (oseltamivir) koordinatları -- 2HU4 dosyasında HETATM23705 ile HETATM23724 arasındaki atom koordinatlarını kopyalayıp -- bir başka dosyaya yapıştırınız ve oseltamivir.pdb olarak kaydediniz. HETATM23705 C1 G39 A HETATM23724 N4 G39 A C N

14 CYSTINE BAĞLARININ BELİRLENMESİ -- cystine (-S-S-)AMBER kodu : CYX -- cystein (-SH) AMBER kodu : CYS -- 2HU4.pdb dosyasını less, vi veya nedit ile text olarak görüntüleyiniz -- SSBOND satırlarını bulunuz ve A monomerine karşılık gelen cystine bağlarını kaydediniz 2HU4.pdb SSBOND SSBOND SSBOND SSBOND SSBOND SSBOND SSBOND SSBOND CYS CYS CYS CYS CYS CYS CYS CYS A A A A A A A A CYS CYS CYS CYS CYS CYS CYS CYS A A A A A A A A rec.pdb dosyasını açınız. -- CYS aminoasitler (residue): 92, 417, 124, 129, 183, 230, 232, 237, 278, 291, 280, 289, 318, 421, Belirlenen CYS aminoasitlerin PDB dosyasındaki KOD isimlerini CYS CYX olarak değiştiriniz ve pdb dosyasını rec_amber.pdb olarak kaydediniz. Örnek ; CYS: CYX: ATOM ATOM N N CYS CYX A A N N

15 DOCK AutoDOCK Tools (ADT) ile reseptör ve ligandı hazırlama Önemli hususlar Kısmi atom yükleri : Gestaiger yükleri Protein : Polar atomlar hidrojen içerir. Polar olmayan atomlar hidrojen içermez. Ligand : Atomlar hidrojen içermez. Autodock dosya formatı : PDBQT -- ADT yi çalıştırınız adt --Auto Dock button una basınız ve beliren pencerede Dismiss e basınız Ligand hazırlama: Ligand>Input>Open klasörünüzden oseltamivir.pdb seçiniz Ligand > Tosrion Tree>Choose Torsions Ligand>Output>Save as PDBQT> oseltamivir.pdbqt olarak kaydediniz Protein hazırlama: File > Read Molecule > klasörünüzden pdb formatında rec.pdb seçiniz Edit > Hydrogens > Add > Polar Only Ok Grid > Macromolecule > Choose > rec>select Molecule> File name : rec.pdbqt Grid > Grid Box Spacing : 1 Button ları kullanarak GRID kutunuzun boyutlarını belirleyiniz ve aşağıdaki gibi kaydediniz Grid Points Center Grid Box x_dimension 26 x_center : y_dimension 28 y_center : z_dimension 30 z_center :

16 run.sh : #!/bin/sh #PBS -q trgridd@ce.ulakbim.gov.tr #PBS -N swineflu #PBS -l nodes=1:ppn=2 #PBS -V CALISMA_DIZINI="/home_palamut1/cenk/klasor" cd $CALISMA_DIZINI AMBERBIN="/home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin" if [ "x$pbs_nodefile"!= "x" ] ; then echo "PBS Nodefile: $PBS_NODEFILE" HOST_NODEFILE=$PBS_NODEFILE fi if [ "x$lsb_hosts"!= "x" ] ; then echo "LSF Hosts: $LSB_HOSTS" HOST_NODEFILE=`pwd`/lsf_nodefile.$$ for host in ${LSB_HOSTS} do echo $host >> ${HOST_NODEFILE} done fi if [ "x$host_nodefile" = "x" ]; then echo "No hosts file defined. Exiting..." exit fi echo "***********************************************************************" CPU_NEEDED=`cat $HOST_NODEFILE wc -l` echo "Node count: $CPU_NEEDED" echo "Nodes in $HOST_NODEFILE: " cat $HOST_NODEFILE echo "***********************************************************************" echo $HOME echo "***********************************************************************" CPU_NEEDED=`cat $HOST_NODEFILE wc -l` echo "Checking ssh for each node:" NODES=`cat $HOST_NODEFILE` for host in ${NODES} do echo "Checking $host..." ssh $host hostname done echo "***********************************************************************" DO_PARALLEL="mpirun -np $CPU_NEEDED ";export DO_PARALLEL /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/library/lam intel9.1/bin/lamboot $HOST_NODEFILE ########################################################################## $AMBERBIN/vina --config $CALISMA_DIZINI/vina.in --log $CALISMA_DIZINI/vina.log /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/library/lam intel9.1/bin/lamhalt DOCK AUTODOCK_VINA -- mkdir ile kendinize bir $HOME/klasor yaratınız. Bu klasörde olması gereken dosyalar: rec.pdbqt, oseltamivir.pdbqt, vina.in run.sh vina.in: receptor = rec.pdbqt ligand = oseltamivir.pdbqt out = docked_results.pdbqt size_x = 26 size_y = 28 size_z = 30 center_x = center_y = center_z = exhaustiveness = 8

17 DOCK AUTODOCK_VINA -- vina işini gönderiniz qsub run.sh Output : vina.log (energy scores) docked_results.pdbqt (dock olmuş molekül koordinatları) vina.out : mode affinity dist from best mode (kcal/mol) rmsd l.b. rmsd u.b Dock koordinatları görüntüleme --adt çalıştırınız. --Float Dashboard Widget button una basıp Phyton Molecule Viewer (PMV) pencerini ekranınızın farklı bir yerine taşıyınız File > Read Molecule > rec.pdb File > Read Molecule > docked_results.pdbqt PMV de MS ile reseptörün yüzey görünümünü açınız PMV de birinci oseltamivir dışında diğer ligandların line button nunu inaktif ediniz. PMV de birinci oseltamivir için Display S&B ve Atom opsiyonlarını işaretleyiniz. PMV de birinci oseltamivir I Select ile seçiniz Edit>Add Hydrogens> All Hydrogens >OK File > Save > Write PDB>oseltamivir_docked.pdb olarak kaydediniz.

18 AMBER v10 (2008) Assisted Model Building with Energy Refinement D.A. Case, T.A. Darden, T.E. Cheatham, III, C.L. Simmerling, J. Wang, R.E. Duke, R. Luo, K.M. Merz, B. Wang, D.A. Pearlman, M. Crowley, S. Brozell, V. Tsui, H. Gohlke, J. Mongan, V. Hornak, G. Cui, P. Beroza, C. Schafmeister, J.W. Caldwell, W.S. Ross, and P.A. Kollman (2008), AMBER 10, University of California, San Francisco.

19 AMBER v10 Mighty AMBER Force Field for amino acids, (deoxy) ribonucleot(s)ides, sugars, small organic molecules Determines Molecular semiempirical quantum charges for small molecules (AM1-BCC ~ RESP) Dynamics (MM) Explicit solvent simulations Particle Mesh Ewald NMR restraints Poisson Boltzmann Implicit solvent simulations Poisson Boltzmann Generalized Born Stand-alone simulations NMR restraints (NOE distance, dihedral angle, dipolar couplings, chemical shifts) X-Ray restraints (distance and torsion angles) Quantum Mechanics/Molecular Mechanics (QM/MM) ~ QSAR Study Enzyme (receptor) Substrate (ligand) interactions Substrate (ligand) = QM_semiempirical Hemiltonian (AM1-BCC, PM3, MINDO/2), Gaussian Enzyme (receptor) = MM Thermodynamics Constant ph simulations, pka shifts for titratible groups Transition Docking G, H, S, Cv, Binding constant state analysis (locus of the receptor must be known)

20 AMBER Force Field antechamber ligand GAFF, AM1, PM3, MINDO/2 receptor, receptor+ligand LeaP X-Ray, NMR gamess, gaussian prepare amber parameters prmtop, xyz redii MM HF/6-31G*, B3LYP/6-31G*, RESP charges QM/MM input parameters sander NMR or X-Ray restraints sander.less ptraj trajectory sander.qmmm pmemd trajectory ptraj pbsa vmd delphi mm-pbsa sander nmode molsurf G, H, S, Cv, Gsolv, Kd vmd Chimera Sirius

21 MM by AMBER10 EPtot = Σ Kr (r req)2 bond bonds + Σ KΘ (Θ Θeq)2 angle angles + Σ (Vn/2) (1 + cos[nф γ]) dihedral dihedral atoms + Waals Σ (Aij / R12ij) - (Bij / R6ij) van der i j atoms + electrostatic Σ (qi qj / εs Rij) i j [ (optional) ] + EEP extra points atoms [ - ( 1/2) Σ μind. E(o) polarization

22 Molecular Dynamics için input dosyaları Aşağıda belirtilen klasörleri mkdir ile yaratınız ve bu klasörlere gerekli input ve pdb dosyalarını taşıyınız ante : oseltamivir_docked.pdb prmtop : rec_amber.pdb relax : relax.in temp : temp.in md : md.in ptraj : ptraj.in mmpbsa : coord.in, mmpbsa.in mdout Relax.in: Relax the entire system &cntrl imin = 1, maxcyc = 1000, ncyc = 500, ntb = 1, ntr = 0, cut = 9, ntx = 1 / Temp.in: Temperature equilibration &cntrl imin=0, nstlim=10000, ntb=1, irest=0, ntx=1, ntc=2, ntf=2, ntt=3, tempi=0, temp0=298.15, gamma_ln=1, vlimit=5, dt=0.002, ntpr=250, ntwx=250, cut=9, &end Md.in : Pressure equilibration and Molecular dynamics &cntrl imin=0, nstlim= , dt=0.002, cut=9, irest=1, ntx=5, ntt=3, gamma_ln= 1.0, tempi=298.15, temp0=298.15, ntb=2, ntp=1, pres0=1, taup=2, ntc = 2, ntf = 2, ntpr=2500, ntwx=2500, ntr=0, &end

23 Antechamber ile AM1-BCC kısmi atom yükleri hesaplama -- AM1-BCC-Austin Model 1 with Bond and Charge Correction -- DFT HF/6-31 G* kısmi yüklerine benzer sonuçlar cd ante antechamber i oseltamivir.pdb fi pdb o ligand.mol2 fo mol2 at gaff c bcc nc 0 rn MOL j 4 parmchk i ligand.mol2 f mol2 o ligand.params

24 AMBER ile 10 ns Molecular Dynamics XLEAP, TLEAP, Parameter&Topology ve Coordinate dosyaları cd prmtop -- xleap veya tleap çalıştırınız source leaprc.ff99sb source leaprc.gaff loadamberparams../ante/ligand.params lig=loadmol2 ligand.mol2 rec=loadpdb rec_amber.pdb com=combine {rec lig} check com charge com saveamberparm com com_mmpbsa.prmtop com_mmpbsa.x saveamberparm rec rec_mmpbsa.prmtop red_mmpbsa.x saveamberparm lig lig_mmpbsa.prmtop lig_mmpbsa.x addions2 com Na+/Cl- 0/sayı (0: nötrallemek için ; sayı: counterion sayısı) solvateoct com TIP3PBOX 10/8 0.4 (su molekülleri kompleksten 10 veya 8 Ao uzaklığa kadar dizilebilir. 0.4 Ao su molekülleri ile kompleks arasındaki boşluktur) saveamberparm com mol.prmtop mol.x savepdb com com.pdb Output dosyaları : com.prmtop (parameter&topology), com.x (coordinates) ve com.pdb

25 run.sh #!/bin/sh #PBS -q #PBS -N swineflu #PBS -l nodes=20:ppn=1 ## Export all my environment variables to the job #PBS -V CALISMA_DIZINI="/home_palamut1/cenk/klasor" cd $CALISMA_DIZINI AMBERBIN="/home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin" if [ "x$pbs_nodefile"!= "x" ] ; then echo "PBS Nodefile: $PBS_NODEFILE" HOST_NODEFILE=$PBS_NODEFILE fi if [ "x$lsb_hosts"!= "x" ] ; then echo "LSF Hosts: $LSB_HOSTS" HOST_NODEFILE=`pwd`/lsf_nodefile.$$ for host in ${LSB_HOSTS} do echo $host >> ${HOST_NODEFILE} done fi if [ "x$host_nodefile" = "x" ]; then echo "No hosts file defined. Exiting..." exit fi echo "***********************************************************************" CPU_NEEDED=`cat $HOST_NODEFILE wc -l` echo "Node count: $CPU_NEEDED" echo "Nodes in $HOST_NODEFILE: " cat $HOST_NODEFILE echo "***********************************************************************" echo $HOME echo "***********************************************************************" CPU_NEEDED=`cat $HOST_NODEFILE wc -l` echo "Checking ssh for each node:" NODES=`cat $HOST_NODEFILE` for host in ${NODES} do echo "Checking $host..." ssh $host hostname done 1 AMBER Molecular Dynamics

26 AMBER Molecular Dynamics Run.sh (devamı) 2 echo "***********************************************************************" DO_PARALLEL="mpirun -np $CPU_NEEDED ";export DO_PARALLEL /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/library/lam intel9.1/bin/lamboot $HOST_NODEFILE ########################################################################## $DO_PARALLEL $AMBERBIN/pmemd -O -i $CALISMA_DIZINI/relax/relax.in -o $CALISMA_DIZINI/relax/relax.out \ p $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.prmtop -c $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.x -r $CALISMA_DIZINI/relax/mol.relax.x $DO_PARALLEL $AMBERBIN/pmemd -O -i $CALISMA_DIZINI/temp/temp.in -o $CALISMA_DIZINI/temp/temp.out -p \ $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.prmtop -c $CALISMA_DIZINI/relax/mol.relax.x -r $CALISMA_DIZINI/temp/mol.temp.x x \ $CALISMA_DIZINI/temp/mol.temp.traj $DO_PARALLEL $AMBERBIN/pmemd -O -i $CALISMA_DIZINI/md/md.in -o $CALISMA_DIZINI/md/md1.out p \ $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.prmtop -c $CALISMA_DIZINI/temp/mol.temp.x -r $CALISMA_DIZINI/md/mol.md1.x x \ $CALISMA_DIZINI/md/mol.md1.traj $DO_PARALLEL $AMBERBIN/pmemd -O -i $CALISMA_DIZINI/md/md.in -o $CALISMA_DIZINI/md/md2.out -p \ $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.prmtop -c $CALISMA_DIZINI/md/mol.md1.x -r $CALISMA_DIZINI/md/mol.md2.x x \ $CALISMA_DIZINI/md/mol.md2.traj $DO_PARALLEL $AMBERBIN/pmemd -O -i $CALISMA_DIZINI/md/md.in -o $CALISMA_DIZINI/md/md3.out -p \ $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.prmtop -c $CALISMA_DIZINI/md/mol.md2.x -r $CALISMA_DIZINI/md/mol.md3.x x \ $CALISMA_DIZINI/md/mol.md3.traj $DO_PARALLEL $AMBERBIN/pmemd -O -i $CALISMA_DIZINI/md/md.in -o $CALISMA_DIZINI/md/md4.out -p \ $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.prmtop -c $CALISMA_DIZINI/md/mol.md3.x -r $CALISMA_DIZINI/md/mol.md4.x -x \ $CALISMA_DIZINI/md/mol.md4.traj $DO_PARALLEL $AMBERBIN/pmemd -O -i $CALISMA_DIZINI/md/md.in -o $CALISMA_DIZINI/md/md5.out -p \ $CALISMA_DIZINI/prmtop/mol.prmtop -c $CALISMA_DIZINI/md/mol.md4.x -r $CALISMA_DIZINI/md/mol.md5.x -x \ $CALISMA_DIZINI/md/mol.md5.traj /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/library/lam intel9.1/bin/lamhalt ls ~/klasor $ ante prmtop relax $ chmod 755 run.sh $ qsub run.sh temp md ptraj mmpbsa run.sh İşinizi kontrol etmek için qstat komutunu kullanabilirsiniz

27 AMBER Molecular Dynamics Temperature (K), Pressure (bar) -- Hesaplamaların yürümesini tail ile kontrol ediniz. Mesela; cd md tail f md3.out (tail iptal için cntrl+c) -- Potansiyel enerji, sıcaklık dengelenmesi, basınç dengelenmesi gözlemi için; cd mdout mdout.pl../md/md1.out../md/md2.out../md/md3.out../md/md4.out../md/md5.out../md/md6.out../md/md7.out../md/md8.out../md/md9.out../md/md10.out Output: summary.eptot, summary.pres, summary.temp xmgrace, EXCEL ile output dosyalarını grafik olarak aşağıdaki gibi sunabilirsiniz TEMP PRES time (ps)

28 EXCEL ile oluşturulmuş potansiyel enerji eğrisine bir örnek aşağıda verilmektedir Energy (kcal/mol) EPTOT time (ps)

29 Trajectory analizi, PTRAJ, rmsd, CHIMERA cd ptraj ptraj p../prmtop/mol.prmtop ptraj.in ptraj.in: trajin../md/mol.md1.traj trajin../md/mol.md2.traj trajin../md/mol.md3.traj trajin../md/mol.md4.traj trajin../md/mol.md5.traj reference../prmtop/mol.x rms reference :1-385 out rec.rms.out time 5 rms reference :386 out lig.rms.out time 5 rms reference :1-386 out com.rms.out time 5 Örnek rmsd eğrisi Cenk Andac, Muge Andac, Adil Denizli (2007). Predicting the Binding Properties of Cibacron Blue F3GA in Affinity Seperation Systems. International Journal of Biological Macromolecules (Structure, Function and Interactions), 41, Output: rec.rms.out, com.rms.out, lig.rms.out Plotting: xmgrace, EXCEL

30 MMPBSA (Molecular Mechanics/Poisson Boltzman Surface Area) Bağlanma serbest enerjisi, bağlanma sabiti hesaplanması Thermodynamic computations are conducted at 300 K by the mm-pbsa module of AMBER v9-10 for the complex, the receptor and the ligand, exhibiting the following 1:1 binding interaction. Kon Kon Receptor + Ligand Complex Ka= Koff Koff The Absolute free energy (G) for the complex, the receptor, and the ligand is computed in a classical manner as in EQ.1, G = H T. S EQ.1 in which T is the temperature of the system at 300 K. The binding free energy (ΔG) of the complex system is computed as in EQ.2 ΔG = Gcomp [ Grec + Glig ] EQ.2 ΔG = Δ H - TΔS The entropy term is a sum of translational, rotational and vibrational entropies and is disfavorable in total. 100 snapshots are extracted for the coordinates of the solute species (complex, receptor and ligand) within the last 10-20% of the trajectory. H and S terms are computed for each snapshots and averaged out of the 100 snapshots to constitute mean absolute H and mean absolute S terms. C.A.

31 MMPBSA (Molecular Mechanics/Poisson Boltzman Surface Area) Enerji terimleri Teori: Absolute (single-state) energy terms in MM-PBSA H = EPtot EPtot = Hgas + Gsolv Gsolv = Gel + Gnonel Gel Linearized Poisson Boltzmann ε(r) Ø(r) = - 4 π. ρ(r) - 4 π zici exp( zi Ø(r)/kBT) Gnonel = γ (SURFTEN). SASA + b (SURFOFF) Stot G = Srotational + Stranslational + Svibrational = H - T. Stot Free energy of binding Receptor + Ligand -> Complex Δ Gbinding = Gcomplex [ G receptor + G ligand ]

32 Koordinatları trajectory den ekstraksiyonu cd mmpbsa mm_pbsa.pl coord.in >& \ coord.out & coord.in output koordinatlar anti-influenza_com.crd.1 anti-influenza_com.crd anti-influenza_rec.crd.1 anti-influenza_rec.crd anti-influenza_lig.crd.1 anti-influenza_lig.crd.100 PREFIX anti-influenza PATH /home_palamut1/cenk/tubitak/mmpbsa COMPLEX 1 RECEPTOR 1 LIGAND 1 COMPT /home_palamut1/cenk/tubitak/mmpbsa/com.prmtop RECPT /home_palamut1/cenk/tubitak/mmpbsa/com.prmtop LIGPT /home_palamut1/cenk/tubitak/mmpbsa/com.prmtop GC 1 AS 0 DC 0 MM 0 GB 0 PB 0 MS 0 NM BOX YES/NO (YES: Sulu ortam NO: Susuz ortam) NTOTAL?? (pdb dosyasında toplam atom sayısı) NSTART?? (Trajectory de istenilen ilk snapshot) NSTOP?? (Trajectory de istenilen son snapshot) NFREQ?? (snapshot aralık frekansı) NUMBER_LIG_GROUPS 1 LSTART 5750 LSTOP 5795 NUMBER_REC_GROUPS 1 RSTART 1 RSTOP TRAJECTORY SANDER /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/sander NMODE /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/ nmode AMBPDB /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/ ambpdb MOLSURF /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/molsurf AMBERHOME /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10

33 MMPBSA ile bağlanma enerjisi hesaplaması cd mmpbsa mm_pbsa.pl mmpbsa.in >& \ mmpbsa.out & PREFIX PATH COMPLEX RECEPTOR LIGAND COMPT RECPT LIGPT GC AS DC MM GB PB MS PROC REFE INDI EXDI SCALE LINIT PRBRAD ISTRNG RADIOPT NPOPT SURFTEN DIELC MAXCYC SANDER NMODE AMBPDB MOLSURF AMBERHOME anti-influeza /home_palamut1/cenk/tubitak/mmpbsa /home_palamut1/cenk/tubitak/prmtop/com_mmpbsa.prmtop /home_palamut1/cenk/tubitak/prmtop/rec_mmpbsa.prmtop /home_palamut1/cenk/tubitak/prmtop/com_mmpbsa.prmtop /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/sander /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/nmode /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/ambpdb /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin/molsurf /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/

34 run.sh #!/bin/sh #PBS -q #PBS -N swineflu #PBS -l nodes=1:ppn=1 #PBS -V CALISMA_DIZINI="/home_palamut1/cenk/tubitak/mmpbsa" cd $CALISMA_DIZINI AMBERBIN="/home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/amber10/bin" if [ "x$pbs_nodefile"!= "x" ] ; then echo "PBS Nodefile: $PBS_NODEFILE" HOST_NODEFILE=$PBS_NODEFILE fi if [ "x$lsb_hosts"!= "x" ] ; then echo "LSF Hosts: $LSB_HOSTS" HOST_NODEFILE=`pwd`/lsf_nodefile.$$ for host in ${LSB_HOSTS} do echo $host >> ${HOST_NODEFILE} done fi if [ "x$host_nodefile" = "x" ]; then echo "No hosts file defined. Exiting..." exit fi CPU_NEEDED=`cat $HOST_NODEFILE wc -l` echo "Node count: $CPU_NEEDED" echo "Nodes in $HOST_NODEFILE: " cat $HOST_NODEFILE CPU_NEEDED=`cat $HOST_NODEFILE wc -l` echo "Checking ssh for each node:" NODES=`cat $HOST_NODEFILE` for host in ${NODES} do echo "Checking $host..." ssh $host hostname Done DO_PARALLEL="mpirun -np $CPU_NEEDED ";export DO_PARALLEL /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/library/lam intel9.1/bin/lamboot $HOST_NODEFILE $AMBERBIN/mm_pbsa.pl $CALISMA_DIZINI/mmpbsa.in > $ /home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/library/lam intel9.1/bin/lamhalt qsub run.sh

35 MM-PBSA output (anti-influenza_statistics.out) enerji terimleri *** Abbreviations for mm_pbsa output *** ELE - non-bonded electrostatic energy + 1,4-electrostatic energy VDW - non-bonded van der Waals energy + 1,4-van der Waals energy INT - bond, angle, dihedral energies GAS = ELE + VDW + INT PBSUR - hydrophobic contrib. to solv. free energy for PB calculations PBCAL - reaction field energy calculated by PB PBSOL =PBSUR + PBCAL PBELE = PBCAL + ELE PBTOT = H = PBSOL + GAS TSTRA - translational entropy (as calculated by nmode) times temperature TSROT - rotational entropy (as calculated by nmode) times temperature TSVIB - vibrational entropy (as calculated by nmode) times temperature T.S = TSTRA + TSROT + TSVIB Δ G = Δ H T. ΔS

36 GAMESS QUANTUM MECHANICS Kütüphaneler: module load tr-01-ulakbim/application/gamess/intel-parallel module load tr-01-ulakbim/application/amber10/intel GAMESS çalıştırılması için kullanıcıların $HOME/scr klasörü olması gerekir. mkdir ~/scr GAMESS işi yürütülmesi 1) Kefal1 de : rungms input 01 1 > input.log & 2) PBS işi ile node larda rungms input 01 #cpu > input.log & (#cpu: kor sayısı)

37 Konu : Cis-dihydroxycyclopropane ve trans-dihydroxycyclopropane moleküllerinin kararlılıklarının potansiyel energilerine göre karşılaştırılması GAMESS Quantum hesaplama yöntemi: DFT B3LYP/6-31 G*(d,p)

38 DSV ile molekülllerin PDB veya MOL2 koordinatları dsv& çalıştırınız. -Aşağıdaki moleküüleri ayrı ayrı DSV (Digital Studio Visualizer) de çiziniz ve minime ediniz -molekülleri sırası ile cis.pdb ve trans.pdb olarak PDB formatında kaydediniz. -DSV yi kapatınız. cis-dihydroxycyclopropane cis.pdb trans-dihydroxycyclopropane trans.pdb

39 2. GABEDIT ile GAMESS input dosyaları gabedit & çalıştırınız Geometry > Draw Mouse sağ tıklayınız > Read > PDB file > cis.pdb Mouse sağ tıklayınız > Molecular Mechanics > Optimization > OK > OK File > New > Gamess Input Charge : 0 Spin Multiplicity (2 S + 1) : 1 Run Type : Equilibrium Geometry SCF Type : RHF (Restricted Hartree-Fock) Max # SCF iterations : 200 Correlation Type: Density Functional Theory Correlation Method : B3LYP Basis Set : 6-31 G OK tıklayınız File > Save as > cis.inp [S = ortaklanmamış electron sayısı] [ cis = değişken dosya ismi;.inp = GAMESS için gerekli]

40 cis.inp trans.inp! ======================================! This file was generated by Gabedit! ====================================== $SYSTEM MWORDS=20 $END $CONTRL RUNTYP=Optimize $END $STATPT OptTol=1e-5 NStep=500 $END $CONTRL SCFTYP=RHF $END $DFT DFTTYP=B3LYP $END $CONTRL ICHARG=0 MULT=1 $END $BASIS GBASIS=N31 NGAUSS=6 $END $DATA Molecule specification C1 C C C O H H O H H H H $END! ======================================! This file was generated by Gabedit! ====================================== $SYSTEM MWORDS=20 $END $CONTRL RUNTYP=Optimize $END $STATPT OptTol=1e-5 NStep=500 $END $CONTRL SCFTYP=RHF $END $DFT DFTTYP=B3LYP $END $CONTRL ICHARG=0 MULT=1 $END $BASIS GBASIS=N31 NGAUSS=6 $END $DATA Molecule specification C1 C C C H O H O H H H H $END

41 TR-GRID de GAMESS işi çalıştırılması Uyarı : $HOME/scr dosyasında cis* veya trans* dosya(ları) var ise siliniz qsub run.sh cis için örnek run.sh dosyası (chmod 755 run.sh) #!/bin/sh #PBS -q trgridd@ce.ulakbim.gov.tr #PBS -N games_ornek #PBS -l nodes=1:ppn=4 #PBS -V export CALISMA_DIZINI="/home_palamut1/cenk/klasor" export GAMESSHOME="/home_palamut1/software/tr-01-ulakbim/application/gamess_mvapich/" cd $CALISMA_DIZINI. /usr/share/modules/init/sh module load tr-01-ulakbim/compiler/intel11.0/fortran/intel64 module load tr-01-ulakbim/compiler/intel11.0/cpp/intel64 module load tr-01-ulakbim/library/intel10.1/mkl/em64t module load tr-01-ulakbim/library/mvapich-1.1.0/gcc if [ "x$pbs_nodefile"!= "x" ] ; then echo "PBS Nodefile: $PBS_NODEFILE" HOST_NODEFILE=$PBS_NODEFILE fi if [ "x$lsb_hosts"!= "x" ] ; then echo "LSF Hosts: $LSB_HOSTS" HOST_NODEFILE=`pwd`/lsf_nodefile.$$ for host in ${LSB_HOSTS} do echo $host >> ${HOST_NODEFILE} done fi if [ "x$host_nodefile" = "x" ]; then echo "No hosts file defined. Exiting..." exit fi CPU_NEEDED=`cat $HOST_NODEFILE wc -l` cat $HOST_NODEFILE > nodes $GAMESSHOME/rungms $CALISMA_DIZINI/in.inp 01 $CPU_NEEDED > $CALISMA_DIZINI/cis.log 2>err

42 GAMESS OUTPUT dosyaları cis.log ve trans.log cis.log trans.log.. cis.log dosyası sonlarında belirtilen.. en son energy değerleri ENERGY COMPONENTS WAVEFUNCTION NORMALIZATION =.. trans.log dosyası sonlarında belirtilen.. en son energy değerleri ENERGY COMPONENTS WAVEFUNCTION NORMALIZATION = TOTAL ENERGY = ONE ELECTRON ENERGY = TWO ELECTRON ENERGY = NUCLEAR REPULSION ENERGY = ONE ELECTRON ENERGY = TWO ELECTRON ENERGY = NUCLEAR REPULSION ENERGY = ELECTRON-ELECTRON POTENTIAL ENERGY = NUCLEUS-ELECTRON POTENTIAL ENERGY = NUCLEUS-NUCLEUS POTENTIAL ENERGY = TOTAL POTENTIAL ENERGY = TOTAL KINETIC ENERGY = VIRIAL RATIO (V/T) = TOTAL ENERGY = ELECTRON-ELECTRON POTENTIAL ENERGY = NUCLEUS-ELECTRON POTENTIAL ENERGY = NUCLEUS-NUCLEUS POTENTIAL ENERGY = TOTAL POTENTIAL ENERGY = TOTAL KINETIC ENERGY = VIRIAL RATIO (V/T) = MULLIKEN AND LOWDIN POPULATION ANALYSES MULLIKEN AND LOWDIN POPULATION ANALYSES

43 GAMESS potansiyel enerji (E) karşılaştırması E = Etrans Ecis 1 Hartree = kcal/mol Etrans= Hartree Ecis = Hartree E = Hartree = kcal/mol > trans izomer kcal/mol daha kararlı

44 Bağlanma afinitesi karşılaştırılması host-metal complexleri Örnek; host-m1 ve host-m2 E = E host-m1 E host-m2 (E = potansiyel enerji)