Bioinformatyka: UNRES

Krótki opis usługi

Usługa UNRES jest przyjazną dla użytkownika realizacją pakietu modelowania gruboziarnistego białek, opartego na polu siłowym UNRES opracowanym w wyniku współpracy grupy prof. Adama Liwo z Wydziału Chemii Uniwersytetu Gdańskiego oraz grupy prof. Harolda A. Scheragi, Cornell University, USA. Dzięki znacznemu uproszczeniu reprezentacji łańcucha polipeptydowego przy jednoczesnym ścisłym związku wyprowadzonego pola siłowego z fizyką oddziaływać symulacje są przyspieszone 1000 - 10000 razy w stosunku do obliczeń w reprezentacji pełnoatomowej. Adresatami usługi są biofizycy, biologowie molekularni i  bioinformatycy, którzy mają potrzebę symulowania zmian strukturalnych, dynamiki i termodynamiki dużych układów białkowych w czasie rzeczywistym. W szczególności usługa będzie przydatna dla badaczy, którzy chcą wykonać wspomniane wielkoskalowe symulacje białek natomiast brak czasu nie pozwala im na zapoznanie się z uruchamianiem zadań bezpośrednio na serwerach przy użyciu systemu kolejkowania. 

Z usługi można korzystać na dwa sposoby: za pośrednictwem interaktywnego portalu UNRES oraz przy pomocy systemy wsadowego QosCos. W tym drugim przypadku należy najpierw załadować moduł /usr/share/Modules/modulefiles/plgrid/plgrid/apps/unres-e0ll2y/3.2.1 (obliczenia przy użyciu ogólnej wersji pola siłowego opisanej w He et al., J. Comput. Chem., 2009, 30, 2127-2135) lub /usr/share/Modules/modulefiles/plgrid/plgrid/apps/unres-gab/3.2.1 (obliczenia dla wersji pola siłowego odpowiedniego dla białek helikalnych; Liwo et al., J. Phys. Chem. B, 2007, 111, 260-285).

Usługa składa się z następujących elementów:

• UNRES: właściwe symulacje,
• WHAM : przerwarzanie wyników dynamiki molekularnej z wymianą replik metodą analizy ważonych histogramów,
• CLUSTER: analiza skupień wyników symulacji; analiza wyników dynamiki molekularnej z wymianą replik wymaga wstępnego przetworzenia metodą analizy ważonych histogramów.

Usługa UNRES umożliwia realizację następujących typów obliczeń:

• Obliczanie i lokalna minimalizacja energii cząsteczki białka.
• Kanoniczne symulacje gruboziarniste dynamiki białek.
• Symulacje białek przy użyciu metody wymiany replik lub zwielokrotnionej wymiany replik i konstrukcja na tej podstawie profili zależności wielkości geometrycznych, mechanicznych i termodynamicznych od temperatury, badanie krajobrazów energii swobodnej białek, termodynamiki zwijania, itp. W tym przypadku konieczne jest użycie programu WHAM.
• Przewidywanie struktury białek oparte o fizykę oddziaływań. W przypadku przewidywania struktury metodą znajdowania najbardziej prawdopodobnych zespołów statystycznych (patrz rozdział Zaawansowane użycie), konieczne jest przetworzenie wyników symulacji dynamiki z wymianą replik programami WHAM i CLUSTER.

Aktywowanie usługi

Aby skorzystać z usługi UNRES należy posiadać konto w portalu PLGRID oraz posiadać aktywny grant obliczeniowy. Należy również złożyć wniosek o dołączenie do zespołu plggunresng (zespół użytkowników usługi UNRES).

Ograniczenia w korzystaniu (podsekcja opcjonalna)

Obecnie aplikacje składające się na usługę są zainstalowane w ramach systemu PLGRID tylko na klastrze inula w Poznańskim Centrum Superkomputerowo Sieciowym.

Pierwsze kroki

Zalecane jest zapoznanie się z dokumentacją części składowych pakietu UNRES dostępną na stronie pakietu (dokumentacja w języku angielskim).

Uruchamianie przez portal QCG

W celu zlecenia zadania z poziomu portalu UNRES należy wybrać zakładkę "Zlecanie zadań", a następnie przycisk "nowe zadanie":

W celu zlecenia dynamiki molekularnej należy w zakładce "MD" :

• ustawić pole siłowe (GAB lub E0LL2Y)
• ustawić liczbę kroków dynamiki
• wybrać plik PDB będący strukturą referencyjną
• podać sekwencję aminokwasów w pliku PDB w zapisie jednoliterowych uwzględniając aminokwasy terminalne w  zapisie pakietu UNRES.

Następnie w zakładce "Zasoby" ustawiamy klaster obliczeniowy oraz czas obliczeń. UWAGA: W chwili obecnej pakiet UNRES zaimplementowany jest tylko na klastrze Inula.

Uruchamianie bezpośrednio w systemie wsadowym

Przykłady przygotowywania plików wsadowych oraz danych do uruchamiania usługi UNRES w różnych wariantach wraz z opisem można pobrać stąd (plik przykłady.zip).

Zaawansowane użycie

Przewidywanie de novo struktury białka przy pomocy pola siłowego UNRES

Pole siłowe UNRES umożliwia przeprowadzanie przewidywania de novo struktury białka, korzystając jedynie z sekwencji aminokwasowej. W tym celu należy wykonać symulację dynamiki molekularnej ze  zwielokrotnioną wymianą replik (MREMD) wprowadzając sekwencję białka o poszukiwanej strukturze do przykładowego (Rysunek 1) pliku wejściowego MREMD.

Rysunek 1. Przykładowy plik wejściowy używamy w polu siłowym UNRES. Linia pierwsza stanowi komentarz, linie 2-14 zawierają parametry używane w polu siłowym, linia 15 zawiera całkowitą liczbę reszt aminokwasowych symulowanego układu z uwzględnieniem „dummy atom”, natomiast kolejne linie zawierają sekwencję aminokwasową w kodzie jednoliterowym wraz z „dummy atom” (litery X). Ostatnie linie wykorzystywane są do wprowadzenia ograniczeń swobody układu (więzów) np. na strukturę drugorzędową lub odległości między parami atomów.

Przy wprowadzaniu sekwencji należy pamiętać o dodawaniu „dummy atom” na początku i końcu każdego łańcucha białka (litery X w kodzie jednoliterowym).

W celu przyspieszenia symulacji można wprowadzić do pliku wejściowego dane o strukturze drugorzędowej (przewidzianej przy pomocy zewnętrznego narzędzia, takiego jak PSIPRED czy JPred) w postaci listy wartości brzegowych kątów torsyjnych ograniczających swobodę łańcucha (ostatnie linie pliku wejściowego).

W celu przeprowadzenia analizy otrzymanych trajektorii należy użyć podprogramu WHAM, wykorzystującego metodę analizy ważonych histogramów do określenia prawdopodobieństwa wystąpienia struktur w danych temperaturach. Następnie konieczne jest przeprowadzenie analizy skupień (klastrowania) przy użyciu podprogramu Cluster, w temperaturze poniżej temperatury piku pojemności cieplnej, w celu wytypowania najbardziej prawdopodobnych struktur białka. Otrzymane w ten sposób struktury należy następnie przekonwertować z postaci gruboziarnistej do pełnoatomowej przy użyciu dostępnych narzędzi (np. programu Pulchra).

Zalecany schemat postępowania został umieszczony na poniższym diagramie:

Gdzie szukać dalszych informacji?

Strona dokumentacji pakietu UNRES ze szczegółowym opisem wprowadzanych danych (w języku angielskim).