Dinâmica Molecular

Visão Geral

Simulação de dinâmica molecular (MD) modela computacionalmente a evolução temporal de sistemas moleculares integrando as equações de movimento de Newton. Esta habilidade abrange duas ferramentas complementares:

• OpenMM (https://openmm.org/): Motor de simulação de MD de alto desempenho com suporte a GPU, API Python e suporte flexível a campos de força.
• MDAnalysis (https://mdanalysis.org/): Biblioteca Python para ler, escrever e analisar trajetórias de MD de todos os principais pacotes de simulação.

Versões revisadas: OpenMM 8.6.1 e MDAnalysis 2.10.0. Testes de fumaça em plataforma de referência usam sistemas sintéticos pequenos; desempenho de GPU e convergência científica não são estabelecidos por eles. As páginas da API mais recente do OpenMM identificam uma compilação de desenvolvimento, portanto, a API 8.6.1 instalada é a referência executável.

Instalação em um ambiente dedicado:

uv venv --python 3.12 .venv-md
uv pip install --python .venv-md/bin/python "openmm==8.6.1" "MDAnalysis==2.10.0" matplotlib pandas
# Windows: use .venv-md/Scripts/python.exe instead

Quando Usar Esta Habilidade

Use dinâmica molecular quando:

• Análise de estabilidade de proteínas: Como uma mutação afeta a dinâmica da proteína?
• Simulações de ligação de drogas: Caracterize o modo de ligação e o tempo de residência de um ligante.
• Amostragem conformacional: Explore a flexibilidade da proteína e as mudanças conformacionais.
• Interação proteína-proteína: Modele a dinâmica da interface e a energia de ligação.
• Análise RMSD/RMSF: Quantifique as flutuações estruturais a partir de uma estrutura de referência.
• Estimativa de energia livre: Calcule a energia livre de ligação ou a energia livre conformacional.
• Simulações de membrana: Modele proteínas em bicamadas lipídicas.
• Proteínas intrinsecamente desordenadas: Estude os conjuntos conformacionais de IDRs.

Fluxo de Trabalho Principal: Simulação OpenMM

Exemplos exigem preparação e validação específicas do sistema. Revise a montagem biológica, locais alternativos, loops ausentes, terminações, protonação, dissulfetos, ligantes e cofatores antes da parametrização. Uma trajetória de MD por si só não estabelece energia livre de ligação ou tempo de residência.

As funções abaixo formam um módulo Python: execute seus blocos de importação juntos. Use um novo prefixo de saída para cada estágio para evitar sobrescrever resultados anteriores.

1. Preparação do Sistema

from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *

def prepare_system_from_pdb(pdb_file, forcefield_name="amber14-all.xml",
                              water_model="amber14/tip3pfb.xml", ph=7.0):
    """
    Prepare an OpenMM system from a PDB file.

    Args:
        pdb_file: Path to cleaned PDB file (use PDBFixer for raw PDB files)
        forcefield_name: Force field XML file
        water_model: Water model XML file

    Returns:
        modeller, system
    """
    # Load PDB
    pdb = PDBFile(pdb_file)

    # Load force field
    forcefield = ForceField(forcefield_name, water_model)

    # Add hydrogens and solvate
    modeller = Modeller(pdb.topology, pdb.positions)
    modeller.addHydrogens(forcefield, pH=ph)

    # TIP3P geometry also serves TIP3P-FB; XML supplies the parameters.
    # 10 Å padding; added salt excludes neutralizing counterions.
    modeller.addSolvent(
        forcefield,
        model='tip3p',
        padding=10*angstroms,
        ionicStrength=0.15*molar, neutralize=True
    )

    print(f"System: {modeller.topology.getNumAtoms()} atoms, "
          f"{modeller.topology.getNumResidues()} residues")

    # Create system
    system = forcefield.createSystem(
        modeller.topology,
        nonbondedMethod=PME,         # Particle Mesh Ewald for long-range electrostatics
        nonbondedCutoff=1.0*nanometer,
        constraints=HBonds,           # Constrain bonds involving H (not intermolecular H-bonds)
        rigidWater=True,
        ewaldErrorTolerance=0.0005
    )

    return modeller, system

2. Minimização de Energia

from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *

def minimize_energy(modeller, system, output_pdb="minimized.pdb",
                     max_iterations=1000, tolerance=10.0, platform_name=None):
    """
    Minimiza a energia do sistema para remover conflitos estéricos.

    Args:
        modeller: Objeto Modeller com topologia e posições.
        system: Sistema OpenMM.
        output_pdb: Caminho para salvar a estrutura minimizada.
        max_iterations: Número máximo de passos de minimização.
        tolerance: Critério de convergência em kJ/mol/nm.

    Retorna:

…