一种量子化学与分子力学结合的方法

本专题将介绍一种量子化学与分子力学结合的方法（QM/MM方法），该方法既包括量子化学的精确性，又利用分子力学的高效性，其基本思想是用量子力学处理感兴趣的区域，其余部分用经典分子力学来处理。本章节以一个典型的没食子酸分子（Gallic Acid，GA）为例，介绍输入文件准备，QM/MM 单点计算，QM/MM结构优化，QM/MM激发态计算。其中，BDF程序主要完成量子化学计算部分，其余部分由BDF开发成员修改的pDynamo2.0程序包完成。同时介绍如何读取数据用于结果分析，帮助用户深入了解BDF软件的使用。    

   输入文件准备   

一般来说，QM/MM计算之前，需要对目标体系进行分子动力学模拟，得到适合的初始构象。当采用PDB、MOL2或xyz文件作为输入时，pDynamo2.0程序包仅支持OPLS力场，对于小分子和非标准氨基酸力场参数不全，不推荐使用。建议优先采用Amber程序，通过拓扑文件输入力场参数。以Amber为例，从动力学模拟轨迹提取感兴趣的结构存储于.crd文件中，与对应的参数/拓扑文件.prmtop一起可以作为QM/MM计算的起始点。Python脚本如下：

其中，需要提前安装好AmberTools，python2.0版本，并正确设置好AMBERHOME和PDYNAMO环境变量，关于如何将GallicAcid.pdb初始结构文件(图1，晶胞为2*1*1)生成使用AmberTools21程序相对应的坐标文件GallicAcid.crd和参数/拓扑文件GallicAcid.prmop的方法如下：

运行antechamber程序将Pdb文件转化为mol2文件：antechamber -i GallicAcid.pdb -fi pdb -o GallicAcid.mol2 -fo mol2 -j 5 -at amber -dr no

-i 指定输入文件

-fi 指定输入文件类型

-o 指定输出文件

-fo 指定输出文件类型

-j 匹配原子类型和键类型

-at 定义原子类型

运行parmchk2程序生成对应体系的力场参数文件：parmchk2 -i GallicAcid.mol2 -f mol2 -o GallicAcid.frcmod

运行tleap程序构建系统拓扑并为分子定义力场参数步骤如下：

1.使用tleap命令启动tleap程序

2. 确定并加载体系力场：source leaprc.gaff(此为GAFF力场) 

3. 调入配体mol2文件：GA = loadmol2 GallicAcid.mol2

4. 检查导入的结构是否准确或缺失参数：check GA

5. 调入体系分子的模板，并补全库文件中缺失的参数：loadamberparams GallicAcid.frcmod

6. 准备生成的Sustiva库文件：saveoff GA GallicAcid.lib

7. 修改生成的Sustiva库文件并调入该文件：loadoff GallicAcid.lib

8. 保存.crd和.prmop文件：saveamberparm GA GallicAcid.prmtop GallicAcid.crd

9. 退出tleap程序：quit

   分子动力学模拟   

 

1.此处采用amber软件进行分子动力学模拟，首先对体系进行能量最小化模拟，输入文件min.in如下：

Initial minimisation of GallicAcid complex

&cntrl

imin=1, maxcyc=200, ncyc=50,

cut=16, ntb=0, igb=1,

&end

imin=1：运行能量最小化

maxcyc=200：能量最小化的最大循环数

ncyc=50：最初的0到ncyc循环使用最速下降算法, 此后的ncyc到maxcyc循环切换到共轭梯度算法

cut=16：以埃为单位的非键截断距离

ntb=0：关闭周期性边界条件

igb=1：Born模型

使用如下命令运行能量最小化:

sander -O -i min.in -o GallicAcid_min.out -p GallicAcid.prmtop -c GallicAcid.crd -r GallicAcid_min.rst &

其中GallicAcid_min.rst为输出包含坐标和速度的重启文件

2.接下来利用最小化模拟得到的重启文件升温系统，从而完成分子动力学模拟，输入文件md.in如下：

Initial MD equilibration

&cntrl

imin=0, irest=0,

nstlim=1000,dt=0.001, ntc=1,

ntpr=20, ntwx=20,

cut=16, ntb=0, igb=1,

ntt=3, gamma_ln=1.0,

tempi=0.0, temp0=300.0,

&end

imin=0：进行分子动力学(MD)

irest=0：读取先前保存的重新启动文件读取坐标和速度

nstlim=1000：运行的MD步数

dt=0.001：时间步长（单位：ps）

ntc=1：不启用SHAKE约束

ntpr=20：每ntpr步输出能量信息mdout一次

ntwx=20：每ntwx步输出Amber轨迹文件mdcrd一次

ntt=3：Langevin恒温器控制温度

gamma_ln=1.0：Langevin恒温器的碰撞频率

tempi=0.0：模拟的初始温度

temp0=300.0：模拟的最终温度

使用如下命令运行分子动力学模拟:

sander -O -i md.in -o md.out -p GallicAcid.prmtop -c GallicAcid_min.rst -r GallicAcid_md.rst -x GallicAcid_md.mdcrd -inf GallicAcid_md.mdinfo

其中GallicAcid_md.mdcrd文件即为MD模拟的轨迹文件，可借助VMD软件进行可视化显示分子结构，并从动力学模拟轨迹提取感兴趣的结构存储于.crd文件中。

   QM/MM总能量计算 

分子动力学模拟后提取文件为GallicAcid.prmtop， GallicAcid.crd，可对体系进行全量子化学总能量计算，python代码如下：

import glob, math, os

from pBabel import AmberCrdFile_ToCoordinates3, AmberTopologyFile_ToSystem

from pCore import logFile

from pMolecule import QCModelBDF,  System

# 读取水盒子坐标和拓扑信息

molecule = AmberTopologyFile_ToSystem ("GallicAcid.prmtop")

molecule.coordinates3 = AmberCrdFile_ToCoordinates3("GallicAcid.crd")

# 定义能量计算模式，此处为全体系密度泛函计算，可以定义方法和基组，分别为GB3LYP和6-31g，

model = QCModelBDF("GB3LYP:6-31g")

molecule.DefineQCModel(model)

molecule.Summary() #输出体系计算设置信息

# 计算总能量

energy = molecule.Energy()

除了可以用全量子化学QM计算体系总能量，也可对感兴趣的分子进行QM/MM计算（本例为指定第五个分子用QM方法计算），QM/MM组合能量计算python脚本如下：

import glob, math, os

from pBabel import AmberCrdFile_ToCoordinates3, AmberTopologyFile_ToSystem

from pCore import logFile, Selection

from pMolecule import NBModelORCA, QCModelBDF, System

# 定义能量计算模式

nbModel = NBModelORCA() #处理QM和MM区相互作用

qcModel = QCModelBDF("GB3LYP:6-31g")

# 读取体系坐标和拓扑信息

molecule = AmberTopologyFile_ToSystem("GallicAcid.prmtop")

molecule.coordinates3 = AmberCrdFile_ToCoordinates3("GallicAcid.crd")

# 关闭体系对称性

molecule.DefineSymmetry(crystalClass = None) # QM/MM方法不支持使用周期性边界条件，故关闭周期性边界条件

# 指定QM区

qm_area = Selection.FromIterable(range (72, 90))  # 指定第五个分子用QM方法计算，其中(72, 90)指明原子列表索引值为72，73，74…..87,88,89，该值=原子序数-1

# 定义能量计算模式

molecule.DefineQCModel (qcModel, qcSelection = qm_area)

molecule.DefineNBModel (nbModel)

molecule.Summary()

# 计算总能量

energy = molecule.Energy()

QM/MM模拟的输出总结了MM部分，QM部分，QM区和MM区相互作用部分的计算细节如下：

输出体系总能量信息以及各部分能量贡献如下：

　　

      审核编辑：彭静