分子动力学模拟技术在生物分子研究中的进展

曹了然 张春煜 张鼎林 楚慧郢 张跃斌 李国辉

引用本文: 曹了然,  张春煜,  张鼎林,  楚慧郢,  张跃斌,  李国辉. 分子动力学模拟技术在生物分子研究中的进展[J]. 物理化学学报, 2017, 33(7): 1354-1365. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704144 shu
Citation:  CAO Liao-Ran,  ZHANG Chun-Yu,  ZHANG Ding-Lin,  CHU Hui-Ying,  ZHANG Yue-Bin,  LI Guo-Hui. Recent Developments in Using Molecular Dynamics Simulation Techniques to Study Biomolecules[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2017, 33(7): 1354-1365. doi: 10.3866/PKU.WHXB201704144 shu

分子动力学模拟技术在生物分子研究中的进展

  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21573217,91430110,31370714,21625302)资助项目

摘要: 在当今科学探索中,分子动力学模拟作为实验的辅助,替代甚至引导,有越来越大的重要性。在这篇综述里,我们概括介绍了分子模拟领域的发展历史,特别是专注于近期的进展,包括新的分子力场,增强采样技术以及在研究生物分子体系方面的最新成果。

English

    1. [1]

      (1) Alder, B. J.; Wainwright, T. E. J. Chem. Phys. 1959, 31, 459. doi: 10.1063/1.1730376

    2. [2]

      (2) McDaniel, J. G.; Schmidt, J. R. Annu. Rev. Phys. Chem. 2016, 67, 467. doi: 10.1146/annurev-physchem-040215-112047

    3. [3]

      (3) Karplus, S.; Lifson, S. Biopolymers 1971, 10, 1973. doi: 10.1002/bip.360101014

    4. [4]

      (4) Warshel, A. Israel J. Chem. 1973, 11, 709.

    5. [5]

      (5) Warshel, A.; Levitt, M.; Lifson, S. J. Mol. Spectrosc. 1970, 33, 84. doi: 10.1016/0022-2852(70)90054-8

    6. [6]

      (6) Warshel, A.; Lifson, S. J. Chem. Phys. 1970, 53, 582. doi: 10.1063/1.1674031

    7. [7]

      (7) Allinger, N. L.; Yuh, Y. H.; Lii, J. H. J. Am. Chem. Soc. 1989, 111, 8551. doi: 10.1021/ja00205a001

    8. [8]

      (8) Halgren, T. A. Abstr. Pap. Am. Chem. S. 1992, 204, 38.

    9. [9]

      (9) Halgren, T. A.; Bush, B. L. Abstr. Pap. Am. Chem. S. 1996, 212, 2.

    10. [10]

      (10) Halgren, T. A.; Nachbar, R. B. Abstr. Pap. Am. Chem. S. 1996, 211, 70.

    11. [11]

      (11) Rappe, A. K.; Casewit, C. J.; Colwell, K. S.; Goddard, W. A.; Skiff, W. M. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10024. doi: 10.1021/ja00051a040

    12. [12]

      (12) Mayo, S. L.; Olafson, B. D.; Goddard, W. A. J. Phys. Chem-Us. 1990, 94, 8897. doi: 10.1021/j100389a010

    13. [13]

      (13) Case, D. A.; Cheatham, T. E., 3rd; Darden, T.; Gohlke, H.; Luo, R.; Merz, K. M., Jr.; Onufriev, A.; Simmerling, C.; Wang, B.; Woods, R. J. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1668. doi: 10.1002/jcc.20290

    14. [14]

      (14) Cornell, W. D.; Cieplak, P.; Bayly, C. I.; Gould, I. R.; Merz, K. M.; Ferguson, D. M.; Spellmeyer, D. C.; Fox, T.; Caldwell, J. W.; Kollman, P. A. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 2309. doi: 10.1021/ja955032e

    15. [15]

      (15) Best, R. B.; Mittal, J.; Feig, M.; MacKerell, A. D., Jr. Biophys. J. 2012, 103, 1045. doi: 10.1016/j.bpj.2012.07.042

    16. [16]

      (16) Guvench, O.; Hatcher, E. R.; Venable, R. M.; Pastor, R. W.; Mackerell, A. D. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 2353. doi: 10.1021/ct900242e

    17. [17]

      (17) Hart, K.; Foloppe, N.; Baker, C. M.; Denning, E. J.; Nilsson, L.; Mackerell, A. D., Jr. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 348. doi: 10.1021/ct200723y

    18. [18]

      (18) MacKerell, A. D., Jr.; Banavali, N.; Foloppe, N. Biopolymers 2000, 56, 257. doi: 10.1002/1097-0282(2000)56:4<257::AIDBIP10029>3.0.CO;2-W

    19. [19]

      (19) Mallajosyula, S. S.; Guvench, O.; Hatcher, E.; Mackerell, A. D., Jr. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 759. doi: 10.1021/ct200792v

    20. [20]

      (20) Raman, E. P.; Guvench, O.; MacKerell, A. D., Jr. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 12981. doi: 10.1021/jp105758h

    21. [21]

      (21) Vanommeslaeghe, K.; Hatcher, E.; Acharya, C.; Kundu, S.; Zhong, S.; Shim, J.; Darian, E.; Guvench, O.; Lopes, P.; Vorobyov, I.; Mackerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2010, 31, 671. doi: 10.1002/jcc.21367

    22. [22]

      (22) Yu, W.; He, X.; Vanommeslaeghe, K.; MacKerell, A. D., Jr. J. Comput. Chem. 2012, 33, 2451. doi: 10.1002/jcc.23067

    23. [23]

      (23) Daura, X.; Oliva, B.; Querol, E.; Aviles, F. X.; Tapia, O. Proteins 1996, 25, 89. doi: 10.1002/(Sici)1097-0134(199605) 25:1<89::Aid-Prot7>3.0.Co;2-F

    24. [24]

      (24) Hansen, H. S.; Hunenberger, P. H. J. Comput. Chem. 2011, 32, 998. doi: 10.1002/jcc.21675

    25. [25]

      (25) Horta, B. A. C.; Lin, Z. X.; Huang, W.; Riniker, S.; van Gunsteren, W. F.; Hunenberger, P. H. J. Comput. Chem. 2012, 33, 1907. doi: 10.1002/jcc.23021

    26. [26]

      (26) Kouwijzer, M. L. C. E.; vanEijck, B. P.; Kooijman, H.; Kroon, J. Aip. Conf. Proc. 1995, 330, 393.

    27. [27]

      (27) Lins, R. D.; Hunenberger, P. H. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1400. doi: 10.1002/jcc.20275

    28. [28]

      (28) Oostenbrink, C.; Soares, T. A.; van der Vegt, N. F. A.; van Gunsteren, W. F. Eur. Biophys. J. Biophy. 2005, 34, 273. doi: 10.1007/s00249-004-0448-6

    29. [29]

      (29) Ott, K. H.; Meyer, B. J. Comput. Chem. 1996, 17, 1068. doi: 10.1002/(Sici)1096-987x(199606)17:8<1068::Aid-Jcc14> 3.3.Co;2-T

    30. [30]

      (30) Pol-Fachin, L.; Rusu, V. H.; Verli, H.; Lins, R. D. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 4681. doi: 10.1021/ct300479h

    31. [31]

      (31) Reif, M. M.; Hunenberger, P. H.; Oostenbrink, C. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 3705. doi: 10.1021/ct300156h

    32. [32]

      (32) Smith, M. D.; Rao, J. S.; Segelken, E.; Cruz, L. J Chem Inf. Model 2015, 55, 2587. doi: 10.1021/acs.jcim.5b00308

    33. [33]

      (33) Soares, T. A.; Hunenberger, P. H.; Kastenholz, M. A.; Krautler, V.; Lenz, T.; Lins, R. D.; Oostenbrink, C.; Van Gunsteren, W. F. J. Comput. Chem. 2005, 26, 725. doi: 10.1002/jcc.20193

    34. [34]

      (34) Suardiaz, R.; Maestre, M.; Suarez, E.; Perez, C. J. Mol. Struc-Theochem. 2006, 778, 21. doi: 10.1016/j.theochem.2006.08.030

    35. [35]

      (35) Jorgensen, W. L.; Maxwell, D. S.; TiradoRives, J. J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 11225. doi: 10.1021/ja9621760

    36. [36]

      (36) Kaminski, G. A.; Friesner, R. A.; Tirado-Rives, J.; Jorgensen, W. L. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 6474. doi: 10.1021/jp003919d

    37. [37]

      (37) Rick, S. W.; Stuart, S. J. Rev. Comp. Ch. 2002, 18, 89. doi: 10.1002/0471433519.ch3

    38. [38]

      (38) Lamoureux, G.; Roux, B. J. Chem. Phys. 2003, 119, 3025. doi: 10.1063/1.1589749

    39. [39]

      (39) Kratz, E. G.; Walker, A. R.; Lagardere, L.; Lipparini, F.; Piquemal, J. P.; Andres Cisneros, G. J. Comput. Chem. 2016, 37, 1019. doi: 10.1002/jcc.24295

    40. [40]

      (40) Nessler, I. J.; Litman, J. M.; Schnieders, M. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2016 . doi: 10.1039/c6cp02595a

    41. [41]

      (41) Soderhjelm, P.; Ryde, U. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 617. doi: 10.1021/jp8073514

    42. [42]

      (42) Zhang, D. W.; Zhang, J. Z. H. J. Chem. Phys. 2003, 119, 3599. doi: 10.1063/1.1591727

    43. [43]

      (43) Yang, Z. Z. Abstr. Pap. Am. Chem. S. 2006, 231.

    44. [44]

      (44) Wang, C. S.; Zhao, D. X.; Yang, Z. Z. Chem. Phys. Lett. 2000, 330, 132. doi: 10.1016/S0009-2614(00)00938-6

    45. [45]

      (45) Piquemal, J. P.; Gresh, N.; Giessner-Prettre, C. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 10353. doi: 10.1021/jp035748t

    46. [46]

      (46) Jiang, F.; Zhou, C. Y.; Wu, Y. D. J. Phys. Chem. B 2014, 118, 6983. doi: 10.1021/jp5017449

    47. [47]

      (47) Xun, S. N.; Jiang, F.; Wu, Y. D. J. Chem. Theory Comput. 2015, 11, 1949. doi: 10.1021/acs.jctc.5b00029

    48. [48]

      (48) Zhou, C. Y.; Jiang, F.; Wu, Y. D. J. Phys. Chem. B 2015, 119, 1035. doi: 10.1021/jp5064676

    49. [49]

      (49) Ponder, J. W.; Wu, C. J.; Ren, P. Y.; Pande, V. S.; Chodera, J. D.; Schnieders, M. J.; Haque, I.; Mobley, D. L.; Lambrecht, D. S.; DiStasio, R. A.; Head-Gordon, M.; Clark, G. N. I.; Johnson, M. E.; Head-Gordon, T. J. Phys. Chem. B 2010, 114, 2549. doi: 10.1021/jp910674d

    50. [50]

      (50) Shi, Y.; Xia, Z.; Zhang, J. J.; Best, R.; Wu, C. J.; Ponder, J. W.; Ren, P. Y. J. Chem. Theory Comput. 2013, 9, 4046. doi: 10.1021/ct4003702

    51. [51]

      (51) Peng, X. D.; Zhang, Y. B.; Chu, H. Y.; Li, Y.; Zhang, D. L.; Cao, L. R.; Li, G. H. J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 2973. doi: 10.1021/acs.jctc.6b00128

    52. [52]

      (52) Konig, G.; Hudson, P. S.; Boresch, S.; Woodcock, H. L. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 1406. doi: 10.1021/ct401118k

    53. [53]

      (53) Konig, G.; Pickard, F. C. t.; Mei, Y.; Brooks, B. R. J. Comput. Aided Mol. Des. 2014, 28, 245. doi: 10.1007/s10822-014-9708-4

    54. [54]

      (54) Konig, G.; Mei, Y.; Pickard, F. C.; Simmonett, A. C.; Miller, B. T.; Herbert, J. M.; Woodcock, H. L.; Brooks, B. R.; Shao, Y. H. J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 332. doi: 10.1021/acs.jctc.5b00874

    55. [55]

      (55) Dybeck, E. C.; Konig, G.; Brooks, B. R.; Shirts, M. R. J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 1466. doi: 10.1021/acs.jctc.5b01188

    56. [56]

      (56) Warshel, A.; Levitt, M. J. Mol. Biol. 1976, 103, 227.

    57. [57]

      (57) Boulanger, E.; Thiel, W. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 1795. doi: 10.1021/ct401095k

    58. [58]

      (58) Boulanger, E.; Thiel, W. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 4527. doi: 10.1021/ct300722e

    59. [59]

      (59) Lipparini, F.; Cappelli, C.; Barone, V. J. Chem. Phys. 2013, 138, 234108. doi: 10.1063/1.4811113

    60. [60]

      (60) Lipparini, F.; Cappelli, C.; Barone, V. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 4153. doi: 10.1021/ct3005062

    61. [61]

      (61) Caprasecca, S.; Jurinovich, S.; Lagardere, L.; Stamm, B.; Lipparini, F. J. Chem. Theory Comput. 2015, 11, 694. doi: 10.1021/ct501087m

    62. [62]

      (62) Caprasecca, S.; Jurinovich, S.; Viani, L.; Curutchet, C.; Mennucci, B. J. Chem. Theory Comput. 2014, 10, 1588. doi: 10.1021/ct500021d

    63. [63]

      (63) Thellamurege, N. M.; Si, D.; Cui, F.; Zhu, H.; Lai, R.; Li, H. J. Comput. Chem. 2013, 34, 2816. doi: 10.1002/jcc.23435

    64. [64]

      (64) Caprasecca, S.; Curutchet, C.; Mennucci, B. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 4462. doi: 10.1021/ct300620w

    65. [65]

      (65) Sneskov, K.; Schwabe, T.; Christiansen, O.; Kongsted, J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 18551. doi: 10.1039/c1cp22067e

    66. [66]

      (66) Schwabe, T.; Olsen, J. M.; Sneskov, K.; Kongsted, J.; Christiansen, O. J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 2209. doi: 10.1021/ct200258g

    67. [67]

      (67) Olsen, J. M.; Aidas, K.; Mikkelsen, K. V.; Kongsted, J. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 249. doi: 10.1021/ct900502s

    68. [68]

      (68) Curutchet, C.; Munoz-Losa, A.; Monti, S.; Kongsted, J.; Scholes, G. D.; Mennucci, B. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 1838. doi: 10.1021/ct9001366

    69. [69]

      (69) Nielsen, C. B.; Christiansen, O.; Mikkelsen, K. V.; Kongsted, J. J. Chem. Phys. 2007, 126, 154112. doi: 10.1063/1.2711182

    70. [70]

      (70) Loco, D.; Polack, E.; Caprasecca, S.; Lagardere, L.; Lipparini, F.; Piquemal, J. P.; Mennucci, B. J. Chem. Theory Comput. 2016, 12, 3654. doi: 10.1021/acs.jctc.6b00385

    71. [71]

      (71) Dziedzic, J.; Mao, Y.; Shao, Y.; Ponder, J.; Head-Gordon, T.; Head-Gordon, M.; Skylaris, C. K. J. Chem. Phys. 2016, 145, 124106. doi: 10.1063/1.4962909

    72. [72]

      (72) Han, J.; Truhlar, D. G.; Gao, J. Theor. Chem. Acc. 2012, 131, 1161. doi: 10.1007/s00214-012-1161-7

    73. [73]

      (73) Leverentz, H. R.; Gao, J.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2011, 129, 3. doi: 10.1007/s00214-011-0889-9

    74. [74]

      (74) Xie, W.; Orozco, M.; Truhlar, D. G.; Gao, J. J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 459. doi: 10.1021/ct800239q

    75. [75]

      (75) Song, L.; Han, J.; Lin, Y. L.; Xie, W.; Gao, J. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 11656. doi: 10.1021/jp902710a

    76. [76]

      (76) Xie, W.; Gao, J. J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 1890. doi: 10.1021/ct700167b

    77. [77]

      (77) Xie, W. S.; Song, L. C.; Truhlar, D. G.; Gao, J. L. J. Chem. Phys. 2008, 128. doi: Artn 23410810.1063/1.2936122

    78. [78]

      (78) Xie, W. S.; Song, L. C.; Truhlar, D. G.; Gao, J. L. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 14124. doi: 10.1021/jp804512f

    79. [79]

      (79) Gao, J. L. J. Chem. Phys. 1998, 109, 2346. doi: 10.1063/1.476802

    80. [80]

      (80) Gao, J. L. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 657. doi: 10.1021/jp962833a

    81. [81]

      (81) Phillips, J. C.; Braun, R.; Wang, W.; Gumbart, J.; Tajkhorshid, E.; Villa, E.; Chipot, C.; Skeel, R. D.; Kale, L.; Schulten, K. J. Comput. Chem. 2005, 26, 1781. doi: 10.1002/jcc.20289

    82. [82]

      (82) Brooks, B. R.; Brooks, C. L.; Mackerell, A. D.; Nilsson, L.; Petrella, R. J.; Roux, B.; Won, Y.; Archontis, G.; Bartels, C.; Boresch, S.; Caflisch, A.; Caves, L.; Cui, Q.; Dinner, A. R.; Feig, M.; Fischer, S.; Gao, J.; Hodoscek, M.; Im, W.; Kuczera, K.; Lazaridis, T.; Ma, J.; Ovchinnikov, V.; Paci, E.; Pastor, R. W.; Post, C. B.; Pu, J. Z.; Schaefer, M.; Tidor, B.; Venable, R. M.; Woodcock, H. L.; Wu, X.; Yang, W.; York, D. M.; Karplus, M. J. Comput. Chem. 2009, 30, 1545. doi: 10.1002/jcc.21287

    83. [83]

      (83) Han, J.; Mazack, M. J. M.; Zhang, P.; Truhlar, D. G.; Gao, J. L. J. Chem. Phys. 2013, 139. doi: Artn 05450310.1063/1.4816280

    84. [84]

      (84) Stukan, M. R.; Asmadi, A.; Abdallah, W. J. Mol. Liq. 2013, 180, 65. doi: 10.1016/j.molliq.2012.12.023

    85. [85]

      (85) Rohrdanz, M. A.; Zheng, W. W.; Clementi, C. Annu. Rev. Phys. Chem. 2013, 64, 295. doi: 10.1146/annurev-physchem-040412-110006

    86. [86]

      (86) Shaw, D. E.; Deneroff, M. M.; Dror, R. O.; Kuskin, J. S.; Larson, R. H.; Salmon, J. K.; Young, C.; Batson, B.; Bowers, K. J.; Chao, J. C.; Eastwood, M. P.; Gagliardo, J.; Grossman, J. P.; Ho, C. R.; Ierardi, D. J.; Kolossvary, I.; Klepeis, J. L.; Layman, T.; McLeavey, C.; Moraes, M. A.; Mueller, R.; Priest, E. C.; Shan, Y. B.; Spengler, J.; Theobald, M.; Towles, B.; Wang, S. C. Conf. Proc. Int. Symp. C 2007, 1.

    87. [87]

      (87) Shaw, D. E.; Deneroff, M. M.; Dror, R. O.; Kuskin, J. S.; Larson, R. H.; Salmon, J. K.; Young, C.; Batson, B.; Bowers, K. J.; Chao, J. C.; Eastwood, M. P.; Gagliardo, J.; Grossman, J. P.; Ho, C. R.; Ierardi, D. J.; Kolossvary, I.; Klepeis, J. L.; Layman, T.; Mcleavey, C.; Moraes, M. A.; Mueller, R.; Priest, E. C.; Shan, Y. B.; Spengler, J.; Theobald, M.; Towles, B.; Wang, S. C. Commun. Acm. 2008, 51, 91. doi: 10.1145/1364782.1364802

    88. [88]

      (88) Shaw, D. E.; Dror, R. O.; Salmon, J. K.; Grossman, J. P.; Mackenzie, K. M.; Bank, J. A.; Young, C.; Deneroff, M. M.; Batson, B.; Bowers, K. J.; Chow, E.; Eastwood, M. P.; Ierardi, D. J.; Klepeis, J. L.; Kuskin, J. S.; Larson, R. H.; Lindorff-Larsen, K.; Maragakis, P.; Moraes, M. A.; Piana, S.; Shan, Y. B.; Towles, B. Proceedings of the Conference on High Performance Computing Networking, Storage and Analysis 2009 .

    89. [89]

      (89) Grossman, J. P.; Towles, B.; Greskamp, B.; Shaw, D. E. Int. Parall. Distrib. P 2015, 860. doi: 10.1109/Ipdps.2015.42

    90. [90]

      (90) Kumar, S.; Bouzida, D.; Swendsen, R. H.; Kollman, P. A.; Rosenberg, J. M. J. Comput. Chem. 1992, 13, 1011. doi: 10.1002/jcc.540130812

    91. [91]

      (91) Shirts, M. R.; Chodera, J. D. J. Chem. Phys. 2008, 129. doi: Artn 12410510.1063/1.2978177

    92. [92]

      (92) Mey, A. S. J. S.; Wu, H.; Noe, F. Phys. Rev. X 2014, 4. doi: ARTN 04101810.1103/PhysRevX.4.041018

    93. [93]

      (93) Compoint, M.; Picaud, F.; Ramseyer, C.; Girardet, C. J. Chem. Phys. 2005, 122, 134707. doi: 10.1063/1.1869413

    94. [94]

      (94) Aci, S.; Mazier, S.; Genest, D. J. Mol. Biol. 2005, 351, 520. doi: 10.1016/j.jmb.2005.06.009

    95. [95]

      (95) Kruger, P.; Verheyden, S.; Declerck, P. J.; Engelborghs, Y. Protein Sci. 2001, 10, 798. doi: 10.1110/ps.40401

    96. [96]

      (96) Ferrara, P.; Apostolakis, J.; Caflisch, A. Proteins 2000, 39, 252.

    97. [97]

      (97) Schlitter, J.; Engels, M.; Kruger, P. J. Mol. Graph 1994, 12, 84.

    98. [98]

      (98) Bussi, G.; Laio, A.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 090601. doi: 10.1103/PhysRevLett.96.090601

    99. [99]

      (99) Laio, A.; Rodriguez-Fortea, A.; Gervasio, F. L.; Ceccarelli, M.; Parrinello, M. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 6714. doi: 10.1021/jp045424k

    100. [100]

      (100) Gervasio, F. L.; Laio, A.; Parrinello, M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 2600. doi: 10.1021/ja0445950

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  38
  • 文章访问数:  1924
  • HTML全文浏览量:  494
文章相关
  • 发布日期:  2017-04-14
  • 收稿日期:  2016-12-01
  • 修回日期:  2017-03-21
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章