OpenMMにおけるマティーニの粗粒の力場の実装

OpenMM Molecular DynamicsソフトウェアパッケージでのMartini 2とMartini 3の完全な実装について説明します。マティーニは、生体分子シミュレーション、材料、および化学のより広い領域に適用される広く使用されている粗粒の力場です。フォースフィールドとして実装されていますが、GROMACSソフトウェアに固有の施設を広範囲に使用しています。仮想サイトや標準的な原子力フィールドでは一般的に使用されていない結合用語を含みます。OpenMMは、方法開発に広く使用されている柔軟な分子動力学パッケージであり、他の一般的に使用されるパッケージとGPUの速度が競争力があります。OpenMMには、新しいフォースフィールド用語、外力、フィールド、およびその他の非標準機能を簡単に実装する施設があります。これは、Martini 2およびMartini 3で使用されるすべての力フィールド用語を実装するために使用します。OpenMMのすべての追加の柔軟性を備えたカスタムスクリプトで処理されます。GitHubリポジトリをテストケースで提供し、GromacsとOpenMMの精度とパフォーマンスを比較し、Gromacsとの直接比較の観点から実装の制限について説明します。限られたデータ法を使用してモデリングを実装して、マティーニシミュレーションに実験的制約を適用して、タンパク質複合体の構造を効率的に決定するユースケースについて説明します。また、コレステロールのMartini 2トポロジーで問題と潜在的な解決策についても説明します。

We describe a complete implementation of Martini 2 and Martini 3 in the OpenMM molecular dynamics software package. Martini is a widely used coarse-grained force field with applications in biomolecular simulation, materials, and broader areas of chemistry. It is implemented as a force field but makes extensive use of facilities unique to the GROMACS software, including virtual sites and bonded terms that are not commonly used in standard atomistic force fields. OpenMM is a flexible molecular dynamics package widely used for methods development and is competitive in speed on GPUs with other commonly used packages. OpenMM has facilities to easily implement new force field terms, external forces and fields, and other nonstandard features, which we use to implement all force field terms used in Martini 2 and Martini 3. This allows Martini simulations, starting with GROMACS topology files that are processed by custom scripts, with all the added flexibility of OpenMM. We provide a GitHub repository with test cases, compare accuracy and performance between GROMACS and OpenMM, and discuss the limitations of our implementation in terms of direct comparison with GROMACS. We describe a use case that implements the Modeling Employing Limited Data method to apply experimental constraints in a Martini simulation to efficiently determine the structure of a protein complex. We also discuss issues and a potential solution with the Martini 2 topology for cholesterol.