常用的分子動力學(xué)模擬程序有LAMMPS、AMBER、CHARMM、GROMACS和OpenMM等，接下來將介紹AuToFF工具所支持生成如下分子動力學(xué)模擬軟件的輸入文件，未來將支持更多的分子動力學(xué)模擬軟件。

LAMMPS

LAMMPS程序（Large-sale?Atomic/Molecular?Massively?Parallel?Simulator）是由美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的開源經(jīng)典力學(xué)MD模擬程序，側(cè)重于材料領(lǐng)域的模擬研究。LAMMPS程序在模擬固態(tài)材料（金屬、半導(dǎo)體）、柔性物質(zhì)（生物分子、聚合物）、?粗粒度介觀體系等方向具有廣泛的應(yīng)用。持續(xù)內(nèi)置多種原子間勢（力場模型），可以實(shí)現(xiàn)原子、聚合物、生物分子、固態(tài)材料（金屬、陶瓷、氧化物）、粗粒度體系的建模和模擬。該程序既可以模擬二維體系，也可以模擬三維體系，可以模擬多達(dá)數(shù)百萬甚至數(shù)十億粒子的分子體系，具有模擬效率高、計算時間短等優(yōu)點(diǎn)。LAMMPS程序具有良好的用戶界面，用戶可以自由修改或擴(kuò)展新的力場模型、原子類型、邊界條件等以滿足課題研究需求。LAMMPS可以在單個處理器的臺式機(jī)和筆記本上運(yùn)行且有較高的計算效率，?但是它是專門為并行計算機(jī)設(shè)計的。他可以在任何一個安裝了C++編譯器和MPI的平臺上運(yùn)算，這其中當(dāng)然包括分布式和共享式并行機(jī)和Beowulf型的集群機(jī)。LAMMPS的部分功能還支持OpenMP多線程、矢量化和GPU加速。通常意義上來講，LAMMPS是根據(jù)不同的邊界條件和初始條件對通過短程和長程力相互作用的分子，原子和宏觀粒子集合對它們的牛頓運(yùn)動方程進(jìn)行積分。

GROMACS

GROMACS程序（GROningen?MAchine?for?Chemistry?Simulation）是一款集成了高性能分子動力學(xué)模擬和結(jié)果分析功能的免費(fèi)開源軟件,高度優(yōu)化的代碼使GROMACS成為迄今為止分子模擬速度最快的程序。GROMACS程序可以模擬具有數(shù)百至數(shù)百萬個粒子的系統(tǒng)的牛頓運(yùn)動方程。GROMACS旨在模擬具有許多復(fù)雜鍵合相互作用的生化分子，例如蛋白質(zhì)，脂質(zhì)和核酸。另外，GROMACS能夠??？焖俚赜嬎?鍵作?，因此也可?于??物體系，如聚合物、?些有機(jī)物、?機(jī)物等。GROMACS于上世紀(jì)90年代初誕生于哥廷根大學(xué)Berendsen實(shí)驗(yàn)室，其開發(fā)初衷是發(fā)展一個并行的分子動力學(xué)軟件，初版功能主要基于van?Gunsteren和Berendsen開發(fā)的串行動力學(xué)軟件GROMOS。雖然與GROMOS有很深的淵源，GROMACS誕生之后兩個軟件各自獨(dú)立發(fā)展，分別由Berendsen實(shí)驗(yàn)室和van?Gunsteren維護(hù)和開發(fā)，在功能和特性上也漸趨不同。van?Gunsteren實(shí)驗(yàn)室側(cè)重于與GROMOS同名的力場的開發(fā)，Berendsen實(shí)驗(yàn)室則在動力學(xué)軟件本身的開發(fā)尤其是性能提升方面取得了很多進(jìn)展。從2001年開始，GROMACS的開發(fā)維護(hù)工作由瑞典KTH皇家技術(shù)學(xué)院的Science?for?Life?Laboratory主導(dǎo)。GROMACS主體代碼使用C語言，近年來正逐步過渡到C++，代碼開源。在發(fā)展歷程中GROMACS一直強(qiáng)調(diào)性能優(yōu)化，其運(yùn)行效率尤其是單機(jī)計算效率在多個benchmark中明顯優(yōu)于幾個主流同類軟件。時至今日，高度優(yōu)化的計算性能和代碼的開放性為GROMACS贏得了眾多的用戶，使之成為目前生物系統(tǒng)分子動力學(xué)模擬領(lǐng)域中最常用的軟件。

AMBER

Amber程序是一款旨于模擬蛋白質(zhì)、核酸、糖等生物大分子的分子動力學(xué)軟件，包括擁有一套模擬生物分子的分子力場和分子動力學(xué)模擬程序包。Amber分子動力學(xué)模擬軟件由AmberTools22和Amber22組成,AmberTools22（開源的）是由幾個獨(dú)立開發(fā)的軟件包組成，這些軟件包可以單獨(dú)使用，也可以與Amber22一起使用。該套件還可以用于使用顯式水模型或廣義Born溶劑模型進(jìn)行完整的分子動力學(xué)模擬，包含：1.?Leap：用于準(zhǔn)備分子系統(tǒng)坐標(biāo)和參數(shù)文件，有兩個程序：xleap：X－windows版本的leap，帶GUI圖形界面。tleap：文本界面的Leap。2.?Antechamber：加載生成部分缺失的力學(xué)參數(shù)文件。3.?Sander：分子動力學(xué)模擬程序，被稱做AMBER的大腦程序。4.?Ptraj：分子動力學(xué)模擬軌跡分析程序。Amber22（商業(yè)版）軟件包通過添加PMEMD程序在AmberTools22上構(gòu)建，支持GPU加速，該程序類似于AmberTools中的sander（分子動力學(xué)）代碼，但在多個CPU上提供了更好的性能，并在GPU上顯著提高了速度。

Moltemplate

Moltemplate是LAMMPS官方支持的建模工具之一，既可以建立粗?；Ｐ?，也可以建立全原子模型。Moltemplate創(chuàng)建了一種簡單的文件格式來存儲分子定義和力場，即模板LT，其中LT文件包含與特定分子有關(guān)的所有信息（包括坐標(biāo)、拓?fù)?、角度、力場參?shù)、shake約束、k空間設(shè)置、甚至組定義）。Moltemplate支持使用ATB分子數(shù)據(jù)庫（https://atb.uq.edu.au），下載適應(yīng)于目標(biāo)分子的LT文件或手動創(chuàng)建LT文件；也支持各種現(xiàn)有力場類型,即：OPLS?,?AMBER?(GAFF,GAFF2),?DREIDING?,?COMPASS?,?LOPLS?(2015),?EFF?,?TraPPE?(1998)?,?MOLC?,?mW?,?ELBA?(water),?oxDNA2。Moltemplate可以復(fù)制分子，對其進(jìn)行自定義，然后用它作為構(gòu)建更大、更復(fù)雜分子的基礎(chǔ)。構(gòu)建后，可以自定義單個分子和亞基（原子和鍵，以及可以插入、移動、刪除或替換子單元）。Moltemplate支持所有LAMMPS力場樣式以及幾乎所有原子樣式。Moltemplate目前可與以下軟件進(jìn)行聯(lián)用：VMD、PACKOL、OVITO、CellPACK、VIPSTER、EMC和OpenBabel。

OpenMM

OpenMM是一個高性能的分子模擬工具包，既可以用作運(yùn)行模擬的獨(dú)立應(yīng)用程序，也可以用作庫被其他程序調(diào)用。OpenMM集合了極高的靈活性（自定義功能）、開放性和高性能(通過GPU加速以及AMD、NVIDIA和Intel集成GPU的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了卓越的性能)、安裝簡單等眾多優(yōu)勢，?使其在仿真軟件中真正獨(dú)樹一幟。OpenMM軟件架構(gòu)設(shè)計更加模塊化，也易于擴(kuò)展。同時在底層的核心程序都使用C++編寫，用戶交互及力場參數(shù)的處理則都是采用了Python編寫。既保證了計算性能的同時也使得使用上更加便捷易懂。目前，OpenMM大多用于生物體系的模擬當(dāng)中，同時也支持CHARMM，?Amber，?Drude?等大多數(shù)常用力場。

Tinker

Tinker軟件包是由Jay?William?Ponder教授開發(fā)的一個較完整的分子模擬軟件包，涵蓋分子建模、分子力學(xué)、分子動力學(xué)的計算，具有一些特殊的生物高分子特性。Tinker可以使用Amber?(ff94,?ff96,?ff98,?ff99,?ff99SB)，?CHARMM?(19,22,22?/CMAP)，?Allinger?MM?(MM2-1991和MM3-2000)，?OPLS?(OPLS-UA,?OPLS-AA)，?Merck分子力場(MMFF)，?Liam?Dang的可極化模型，AMOEBA(2004,?2009,?2013,?2017,?2018)可極化原子多極矩力場，加入電荷穿透效應(yīng)的AMOEBA+和新HIPPO?(類氫原子間極化勢)力場等幾種常用參數(shù)集,未來還將集成更多的力場類型。

CHARMM

CHARMM程序(Chemistry?at?HARvard?Macromolecular?Mechanics)是一個廣泛應(yīng)用于多粒子系統(tǒng)的分子動力學(xué)模擬程序，具有一套全面的能量函數(shù)集，多種增強(qiáng)采樣方法，并支持多尺度模擬，包括QM/MM,?MM/CG和多種隱式溶劑模型。CHARMM于70年代末誕生于Martin?Karplus小組，其前身正是歷史上首次嘗試基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)計算能量所使用的程序。該程序最初基于Lifson的consistent?force?field?(CCF)，其后由Bruce?Gelin和Andy?MacCammon等發(fā)展，成為從結(jié)構(gòu)到相互作用再到動力學(xué)模擬的一套方法。1983年正式發(fā)表文章。正是由于與蛋白質(zhì)的計算機(jī)模擬發(fā)展史息息相關(guān)，CHARMM同時也是領(lǐng)域內(nèi)歷史最悠久、使用最廣泛的一種力場的名稱。數(shù)十年來，CHARMM軟件及力場與生物大分子的動力學(xué)模擬方法一直同步發(fā)展，參與的開發(fā)人員來自世界各地，而主要貢獻(xiàn)者多半曾是Martin?Karplus的學(xué)生或博士后合作者。軟件主要使用Fortran開發(fā)，現(xiàn)有代碼量約百萬行。由于參與軟件開發(fā)的人員大部分同時也是算法本身的開發(fā)者，該軟件集成了生物大分子動力學(xué)模擬領(lǐng)域的各種前沿算法。

amber如何快速上手？

AMBER程序入門學(xué)會編譯方法，安裝自己的AMBER可執(zhí)行程序開始，依次講授研究對象模型的獲取與構(gòu)建-體系預(yù)處理、能量優(yōu)化、分子動力學(xué)模擬結(jié)果評估、結(jié)合自由能計算、相互作用機(jī)理分析、可視化、軌跡特征獲取，并對經(jīng)典文獻(xiàn)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)分析等。

以下可作為參考，詳情請查看：

【騰訊文檔】計算機(jī)輔助藥物設(shè)計及分子動力學(xué)技術(shù)與應(yīng)用

https://docs.qq.com/pdf/DRW5VVG5QSU1sWnZn

AMBER分子動力學(xué)能量優(yōu)化與分析、結(jié)合自由能計算專題

一. 分子動力學(xué)入門理/論

教學(xué)目標(biāo)：了解本方向內(nèi)容、理論基礎(chǔ)、研究意義。

1??? 分子力學(xué)簡介

1.1?? 分子力學(xué)的基本假設(shè)

1.2?? 分子力學(xué)的主要形式

2??? 分子力場

2.1?? 分子力場的簡介

2.2?? 分子力場的原理

2.3?? 分子力場的分類及應(yīng)用

二. LINUX入門

教學(xué)目標(biāo)：掌握數(shù)值計算平臺，熟悉計算機(jī)語言，能夠使用vim編輯器簡單編輯文件。

3??? ? LINUX 簡介

3.1?? 用戶屬組及權(quán)限

3.2?? 目錄文件屬性

3.3?? LINUX基礎(chǔ)命令

3.4?? LINUX環(huán)境變量

3.5?? shell常用命令練習(xí)

三. AMBER簡介及安裝

教學(xué)目標(biāo)：了解Amber軟件歷史發(fā)展，熟悉安裝環(huán)境，支撐環(huán)境編譯。

4??? AMBER簡介和安裝

4.1?? GCC簡介及安裝

4.2?? Open MPI簡介及安裝

4.3?? AMBER安裝運(yùn)行

4.4?? LIUUX操作練習(xí)

四. 研究對象模型獲取

教學(xué)目標(biāo)：如何確立研究對象，熟悉蛋白數(shù)據(jù)庫的使用，如何對

研究對象建模。

5??? ? 模型文件的預(yù)處理

5.1?? 模型來源簡介

5.2?? 蛋白文件簡介

五. 研究對象模型構(gòu)建

教學(xué)目標(biāo)：熟悉模型預(yù)處理流程,掌握輸入文件的編寫，能夠獨(dú)立完成體系動力學(xué)之前的準(zhǔn)備工作。

6??? ? 模型文件的預(yù)處理

6.1?? 蛋白預(yù)處理

6.2?? 小分子預(yù)處理

6.3?? AMBER力場簡介

6.4?? 拓?fù)湮募?、坐?biāo)文件簡介

6.5?? top、crd文件的生成

6.6?? tleap模塊的使用

案例實(shí)踐：

?? HIV-1復(fù)合物的預(yù)處理

六. 分子動力學(xué)模擬

教學(xué)目標(biāo)：分子動力學(xué)流程，AMBER軟件動力學(xué)原則，完成分子動力學(xué)模擬的操作練習(xí)。

7??? ? 能量優(yōu)化、分子動力學(xué)模擬

7.1?? 能量優(yōu)化意義以及方法

7.2?? 模擬溫度調(diào)節(jié)意義及方法

7.3?? 溶劑模型分類及選擇

7.4?? 動力學(xué)模擬輸入文件的編寫

7.5?? 運(yùn)行分子動力學(xué)模擬

7.6?? 輸出內(nèi)容解讀

7.7?? 練習(xí)答疑

案例實(shí)踐：

?? HIV-1復(fù)合體系能量優(yōu)化、分子動力學(xué)模擬

七. 結(jié)合自由能計算

教學(xué)目標(biāo)：熟悉結(jié)合自由能計算的意義、MMPBSA方法以及流程。

8??? ? 焓變計算

8.1?? 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及檢索

8.2?? MM/PBSA結(jié)合自由能計算原理

8.3?? GB模型講解及分類

8.4?? 焓變輸入文件的編寫

8.5?? 焓變結(jié)果解讀

9??? ? 熵變計算

9.1?? Nmode計算熵變原理

9.2?? 熵變輸入文件的編寫

9.3?? 熵變結(jié)果解讀

9.4?? 實(shí)驗(yàn)值與理論值對照分析

案例實(shí)踐：

?? ? HIV-1與抑制劑之間結(jié)合自由能計算

八. 可視化軟件

教學(xué)目標(biāo)：熟悉可視化軟件獲取渠道、軟件安裝以及基本使用，采用可視化軟件輔助科研工作。

10?? ? 3D可視化分析

10.1? VMD安裝和使用

10.2? Pymol 安裝和使用

九. 基于分子動力學(xué)的軌跡特征獲取

教學(xué)目標(biāo)：從動力學(xué)模擬出的構(gòu)象出發(fā)，洞悉構(gòu)象轉(zhuǎn)變，解釋實(shí)驗(yàn)想象，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果

11?? ? 構(gòu)象分析

11.1? RMSD分析

11.2? B-Factory 分析

11.3? RMSF分析

11.4? RG分析

11.5? VMD動畫展示

11.6? ? 距離角度測量

11.7? ? 溶劑可及表面積（SASA）

十. 基于能量的相互作用機(jī)理分析

教學(xué)目標(biāo)：從能量角度出發(fā)，分析分子間、殘基間、重要基團(tuán)間相互作用機(jī)理，對實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)

12?? ? 能量分析

12.1? 殘基分解（相互作用分析）

12.2? 丙氨酸掃描（尋找熱點(diǎn)殘基）

12.3? 氫鍵網(wǎng)絡(luò)（鹽橋，pi-pi共軛等其它相互作用）

12.4? 練習(xí)答疑

十一.?? 經(jīng)典工作復(fù)現(xiàn)

教學(xué)目標(biāo)：引導(dǎo)初學(xué)者了解本方向中經(jīng)典工作，復(fù)現(xiàn)工作中重要分析手段，加深同學(xué)對本方向的理解。

13??? 經(jīng)典文獻(xiàn)工作復(fù)現(xiàn)(請同學(xué)在課前自行下載仔細(xì)閱讀)

13.1 ??Nanoscale ? 2020, 12, 7134?7145.

(a)RMSD和2D_RMSD檢驗(yàn)?zāi)M的穩(wěn)定性

(b)結(jié)合自由能的對比與分析

(c)熱力學(xué)積分計算相對結(jié)合自由能

(d)氫鍵網(wǎng)絡(luò)分析

(e)殘基分解預(yù)測熱點(diǎn)氨基酸

13.2 ??J. Chem. ? Inf. Model. 2021, 61, 7, 3529–3542

(a) 丙氨酸掃面預(yù)測熱點(diǎn)氨基酸

(b) 殘基接觸（contact）分析

(c) 溫度因子分析（B-facter）分析

(d) 溶劑可及表面積分析

(e) 傘狀采樣動力學(xué)再現(xiàn)解離機(jī)制

13.3 ?練習(xí)答疑

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