6 Auswertung

6 Auswertung#

6.1 Äquilibrierung des Systems#

Dokumentieren Sie die einzelnen Äquilibrierungsschritte der Simulation (Energie-Minimierung, Temperatur- und Druckanpassung) mithilfe geeigneter Grafiken.

GROMACS bietet hierfür das Modul energy, mit dem verschiedene Werte aus den gespeicherten Energiedateien (.edr) ausgelesen werden können.
Mit dem folgenden Befehl lassen sich ausgewählte Parameter in eine .xvg-Datei exportieren:

gmx energy -f em/RNA_hairpin.edr -o em/potential_energy_RNA.xvg

Beim Ausführen des Befehls erscheint im Terminal eine Liste mit auswählbaren Parametern:

edr_options

Geben Sie die entsprechende Nummer des gewünschten Parameters (z.B. 10 + Enter für die potenzielle Energie) ein und bestätigen Sie anschließend mit 0 + Enter, um die Auswahl zu beenden.

Die erzeugte .xvg-Datei kann anschließend mit Python eingelesen und weiterverarbeitet werden. Sie können folgende Codezeilen dafür verwenden:

x, y = [], []
xlabel, ylabel = None, None

with open("em/potential_energy_RNA.xvg") as f:
    for line in f:
        if line.startswith("@"):
            if "xaxis" in line and "label" in line:
                xlabel = line.split('"')[1]
            elif "yaxis" in line and "label" in line:
                ylabel = line.split('"')[1]
        elif not line.startswith("#"):
            cols = line.split()
            x.append(float(cols[0]))
            y.append(float(cols[1]))

df = pd.DataFrame({xlabel: x, ylabel: y})

Als Ergebnis erhalten Sie ein Pandas DataFrame mit den Werten aus der .xvg-Datei, die Sie anschließend in Python visualisieren können.

Aufgabe

Werten Sie alle Äquilibrierungsschritte mithilfe geeigneter Grafiken aus! Erstellen Sie dabei separate Darstellungen für die Energie-Minimierung, die Temperatur- und die Druckäquilibrierung. Werten Sie auch die Aufgaben aus der Versuchdurchführung aus.

6.2 Strukturanalyse des MD-Laufs#

Charakterisieren Sie den Simulationslauf anhand der Strukturtrajektorie.

Zur Erstellung und Bearbeitung von Trajektorien wird in GROMACS das Modul trjconv verwendet. Für die Analyse sollen die Wassermoleküle und Ionen entfernt werden, und die periodischen Randbedingungen (PBC) müssen gelöst werden, damit ein vollständiges RNA-Molekül dargestellt wird.

Zentrieren und Korrigieren der Trajektorie#

Konvertieren Sie zunächst die Trajektorie (.xtc) mit folgendem Befehl:

gmx trjconv -s md0/RNA_hairpin.tpr -f md0/RNA_hairpin.xtc -o md0/RNA_hairpin_centered.xtc -pbc mol -center

  • s: Eingabedatei mit Topologie- und Simulationsinformationen (.tpr)

  • f: Eingabedatei mit der ursprünglichen Trajektorie (.xtc)

  • o: Name der Ausgabedatei für die zentrierte Trajektorie

  • pbc mol: löst die periodischen Randbedingungen auf Molekülebene auf, sodass Moleküle nicht mehr über die Boxgrenzen hinaus abgeschnitten werden

  • center: zentriert das gewählte Molekül (hier die RNA) in der Simulationsbox

Beim Ausführen des Befehls werden Sie zweimal aufgefordert, eine Molekülgruppe auszuwählen:

  • Erste Auswahl: Wählen Sie die Gruppe 1 (RNA) für das Molekül, das exportiert werden soll.

  • Zweite Auswahl: Wählen Sie erneut 1 (RNA) als Referenz, an der zentriert werden soll.

Export der PDB-Trajektorie#

Im nächsten Schritt wird eine reduzierte PDB-Trajektorie erzeugt, die nur ausgewählte Strukturen in bestimmten Zeitabständen enthält:

gmx trjconv -s md0/RNA_hairpin.tpr -f md0/RNA_hairpin_centered.xtc -o md0/RNA_hairpin_trajectory.pdb -dt 10000

  • dt 10000: exportiert nur jeden 10.000. Zeitschritt der Trajektorie, um die Dateigröße zu reduzieren

Mit diesem Befehl werden etwa 100 Strukturen in die PDB-Datei exportiert.

Visualisieren der Trajektorie#

Nutzen Sie das bereitgestellte PyMOL-Tutorial zur Visualisierung der erzeugten Trajektorie (hier).

Für die quantitative Analyse verwenden Sie das Python-Paket MDAnalysis, mit dem sich strukturelle Parameter wie der Root Mean Square Deviation (RMSD) berechnen lassen.

Laden Sie die Trajektorie und die Referenzstruktur in Python wie folgt:

aligning_traj = mda.Universe("RNA_hairpin.pdb", "md0/RNA_hairpin_centered.xtc")
pdb_reference = mda.Universe("RNA_hairpin.pdb")
RMSD = rms.RMSD(aligning_traj, pdb_reference)
RMSD.run()

Erstellen Sie anschließend ein DataFrame mit den berechneten Werten:

rmsd_df = pd.DataFrame(RMSD.results.rmsd, columns=["Frame","Time [ps]","RMSD"])
rmsd_df

Nutzen Sie gern das bereitgestellte Jupyter Notebook im Ordner MD_Praktikum, das diese Routinen bereits enthält.

Aufgabe

Analysieren Sie die Strukturbewegung der RNA mithilfe geeigneter Darstellungen:

  1. Visualisieren Sie die Trajektorie in PyMOL und dokumentieren Sie Strukturänderungen.

  2. Berechnen und plotten Sie den RMSD-Verlauf über die Zeit mit Python.

  3. Interpretieren Sie den Verlauf der RMSD-Kurve.

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