基于GROMACS的小分子自组装分子动力学模拟 原创

关键词：GROMACS；小分子；自组装；分子动力学；回转半径

背景介绍

小分子自组装过程广泛存在于材料、生命与能源体系中，其微观机理关乎胶束/囊泡形成、层状有序相的出现以及功能纳米结构的稳定性。相比仅观察宏观现象，分子动力学（MD）能在原子尺度直接揭示小分子的自组装机理，直观体现其自组装过程，从而为药物，纳米材料设计提供理论依据。

本案例基于GROMACS软件，模拟分析匹格列酮四聚体的分子自组装过程。 

初始模型构建

首先利用Packmol构建匹格列酮四聚体模型，盒子大小为3*3*3，packmol输入文件如图1所示：

图1 Packmol 输入文件

所构建的匹格列酮四聚体初始模型结构如图2所示：

图2 匹格列酮四聚体初始模型结构

首先进行能量最小化：

gmx grompp -f em.mdp -c mix.gro -p top.top -o em.tpr -maxwarn 1

gmx mdrun -v -deffnm em

能量最小化后进行2 ns的平衡模拟:

gmx grompp -f md.mdp -c em.gro -p top.top -o md.tpr -maxwarn 1

gmx mdrun -v -deffnm md

模拟分析

经过2ns的平衡模拟后，可以看到四个匹格列酮小分子已经成功发生了自组装，如图3所示：

图3 模拟2ns后匹格列酮四聚体结构

我们进一步分析匹格列酮四聚体的回转半径:

gmx gyrate -f md.xtc -s md.tpr -p

可以看到，在初始50ps的模拟过程中，分子间距离迅速收缩，表明自组装过程已经在进行。模拟了2ns后，自组装过程基本完成，体系的回转半径不再发生明显变化。

图4 模拟过程中回转半径的变化

从体系的总能量变化（图5）也可以看出，2ns后体系的能量趋于稳定。

图5 模拟过程中体系总能量的变化

结语

通过GROMACS模拟，本研究构建并分析了匹格列酮四聚体的自组装行为，希望为相关科研与工程实践提供有效参考。

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