JCIM | BFEE2:自動化、流程化的精確絕對結合自由能的計算

背景介紹

結合自由能計算在許多研究中發揮著重要作用，但計算過程繁瑣易錯，讓人望而卻步。許多步驟需要人為干預，缺乏標準，他人難以復現。BFEE2軟件在嚴謹的理論基礎上對絕對結合自由能計算進行了標準化和自動化，盡量減少人的干預，使計算結果準確、可復現。BFEE2僅需要蛋白質-配體結合復合體就可以進行自由能計算，不僅提供GUI方便使用，也提供CLI方便批量計算，兼顧易用性和專業性，使更廣大的用戶群體可以進行更可靠準確的絕對結合自由能計算。不管是煉金術（alchemical）路線還是幾何（geometrical）路線, 準確的絕對自由能計算都分包含多個步驟, 且需要引入幾何約束。然而人為干預，比如定義CVs（collective variables）、準備輸入文件、監控模擬過程、后處理，不僅枯燥、麻煩，而且容易出錯。為了實現自動化和流程化（Streamlined）的自由能計算，特別是面向非專業用戶，第二代結合自由能評估器（binding free energy estimator，BFEE2）提供了標準化的煉金術和幾何自由能計算流程，去除人為干預以保證計算結果的完全可重復。為了最大化覆蓋蛋白質-配體復合體，或者更廣泛的主體-客體復合體，BFEE2支持絕大多數學術力場，如CHARMM、Amber、OPLS、GROMACS?？梢陨蒒AMD和Gromacs格式的配置文件，且所有的后處理都可以自動化。最后，自由能計算是否收斂可以通過模擬過程中生成的中間文件判斷?？偠灾?，BFEE2是一個簡單易用、功能強大的準確自由能計算工具，可以幫助用戶實現廣泛的應用。

標準化自動化的CV定義

自由能計算時，CVs（又稱反應坐標、廣義坐標）的選擇是非常重要的一步，作者選用科學嚴謹七自由度CVs，見圖1A。以蛋白質-配體復合體為輸入，定義7個自由度分別為用球坐標（r，θ，φ）表示配體的平移變化，蛋白質以固定朝向放在球坐標的中心。其中 r 為蛋白質質心到配體質心的距離。以結合狀態的配體為參考，計算歐拉角（Θ，Φ，Ψ）和RMSD，表示配體的旋轉變化和構象變化。由于歐拉角有萬向鎖問題，配體的旋轉會先轉化為四元數，再轉化為歐拉角。由于七自由度CVs可以根據復合體自動生成，這使標準化和自動化地準備所有輸入文件成為可能。

流程化的多步自由能計算

在BFEE2中，絕對自由能計算被分解為4步：1）構建復合體；2）準備輸入文件；3）MD模擬；4）后處理（計算并扣除幾何約束對自由能的貢獻），見圖2所示。第1步構建復合體，用戶可以使用他們熟悉的軟件準備坐標和力場拓撲文件。第2步，用戶需要根據蛋白復合體的情況選擇使用煉金術路線還是幾何路線。幾何路線是計算實際三維空間中的配體結合過程，比較適合配體結合位置比較靠近表面的體系。煉金術路線讓配體逐漸“消失”和“出現”，可以應用在配體包埋比較深的體系。

實現方法

BFEE2由Python實現，整合的軟件和模塊有：1) Qt5 + PySide2實現GUI；2) MD Analysis解析各種結構和拓撲文件；3) Matplotlib負責作圖；4) VMD作為外部依賴生成PSF和PDB文件；5) Colvars負責CVs計算；6) NAMD或者Gromacs負責MD模擬。

主要結果

為了測試BFEE2的可靠性，作者選取了4個體系進行不同策略的絕對結合自由能計算，力場統一使用CHARMM36m（蛋白質）+ CGenFF（配體）+ TIP3P（水模型）。計算結果相對實驗結果誤差都小于 1 kcal/mol，見表5，這在流程化的自由能計算中，已經是極高的精度。

圖表匯總

圖1.?定義蛋白質-配體的CVs（A）

煉金術絕對自由能計算流程（B）

圖片來源于JCIM

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?圖2.?BFFE2功能示意圖

圖片來源于JCIM

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表1.?幾何路線結合自由能的計算流程

表格來源于JCIM

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表2.?BFEE2采用的默認的模擬參數

表格來源于JCIM

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表3.?BFEE2采用的默認的自由能計算參數

表格來源于JCIM

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表4.?在本研究的四個體系中用于自由能計算的分層窗口數和模擬長度

表格來源于JCIM?

表5.?在本研究的四個體系中分子模擬的細節

表格來源于JCIM

亮點總結

盡管已經有不少自由能計算輔助軟件，如基于Python的YANK（煉金術路線）、基于網頁的CHARMM-GUI（煉金術路線）、BFEE 1.0 （幾何路線），BFEE2應該是第一個將煉金術路線和幾何路線的絕對結合自由能計算統一到一個框架中的軟件，通過標準化，進而自動化，這不僅提高了自由能計算的可用性，也提高了計算結果的可復現性，更方便不同方法比較，促進自由能計算方法的發展。

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參考文獻

Haohao Fu, Haochuan Chen, Wensheng Cai, Xueguang Shao, and Christophe Chipot, BFEE2: Automated, Streamlined, and Accurate Absolute Binding Free-Energy Calculations, J. Chem. Inf. Model., 2021, 61, 5, 2116-2123. DOI: 10.1021/acs.jcim.1c00269.