Moleküler Dinamiklere İlk Adım: Packmol ile Başlangıç Konfigürasyonu Oluşturma Rehberi

Packmol, molekülleri tanımlanmış uzay bölgelerine paketleyerek moleküler dinamik simülasyonları için başlangıç konfigürasyonları oluşturmaya olanak tanımaktadır. Bu paketleme işlemi, kısa menzilli itici etkileşimlerin simülasyon üzerinde bozulmalara yol açmasını önlemektedir. Moleküllere ya da atomlarına uygulanabilen çeşitli uzamsal kısıtlamalar sayesinde; katmanlı, küresel ya da tübüler lipid yapıları gibi düzenli sistemlerin oluşturulması kolaylaşır. Kullanıcının yalnızca her molekül türüne ait koordinatları, bu türlerin sayısını ve uyması gereken uzamsal kısıtlamaları belirtmesi yeterlidir. Packmol, PDB, TINKER, XYZ ve MOLDY dosya formatlarıyla uyumludur (1). Packmol, terminal üzerinden çalışan bir programdır. Bu nedenle, programı çalıştırmak için desteklenen formatta hazırlanmış bir girdi (input) dosyası ile molekül dosyasına sahip olmanız yeterlidir.

Packmol’ü https://github.com/m3g/packmol/releases/tag/v21.0.2 sitesi üzerinden tüm işletim sistemleri için kurmak mümkündür. Örnek olarak Windows işletim sistemine kurulum anlatılacaktır. Windows’a kurulum için öncelikle https://julialang.org/downloads/ sitesinden Julia indirilir. Julia’yı açtıktan sonra açılan terminal ekranına “import Pkg; Pkg.add("Packmol")” yazılır ve Enter’a basılır. Packmol paketi kurulmuş olur.

Bu uygulamadaki hedefimiz, tek bir metanol molekülünden yola çıkarak toplamda 200 metanol molekülü içeren bir sistem oluşturmaktır. Bunun için çalışma klasörünüzde metanol molekülünün PDB formatında hazır bulunması gerekmektedir. Metanol molekülünü Avogadro’da çizip PDB formatında elde etmek için “Moleküler Yapınızı Optimize Edin: Avogadro Kullanım Rehberi” yazımızı inceleyebilirsiniz.

1.Adım: Girdi dosyasına dair örnekler, https://m3g.github.io/packmol/examples.shtml adresinde yer almaktadır.

Bu bölümde farklı amaçlara yönelik hazırlanmış çeşitli girdi dosyaları bulunmaktadır. Metanol sistemi için en uygun örnek, “Simple mixture of water and urea” başlıklı dosyadır. Bu dosyada yer alan varsayılan değerler silinip, metanol molekülünün adı girilerek kendi girdi dosyanızı oluşturulabilirsiniz. Girdi dosyasının uzantısı “.inp” olmalıdır ve dosya adını dilediğiniz gibi belirleyebilirsiniz. Bu örnekte dosya adı start.inp olarak değiştirilmiştir.

Girdi dosyasında, filetype satırında dosya türü olarak pdb belirtilmelidir. Output satırında ise oluşturulacak sistemin kaydedileceği çıktı dosyasının adı verilir ve bu ismin sonuna “.pdb” uzantısı eklenmelidir. Bu dosya, Packmol tarafından oluşturulan yeni sistemi içerecektir. Örnekte çıktı dosyasının adı start.pdb olarak belirlenmiştir. Structure satırında, daha önce oluşturduğunuz metanol molekülünün dosya adını .pdb uzantısıyla birlikte belirtmeniz gerekir. Number satırında ise sistemde bulunmasını istediğiniz etanol molekülü sayısı girilir; örnekte bu sayı 200 olarak belirlenmiştir. Inside box bölümü, oluşturulacak sistemin yerleştirileceği kutunun boyutlarını tanımlar. Bu kutuyu, ihtiyacınıza göre istenilen ölçülerde ayarlayabilirsiniz.

Şekil 1. Packmol programı için input dosyasının içeriği.

2. Adım: 200 metanol moleküllü sistem oluşturulmak üzere inp dosyası ayarlanır ve kaydedilir.

3. Adım: Ardından Julia terminal ekranına “using Packmol; run_packmol()” kodu yazılır ve bir ekran açılır.

Açılan ekranda “.inp” uzantılı dosyanın yer aldığı klasöre gidip dosyaya çift tıklamanız gerekmektedir.

Şekil 2. Girdi dosyasının bulunduğu dizin.

4. Adım: Kısa süren bir işlemin ardından start.pdb adında dosya oluşacaktır. Oluşan dosya PyMOL gibi bir moleküler görselleştirme aracı ile açılarak kontrol edilebilir.

Şekil 3. Oluşturulan 200 moleküllük metanol sistemi.

Oluşturulan bu 200 molekülden oluşan metanol sistemi, artık moleküler dinamik simülasyonları ile incelenmeye hazırdır ve bu amaçla GROMACS gibi programlar kullanılabilir.

Sonuç olarak, Packmol programı sayesinde belirli sayıda molekül içeren sistemlerin başlangıç konfigürasyonları kolaylıkla oluşturulabilir. Bu yazıda örnek olarak ele alınan metanol sistemi üzerinden, bir girdi dosyasının nasıl yapılandırılacağı, uzamsal kısıtlamaların nasıl tanımlanacağı ve çıktı dosyasının nasıl elde edileceği adım adım açıklanmıştır. Hazırlanan yapı dosyaları, GROMACS gibi moleküler dinamik simülasyon programlarında doğrudan kullanılabilir hale gelerek, sistemin yapısal ve dinamik özelliklerinin incelenmesine olanak tanımaktadır. Böylece Packmol, simülasyon öncesi yapı hazırlık sürecinde güçlü ve pratik bir araç olarak öne çıkmaktadır.

Referanslar

1. https://m3g.github.io/packmol/index.html