Details

Данная тема посвящена разработке и реализации численного метода построения трёхмерных карт плотности молекулярных характеристик: вероятности нахождения атома, массы, заряда и числа электронов — по данным молекулярно-динамического моделирования. Целью работы являлась разработка такого метода в составе программного пакета GROMACS и его валидация на модельных биомолекулярных системах. Математическую основу метода составляет ядерная оценка плотности с гауссовым ядром; для снижения вычислительной сложности применены факторизация ядра и разрежённое накопление вкладов. Метод реализован на языке C++ в виде модуля анализа траекторий GROMACS. Валидация модуля показала, что карты подвижных ионов согласуются с электростатикой поверхности белка; карты плотности структурных ионов кальция совпадают с кристаллографическими позициями практически без смещения, а карты плотности воды воспроизводят положения кристаллографических молекул воды (51 % максимумов в пределах 1,5 Å при среднем смещении 0,93 Å) и абсолютную числовую плотность объёмной воды. Таким образом, разработанный модуль корректно строит карты плотности молекулярных характеристик и пригоден для сопоставления результатов молекулярной динамики с экспериментальными структурными данными.

This work is devoted to the development and implementation of a numerical method for constructing three-dimensional density maps of molecular characteristics — time-averaged spatial distributions of atom probability, mass, charge and number of electrons — from molecular dynamics simulation data. The aim of the work was to develop such a method within the GROMACS software package and to validate it on model biomolecular systems. The method is based on kernel density estimation with a Gaussian kernel; kernel factorization and sparse accumulation of contributions are used to reduce computational complexity. The method is implemented in C++ as a GROMACS trajectory-analysis module. Validation showed that the maps of mobile ions are consistent with the electrostatics of the protein surface; the density maps of structural calcium ions coincide with the crystallographic positions almost without displacement, and the water density maps reproduce the positions of crystallographic water molecules (51 % of maxima within 1.5 Å at a mean displacement of 0.93 Å) as well as the absolute number density of bulk water. Thus, the developed module correctly constructs density maps of molecular characteristics and is suitable for comparing molecular dynamics results with experimental structural data.