CHARMM

3. CHARMM 분자 동역학 프로그램

CHARMM 프로그램은 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하고 분석하는 데 사용되는 소프트웨어이다. CHARMM은 가장 오래된 분자 동역학 프로그램 중 하나로, 오랜 기간 동안 여러 연구 그룹에 의해 기능이 추가되고 개선되었다. 이 과정에서 일부 기능은 약간의 차이를 가지고 여러 키워드 아래 중복되기도 한다.

CHARMM의 소스 코드와 변경 로그 파일([https://web.archive.org/web/20070907000754/http://www.charmm.org/package/changelogs/c34log.shtml])을 통해 주요 개발자들의 이름과 소속을 확인할 수 있다.

3. 1. 주요 기능

• 에너지 최소화: 주어진 분자 구조의 에너지를 최소화하여 가장 안정한 구조를 찾는다.
• 분자 동역학 시뮬레이션: 뉴턴의 운동 방정식을 사용하여 시간에 따른 분자의 움직임을 시뮬레이션한다.
• 자유 에너지 계산 (FEP): 자유 에너지 변동(FEP) 방법을 사용하여 결합 자유 에너지, 용매화 자유 에너지 등 다양한 자유 에너지를 계산한다.
• 준조화 엔트로피 추정: 분자의 진동 운동을 분석하여 엔트로피 변화를 추정한다.
• 상관 분석: 분자 내 여러 원자 또는 그룹 간의 상관 관계를 분석한다.
• QM/MM (Quantum Mechanics/Molecular Mechanics) 방법: QM/MM 방법은 분자의 특정 부분을 양자 역학적으로, 나머지 부분을 분자 역학적으로 처리하여 계산 효율성과 정확도를 높인다.
• 콘포메이션 및 경로 샘플링 방법: 분자의 다양한 형태(conformation) 및 반응 경로를 탐색한다.

3. 2. 개발 역사 및 특징

4. 프로그램 역사

CHARMM은 하버드 대학교의 마틴 카플러스 연구팀에서 시작되었다. 1980년대에 논문 발표와 함께 공개되었고, 이후 지속적으로 발전하여 2015년에 CHARMM40b2 버전이 출시되었다.^[35]

4. 1. 개발 초기

• 바이츠만 과학 연구소의 슈네이오어 리프슨 연구팀, 특히 하버드 대학교로 와서 일관된 힘장(CFF) 프로그램을 가져온 아리에 워셸
• 코넬 대학교의 해럴드 셰러가 연구팀
• 마이클 레비트의 단백질에 대한 선구적인 에너지 계산에 대한 인식

4. 2. 공개 및 발전

5. 유닉스/리눅스 환경에서의 CHARMM 실행

CHARMM 프로그램 실행의 일반적인 구문은 다음과 같다.

`charmm -i filename.inp -o filename.out`

• `charmm`: 사용 중인 컴퓨터 시스템의 프로그램(또는 프로그램을 실행하는 스크립트) 이름이다.
• `filename.inp`: CHARMM 명령어가 포함된 텍스트 파일이다. 분자 토폴로지와 힘장을 로드하는 것으로 시작한다. 그 후 분자 구조의 좌표(예: PDB 파일에서)를 로드한다. 그다음 분자를 수정할 수 있다(수소 원자 추가, 이차 구조 변경). 계산 섹션에는 에너지 최소화, 동역학 생성 및 운동 및 에너지 상관 관계와 같은 분석 도구가 포함될 수 있다.
• `filename.out`: CHARMM 실행에 대한 로그 파일로, 명령어를 반복하고 다양한 양의 명령어 출력을 포함한다. 출력 인쇄 수준은 일반적으로 늘리거나 줄일 수 있으며, 최소화 및 동역학과 같은 절차에는 출력 빈도 사양이 있다. 온도, 에너지 압력 등의 값은 해당 빈도로 출력된다.

6. 분산 컴퓨팅

델라웨어 대학교에서 주관하는 Docking@Home은 분산 컴퓨팅을 위한 오픈소스 플랫폼인 BOINC를 사용하는 프로젝트 중 하나로, 분자 동역학(MD) 시뮬레이션 및 최소화를 통해 단백질-리간드 상호작용의 원자 수준 세부 사항을 분석하는 데 CHARMM을 사용했다.

IBM이 후원하는 월드 커뮤니티 그리드는 "깨끗한 에너지 프로젝트"^[19]라는 프로젝트를 진행했는데, 이 프로젝트의 1단계는 이미 완료되었으며 CHARMM을 사용했다.

참조

_[1] 웹사이트 Versions - CHARMM https://www.academic[...] Harvard University 2021-03-29
_[2] 웹사이트 Installation https://www.academic[...] Harvard University 2021-03-29
_[3] 논문 CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations
_[4] 백과사전 CHARMM: The Energy Function and Its Parameterization with an Overview of the Program John Wiley & Sons
_[5] 논문 CHARMM: The biomolecular simulation program 2009-07-29
_[6] 논문 Theoretical studies of hydrogen bonding Harvard University
_[7] 논문 All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins
_[8] 논문 Extending the treatment of backbone energetics in protein force fields: limitations of gas-phase quantum mechanics in reproducing protein conformational distributions in molecular dynamics simulations
_[9] 논문 Balancing solvation and intramolecular interactions: toward a consistent generalized born force field (CMAP opt. for GBSW)
_[10] 논문 CHARMM additive and polarizable force fields for biophysics and computer-aided drug design 2015-05
_[11] 논문 Development and current status of the CHARMM force field for nucleic acids
_[12] 논문 CHARMM general force field: A force field for drug-like molecules compatible with the CHARMM all-atom additive biological force fields
_[13] 논문 CHARMM fluctuating charge force field for proteins: I parameterization and application to bulk organic liquid simulations
_[14] 논문 CHARMM fluctuating charge force field for proteins: II protein/solvent properties from molecular dynamics simulations using a nonadditive electrostatic model
_[15] 논문 Modeling induced polarization with classical Drude oscillators: Theory and molecular dynamics simulation algorithm
_[16] 논문 A polarizable model of water for molecular dynamics simulations of biomolecules
_[17] 웹사이트 Mackerell website http://mackerell.uma[...]
_[18] 논문 Spinach on the ceiling: a theoretical chemist's return to biology
_[19] 웹사이트 The Clean Energy Project http://www.worldcomm[...]
_[20] 논문 CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations
_[21] 백과사전 CHARMM: The Energy Function and Its Parameterization with an Overview of the Program John Wiley & Sons
_[22] 논문 CHARMM: The biomolecular simulation program 2009-07-29
_[23] 논문 Theoretical studies of hydrogen bonding
_[24] 논문 All-atom empirical potential for molecular modeling and dynamics studies of proteins
_[25] 논문 Extending the treatment of backbone energetics in protein force fields: limitations of gas-phase quantum mechanics in reproducing protein conformational distributions in molecular dynamics simulations
_[26] 논문 Balancing solvation and intramolecular interactions: toward a consistent generalized born force field (CMAP opt. for GBSW)
_[27] 논문 Development and current status of the CHARMM force field for nucleic acids
_[28] 논문 CHARMM general force field: A force field for drug-like molecules compatible with the CHARMM all-atom additive biological force fields
_[29] 논문 CHARMM fluctuating charge force field for proteins: I parameterization and application to bulk organic liquid simulations
_[30] 논문 CHARMM fluctuating charge force field for proteins: II protein/solvent properties from molecular dynamics simulations using a nonadditive electrostatic model
_[31] 논문 Modeling induced polarization with classical Drude oscillators: Theory and molecular dynamics simulation algorithm
_[32] 논문 A polarizable model of water for molecular dynamics simulations of biomolecules
_[33] 웹사이트 CHARMM Force Field Files http://mackerell.uma[...] MacKerell Lab 2016-04-05
_[34] 논문 Spinach on the ceiling: a theoretical chemist's return to biology
_[35] 웹사이트 Versions https://www.charmm.o[...] CHARMM 2016 2016-04-05
_[36] 웹인용 Versions - CHARMM https://www.academic[...] Harvard University 2021-03-29
_[37] 웹인용 Installation https://www.academic[...] Harvard University 2016-01-01 # 날짜 정보가 연도만 제공되므로 1월 1일로 설정
_[38] 저널 CHARMM: A program for macromolecular energy, minimization, and dynamics calculations https://archive.org/[...]
_[39] 백과사전 CHARMM: The Energy Function and Its Parameterization with an Overview of the Program John Wiley & Sons
_[40] 저널 CHARMM: The biomolecular simulation program 2009-07-29