tugas tutorial gromacs

5/24/2018 Tugas Tutorial Gromacs

1/14

TUGAS

Mata Kuliah : Pemodelan dan Simulasi Sains Komputasi

Materi : Simulasi Dinamika MolekularMenggunakan Aplikasi GROMACS

(Studi Kasus Simulasi !so"!me dalam Air#

Oleh

Dinan Andiwijayakusuma

NIM : 20913007

Program Studi Magister Sains Komputasi

$akultas Matematika dan %lmu Pengetahuan

%nstitut Teknologi &andung

')*


2/14

P+,DA-UUA,Simulasi Dinamika Molekuler atauMolecular Dynamic (MD) Simulation, merupakan

metoda simulasi yang berdasarkan persamaan hukum mekanika klasik antara lain hukum

Newton, yang memungkinkan untuk mempresentasikan interaksi antar molekul atom dalam

jangka waktu tertentu. Banyak bidang yang bisa diselesaikan dengan simulasi MD ini, salahsatunya adalah pada bidang biokimia yang cukup banyak berhubungan dengan protein. Salah

satu cara untuk mengetahui sifat protein dapat dilakukan dengan metoda komputasi melaluisimulasi dinamika molekuler. Pada tulisan ini akan dipaparkan salah satu tutorial dari

penggunaan aplikasi program simulasi dinamika molekuler, yaitu !"M#$S. %asus yang

dibahas adalah simulasi lyso&yme yang terlarut dalam air.

DASAR T+OR%Secara umum yang dilakukan pada simulasi MD adalah membuat model dari suatu

sistem atomik kemudian dilakukan simulasi dari model tersebut. Pada pembuatan model

sistem, ditentukan potensial interaksi yang digunakan untuk perhitungan perubahan posisipada persamaan gerak atom. Pada kondisi awal diperlukan inisialisasi kondisi diantaranyaadalah posisi dan kecepatan awal dari seluruh atom serta energi potensial antar atom yang

merupakan fungsi dari jarak. Pada 'ukum (( Newton gaya adalah massa benda dikali dengan

percepatan yang merupakan turunan kedua jarak terhadap waktu.Fi=mi . ai ...(1)

ai=

d)ri

dt)

... (2)

kita substitusikan *)+ ke *+, sehingga diperoleh -

Fi

mi= di

r

dt)

...(3)

ika gayaFi bekerja pada partikel i adalah hanya dengan fungsi posisi rimenunjukkan gaya

konser/atif dan merupakan fungsi energi potensial V(ri), sehingga -

dV(ri)

dri

=Fi

... *0+

kita substitusikan *0+ ke *1+, sehingga diperoleh -

dV(ri)

dri=mi

d)ri

dt)

...*2+

3erdapat berbagai jenis potensial interaksi atom yang digunakan, salah satunya adalah

potensial interaksi 4ennard ones. Dari energi potensial interaksi antar partikel, kemudian

dilakukan perhitungan gaya yang bekerja pada suatu partikel yang merupakan fungsi posisi ryang menunjukkan gaya konser/atif dan merupakan gambaran fungsi energi potensial V(r),

seperti pada persamaan *0+. Sehingga total gaya yang dialami suatu partikel i yangdiakibatkan oleh atomjadalah -

... *5+


3/14

N merupakan jumlah atom dalam sistem yang disimulasikan. #tom6atom tersebut

diasumsikan merupakan partikel klasik dan gerakannya memenuhi hukum Newton, sehinggaberlaku persamaan *2+. Persamaan 2 merupakan persamaan differensial orde dua dan dapat

dicari solusinya dengan metode beda hingga. 3erdapat berbagai algoritma yang digunakan

untuk memecahkan persamaan tersebut. Dari persamaan6persamaan di atas, dilakukan

perhitungan berulang terhadap /ariabel posisi dan kecepatan yang selanjutnya dihubungkandengan kuantitas makroskopik melalui mekanika statistik, misal untuk perhitungan akarkuadrat rerata perpindahan *Root Mean Square Displacement 6 !MSD+, atau bisa juga

kuantitas makroskopik lainnya seperti Radial Distribution Function *!D7+ dan lain6lain.

Pada kegiatan ini digunakan program simulasi MD yang sudah ada, yaitu

romacs.Pada aplikasi !"M#$S, proses untuk melakukan simulasi dinamika molekulerdapat digambarkan dengan diagram sebagai berikut-

ambar . Diagram alir aplikasi !"M#$S

7lowchart di atas menggambarkan bagaimana tahap6tahap simulasi dinamika molekuler suatu

protein. 3ahap6tahap tersebut terbagi atas-. %on/ersi pdb file

Pada tahap ini file berformat pdb diubah menjadi file gromos *.gro+ dengan program

pdb)gm8. Selain itu pdb)gm8 juga membentuk file topologi ber6e8tension *.top+.

). Pembentukan Bo8 untuk simulasi#gar simulasi terlihat nyata maka molekul harus dilarutkan ke dalam air. Pada tahapini, program editconf akan menentukan jenis bo8 serta ukuran bo8 yang akan


4/14

digunakan dalam simulasi. Pada romacs ada tiga jenis bo8 yaitu - triclinic, cubic,

dan octahedron.1. Sol/asi protein

3ahap selanjutnya adalah melarukan molekul tersebut dalam bo8 yang telah dibentuk

oleh editconf. Dalam pelarutan ini digunakan program genbo8. enbo8 akan

membangkitkan bo8 yang telah didefinisikan oleh editconf berdasarkan tipenya.Selain itu pada tahap ini ditentukan jenis model air yang akan digunakan danmenambahkan jumlah molekul air yang diperlukan untuk sol/asi. Biasanya

menggunakan spc *Simple Point $harge+.

0. Minimisasi energiProses penambahan hidrogen atau pemutusan ikatan hidrogen dapat menyebabkan

atom6atom dalam protein terlalu dekat sehingga mungkin terjadi bentrokan antaratom. "leh karena itu untuk menghilangkan bentrokan antar atom tersebut perlu

dilakukan penyusutan energi terlebih dahulu. romacs menggunakan format file mdp

untuk men6setup parameter. Dalam file mdp tersebut ditentukan jumlah iterasi sertajarak cut-off. 4angkah awal penyusutan energi adalah menyiapkan file input dengan

grompp. Sedangkan penyusutan energi dijalankan dengan mdrun. 4amanya wakturunning tergantung dari cpu yang digunakan.

2. Simulasi dinamika molekuler

Proses running simulasi dinamika molekuler hampir sama dengan penyusutan energi.rompp menyiapkan file input untuk menjalankan mdrun. Sama hal dengan proses

penyusutan energi, proses simulasi juga memerlukan file mdp untuk men6setupparameter. Sebagian besar option mdrun pada dinamika molekuler digunakan juga

pada penyusutan energi kecuali 98 untuk membentuk file trajektori.

5. #nalisisSetelah simulasi selesai maka tahap terakhir adalah menganalisa hasil simulasi dengan

beberapa program berikut- ngm8 untuk men/isualisasikan hasil trajektori g:energi untuk memantau energi g:rms untuk menkalkulasi nilai akar kuadrat de/iasi dari struktur %ristal

M+TODA KOMPUTAS%

Pada ujicoba simulasi MD dengan aplikasi !"M#$S ini adalah simulasi lyso&ymeyang larut dalam air, pada awalnya adalah menggunakan link tutorial berikut -

http-;;compbio.biosci.u


5/14

ambar ). 3ampilan 4yso&yme menggunakan mol

4angkah6langkah pengujian menggunakan !"M#$S nya adalah sebagai berikut -

1. Pertama6tama mengubah file protein yang berbentuk pdb menjadi file input6an untuk

gromacs *.gro+ dan membentuk suatu file topologi yang akan menggambarkantopologi file protein yang diproses. Pada tahap ini pdb)gm8 juga akan menambahkan

hydrogen ke dalam molekul serta memeriksa setiap residu di file struktur dalam

database. >ksekusi perintah pdb)gm8 sebegai berikut -

pdb2gmx -f 1AKI.pdb -o 1AKI_processed.gro -water spce

berkas input- 1AKI.pdbberkas output- 1AKI_processed.gro, topol.top, and posre.itp

pilih force field? 14, OPLS Force Field

maka pada list file akan terbentuk file topol.top dan 1AKI_processed.gro. 7ile1AKI_processed.gro secara garis besar mirip dengan file aslinya, hanya saja

tampilannya berbeda telah ditambahkan hidrogen dan satuan dikon/ersi menjadinanometer. ika dibuka file aki.top maka akan tampil informasi mengenai molekul

dan interaksinya termasuk nama,massa, tipe, serta muatan masing6masing atom.

). Setelah melakukan penyusutan energi maka dapat dilakukan tahap simulasi yaitu

dengan mendefinisikan lingkungan sistem yang akan digunakan. >ksekusi perintaheditconf sebegai berikut -

editconf -f 1AKI_processed.gro -o 1AKI_newbox.gro -c -d 1.0 -bt cubic

6bt menunjukkan penggunaan bo8 standard tipe cubic 6d menentukan jarak atom daridinding bo8 dimana jaraknya harus lebih besar dari setengah cut6offnya. Sehingga

akan dihasilkan file baru bernama 1AKI_newbox.groyang telah terdefinisi bentuk bo8yang akan digunakan.


6/14

Proses selanjutnya adalah pelarutan protein dalam air. 'al ini dilakukan untukmembuat protein terlihat lebih nyata. Pelarutan protein dalam air dapat dilakukan oleh

program genbo8. >ksekusi perintah genbo8 sebegai berikut -

genbox -cp 1AKI_newbox.gro -cs spc216.gro -o 1AKI_solv.gro -ptopol.top

enbo8 secara otomatis akan mengupdate file topologi dan menambahkan molekulpelarut. enbo8 juga akan menghilangkan molekul6molekukul yang berada diluar bo8

tersebut. pada uji coba ini model air yang digunakan spc *Simple Point $harge+

sehingga genbo8 akan memanggil file spc)5.gro.

1. Proses selanjutnya adalah penambahan ion. Perintah untuk penambahan ion adalahgenion, namun sebelumnya diperlukan input file berkestensi .mdp. Biasanya .mdp ini

digunakan untuk proses minimisasi energi. Sekarang struktur molekul telah lengkap

serta telah terbentuk file topologi. 3api proses kon/ersi memungkinkan terjadibentrokan antar atom akibat penambahan hidrogen maka perlu dilakukan penyusutan

energi dengan mdrun. Program mdrun memerlukan file input berformat tpr. romppakan membentuk file tpr tersebut. =ntuk menjalankan perintah tersebut, diperlukan

file input minim.mdp yang telah disediakan di web tutorial. >ksekusi perintah grompp

sebagai berikut -

grompp -f ions.mdp -c 1AKI_solv.gro -p topol.top -o ions.tpr

berkas input- ions.mdp, aki:sol/.gro, topol.top

berkas output- ions.tpr

%ita mempunyai deskripsi le/el atomik pada file biner ions.tpr yang kemudian kita

tambahkan ion sebanyak *6nn @+ ion negatif agar protein menjadi netral denganeksekusi perintah genion sbb-

genion -s ions.tp -o 1A!I"so#$"ions.go -p topo#.top -pname NA -nname %& -nn '

kemudian kita pilih grup 1 S"4 untuk penambahan ion tersebut.

berkas input- ions.tpr, topol.topberkas output- #%(:sol/:ions.gro

0. 3ahap selanjutnya adalah minimisasi energi sistem, hal ini dilakukan agar sistemberada dalam kondisi relaksasi. Sebelumnya kita menggunakan perintah grompp

untuk mendapatkan file .tpr dan parameter minimisasinya terdapat pada fileminim.mdp yang telah tersedia di tutorial. Metode yang digunakan untuk

meminimisasi energi adalah steepest descent. Minimisasi atau penyusutan energi

memerlukan waktu beberapa menit, langkah eksekusi perintahnya adalah sebegaiberikut -

grompp -f minim.mdp -c 1AKI_solv_ions.gro -p topol.top -o em.tpr

berkas input- minim.mdp, #%(:sol/:ions .gro, topol.top

berkas output- em.tprmdrun -v -deffnm em

berkas input- em.tprberkas output- em.edr, em.trr


7/14

Selama proses penyusutan energi, energi potensial menurun. =ntuk melihat jumlah

energi potensial dalam bentuk grafik maka terlebih dahulu plot nilai energi dari file

minim:ener.edr dengan perintah-

g_energ -f em.edr -o potential.xvg%emudian untuk potensial ketik pilihan A enterC kemudian enterC

7ile potential.8/g selanjutnya ditampilkan bentuk grafiknya menggunakan aplikasigrace *harus terinstall sebelumnya+. Perintah untuk menampilkan grafik adalah

sebagai berikut -xmgrace potential.xvg

sehingga akan muncul grafik >nergi*k;mol+ /s waktu*ps+ sebagai berikut-

Gambar 1. rafik >nergi Potensial pada proses minimisasi >nergi 4yso&yme

Dari grafik di atas dapat terlihat penyusutan energi yang terjadi pada protein4yso&yme setiap iterasi.

Gambar 3. rafik >nergi sistem terhadap waktu

2. Setelah melakukan penyusutan energi sebagai tahap inisialisasi struktur dan geometriprotein, tahap selanjutnya untuk mendapat poses dinamik yang nyata maka diperlukan

proses ekuilibrasi dilakukan dalamdua tahap ensemble , yaitu tahap NE3*jumlah partikel,/olume dan suhu konstan+ dan

NP3 *jumlah partikel,tekanan dan suhu konstan+ . 3ahap ekuilibrasi NE3


8/14

3ahap ekuilibrasi NE3 adalah untuk menstabilkan sistem pada suhu kamar 1%, dan

waktu integrasi selama ps dengan parameter file .mdp yang tersedia pada tutorial,yaitu n/t.mdp, eksekusi perintahnya adalah sebegai berikut -

grompp -f nvt.mdp -c em.gro -p topol.top -o nvt.tpr

berkas input- n/t.mdp, em .gro, topol.topberkas output- n/t.tpr

mdrun -v -deffnm nvt

berkas input- n/t.tprberkas output- n/t.edr, n/t.trr

%emudian dilakukan plot grafik perubahan temperatur terhadap waktu untukmengamati kestabilan temperatur, dengan mengeksekusi perintah sebagai berikut -

g_energ -f nvt.edr -o temperature.xvg

%emudian untuk potensial ketik pilihan 2 enterC kemudian enterC

Selanjutnya untuk menampilkan grafik dieksekusi dengan perintah sebagai berikut -xmgrace temperature.xvg

sehingga akan muncul grafik 3emperature*%+ /s waktu*ps+ sebagai berikut-

Gambar 4. rafik kestabilan temperatur sistem terhadap waktu *ensemble NE3+

Dari grafik di atas dapat diamati bahwa sistem mencapai temperatur target 1%dengan waktu singkat dan diperikrakan pada waktu 2ps sudah mencapai kestabilan

tersebut.

3ahap ekuilibrasi NP3


9/14

Proses ekuilibrasi selanjutnya untuk menstabilkan tekanan dengan menerapkan

ensemble NP3 pada sistem. Parameter yang digunakan terdapat pada npt.mdp relatifsama dengan parameter sebelumnya, namun pada tahap ini melanjutkan simulasi

sebelumnya * continuation + dengan melibatkan coupling tekanan pada sistem. Faktu

integrasi selama ps dan tekanan referensi bar, eksekusi perintahnya adalah

sebegai berikut -

grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -t nvt.cpt -p topol.top -o npt.tpr

berkas input- npt.mdp, n/t .gro, n/t.cpt, topol.top

berkas output- npt.tpr

mdrun -v -deffnm npt

berkas input- npt.tprberkas output- npt.edr, npt.trr

%emudian dilakukan plot grafik perubahan tekanan terhadap waktu untuk mengamatikestabilan tekanan, dengan mengeksekusi perintah sebagai berikut -

g_energ -f npt.edr -o pressure.xvg

%emudian untuk 3ekanan ketik pilihan 5 enterC kemudian enterC

Selanjutnya untuk menampilkan grafik dieksekusi dengan perintah sebagai berikut -

xmgrace pressure.xvg

pada plotting grafik, dilakukan penambahan untuk plot rerata nya denganmenggunakan metode running a!erage, sehingga akan muncul grafik 3ekanan*bar+ /s

waktu*ps+ sebagai berikut-

Gambar 5. rafik kestabilan tekanan sistem terhadap waktu *ensemble NP3+


10/14

Dari grafik di atas dapat diamati bahwa terjadi fluktuasi yang cukup signifikan, padaplot warna merah dilakukan perataan dengan metode running a/erage.

Dilakukan juga plot grafik untuk mengamati perubahan densitas sistem terhadap

waktu dengan mengeksekusi perintah sebagai berikut -

g_energ -f npt.edr -o densit.xvg

%emudian untuk densitas ketik pilihan )) enterC kemudian enterC

Selanjutnya untuk menampilkan grafik dieksekusi dengan perintah sebagai berikut -

xmgrace densit.xvg

sehingga akan muncul grafik Densitas*bar+ /s waktu*ps+ sebagai berikut-

Gambar 6. rafik densitas sistem terhadap waktu *ensemble NP3+

Dari grafik di atas dapat diamati bahwa terjadi fluktuasi yang cukup signifikan, pada

plot warna merah dilakukan pererataan dengan metode running a/erage.

5. Setelah melakukan ekuilibrasi pada temperatur dan tekanan maka sistem sudah beradapada temperatur dan tekanan yang kita inginkan, maka tahap selanjutnya adalah

melakukan simulasi dinamika molekuler. Proses ini melakukan simulasi sepanjang

waktu 6ns. =ntuk parameter input, digunakan pada file md.mdp yang telah tersediapada tutorial. >ksekusi perintahnya adalah sebagai berikut -

grompp -f md.mdp -c npt.gro -t npt.cpt -p topol.top -o md_0_1.tpr


11/14

berkas input- md.mdp, npt..gro, n/t.cpt, topol.top

berkas output- md::.tpr

mdrun -v -deffnm md_0_1

berkas input- npt.mdp, n/t .gro, n/t.cpt, topol.topberkas output- md::.tdr, md::.trr

eksekusi simulasi MD ini dilakukan secara eksekusi serial pada Guadcore P$ (ntel i1,berikut adalah cuplikan log untuk melihat waktu eksekusi sebagai berikut H

Started mdrun on node 0 Mon May 12 16:27:55 2014

Parallel run - timing based on wallclock

!"#$ %s& 'eal %s& %(&)ime: 1476*+22 1476*+22 1000

4,06:0*%Mnb.s& %/los& %ns.day& %,our.ns&

Perormance: 2767+2 14574 5*50 4102

Dari cuplikan log di atas menunjukkan bahwa waktu komputasi yang dibutuhkan untuk

melalukan eksekusi simulasi MD kasus lyso&yme di atas, diperlukan waktu selama 0 jam 5menit dan @ detik.Proses simulasi MD di atas, dapat juga kita eksekusi secara paralel untuk

mempercepat proses komputasi. Perintah untuk proses paralelisasi ini misal -

mpirun -np ! mdrun_mpi -deffnm md_0_1

-AS% DA, A,A%S%SSetelah proses simulasi MD selesai dilakukan, selanjutnya kita dapat melakukan analisis

sesuai dengan kebutuhan parameter yang ingin diamati;dianalisis. 3erdapat beberapa toolsyang digunakan untuk analisis tersebut. Pada tutorial ini digunakan dua toolsproses analisis,

yaitu trjconv, tools ini digunakan untuk ekstraksi koordinat, mengoreksinya dengan adanya

periodisitas untuk analisis trajektory. Perintah yang digunakan adalah sebagai berikut -

tr"conv -s md_0_1.tpr -f md_0_1.xtc -o md_0_1_no#$%.xtc -pbc mol -ur compact

trajektori yang dihasilkan selanjutnya dapat digunakan untuk analisis kestabilan strukturnya

dari bac"boneprotein yang dilihat menggunakan perhitungan !MSD *Root Mean SquareDisplacement+. #ools berikutnya adalah g_rms, tools ini digunakan untuk melakukan

perhitungan !MSD, Perintah yang digunakan adalah sebagai berikut -

g"ms -s md"0"1.tp -( md"0"1"no)*%.+t, -o msd.+$g -tu ns

%emudian pilih *I$ac"boneI+ dengan mengetik 0 untuk perhitungan least square maupun

!MSD pada bac"boneprotein. %emudian dilakukan plot grafik dari perhitungan !MSD dan

diperoleh sebagai berikut -


12/14

Gambar 7. rafik !MSD dengan fitting least s


13/14

Dari hasil plot grafik pada ambar J dan ambar @ di atas menunjukkan bahwa strukturprotein ini stabil, hal ini terlihat dari nilai !MSD yang meski menunjukkan fluktuasi nilai dan

cenderung naik namun masih berada pada le/el . nm. #oolslain yang digunakan adalah

untuk mengamati nilai radius gyration (Rg) , yaitu untuk menganalisis apakah protein

mengalami folding atau tidak. #pabila protein stabil mengalami folding maka nilai !g akanrelatif tetap, sedangkan apabila protein membuka lipatannya maka nilainya akan berubahterhadap waktu. Perintah untuk melihat nilai !g ini adalah -

g_grate -s md_0_1.tpr -f md_0_1_no#$%.xtc -o grate.xvg

%emudian dilakukan plot grafik sehingga diperoleh sebagai berikut -

Gambar 9. rafik radius gyration pada protein

Dari hasil plot grafik pada ambar A di atas menunjukkan bahwa nilai !g cukup in/ariandengan keadaan protein sangat stabil dalam bentuk kompak dalam waktu simulasi selama ns

dan pada temperatur 1%.

K+S%MPUA,=ntuk mensimulasikan protein yang larut dalam suatu cairan dapat dilakukan dengan

metoda simulasi dinamika molekuler. Salah satu aplikasi yang bisa digunakan adalah!"M#$S. Pada simulasi ini mengamati kestabilan protein lyso&yme yang dilarutkan

dalam air dengan suhu dan tekanan normal, dan menunjukkan protein dalam keadaan sangat

stabil. Dengan perlakuan sistem yang lain, dapat diperoleh analisa lebih lanjut dan melihatbagaimana perilaku protein misal ketika suhu atau tekanan dinaikan.


14/14

DA$TAR PUSTAKA

1. www.gromacs.org

2. http-;;www.be/anlab.biochem./t.edu;Pages;Personal;justin;gm86tutorials;lyso&yme;

3. http-;;compbio.biosci.u

tugas tutorial gromacs

Documents