Packmol

分子动力学模拟之Packmol初始体系建立

Introduction

Packmol是一款创建体系初始构象的工具，它将不同分子摆放在指定区域，同时使用短程排斥规则避免体系的不合理接触。

Packmol支持对不同的分子、原子进行限制，使其能够创建有序系统，比如说层状、球形或者管状脂质层。

用户必须提供摆放分子的坐标，数目和位置限制。

目前支持的文件类型：PDB、XYZ、MOLDY、TINKER

Packmol已经内置在AmberTools中，用于构建脂质双层膜。

Note:
使用 packmol构建体系发表文章时，务必引用如下文章
L. Martínez, R. Andrade, E. G. Birgin, J. M. Martínez. Packmol: A package for building initial configurations for molecular dynamics simulations. Journal of Computational Chemistry, 30(13):2157-2164, 2009.

Example

# 圆形水层+磷脂+水盒子
tolerance 2.0 
output spherical.pdb
# 导入脂质，亲水部分朝外
structure palmitoil.pdb 
  number 90
  atoms 37
    inside sphere 0. 0. 0. 14. 
  end atoms
  atoms 5
    outside sphere 0. 0. 0. 26.
  end atoms
end structure 
structure palmitoil.pdb 
  number 300
  atoms 5
    inside sphere 0. 0. 0. 29. 
  end atoms
  atoms 37
    outside sphere 0. 0. 0. 41.
  end atoms
end structure 
# 内部水球
structure water.pdb
   number 308
   inside sphere 0. 0. 0. 13.
end structure
# 包裹脂质的水盒子
structure water.pdb
   number 17536
   inside box -47.5 -47.5 -47.5 47.5 47.5 47.5
   outside sphere 0. 0. 0. 43.
end structure

To start

Install

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Use

使用packmol前，我们需要准备构建体系的分子坐标文件。
举个例子：如果要模拟水+离子的溶液，就需要准备单个水分子和单个离子的坐标文件。

1 2	# 运行packmol packmol.inp为输入文件 packmol < packmol.inp

input structure

# example
tolerance 2.0
output test.pdb
filetype pdb
structure water.pdb
  number 2000
  inside cube 0. 0. 0. 40.
end structure

输入文件必须包括如下参数：

距离限制(对于常温常压体系，推荐2.0 Å)，即不同分子之间的距离至少为2 Å.
1
tolerance 2.0
输出文件及文件类型(pdb, tinker, xyz, moldy)
1
2
filetype pdb
output xxx.pdb

填充分子，由structure...end structure部分设置

# 体系填充2000个水分子
# 盒子最小坐标为(0.,0.,0.), 最大坐标(40,40,40)的立方体
structure water.pdb
	number 2000
	inside cube 0. 0. 0. 40.
end structure

可以使用多个structure...end structure结构进行复杂体系的建模

Advanced

原子选择
单个分子包含x个原子坐标，可以限制部分原子在指定区域。对于构建表面活性剂的亲疏水部分是有用的

# 所有原子放在盒子内，原子9和10会被限制在盒子内部
structure molecule.pdb
  inside cube 0. 0. 0. 20.
  atoms 9 10
    inside box 0. 0. 15. 20. 20. 20.
  end atoms
end structure

限制类型
约束分子在某个区域

``fixed x y z a b g` 固定分子在x,y,z位置，旋转角度为a,b,g(弧度)

# 
structure molecule.pdb
  number 1
  center
  fixed 0. 0. 0. 0. 0. 0.
end structure

inside cube xmin ymin zmin d
原子坐标被限制在一定范围内。
$$
X_{min} < x <X_{min} + d
$$
$$
Y_{min} < y <Y_{min} + d
$$
$$
Z_{min} < z <Z_{min} + d
$$
outside cube xmin ymin zmin d
$$
X_{min} > x \ or \ x > X_{min} + d \
$$
$$
Y_{min} > y \ or \ y>Y_{min} + d \
$$
$$
Z_{min} > z \ or \ z>Z_{min} + d \
$$
inside box xmin ymin zmin xmax ymax zmax
$$
x_{min}<x<x_{max} \
$$
$$
y_{min}<y<y_{max} \
$$
$$
z_{min}<z<z_{max} \
$$
outside box xmin ymin zmin xmax ymax zmax
$$
x < x_{min} \ or \ x > x_{max} \
$$
$$
y < y_{min} \ or \ y > y_{max} \
$$
$$
z < z_{min} \ or \ z > z_{max} \
$$
inside/outside sphere x y z d
将原子限制在球内或球外
$$
(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2-d^2(= | \ge | \le)0
$$
inside/outside ellipsoid a1 b1 c1 a2 b2 c2 d
限制原子在椭球体内/外
$$
\frac{(x-a_1)^2}{a_2^2}+\frac{(y-b_1)^2}{b_2^2}+\frac{(z-c_1)^2}{c_2^2}-d^2(= | \ge | \le)0
$$
above/below plane a b c d
限制原子在平面上/下
$$
ax+by+cz-d(= | \ge | \le)0
$$
inside/outside cylinder a1 b1 c1 a2 b2 c2 d l
限制原子在圆柱体内或外
a1 b1 c1 圆柱体起始点
a2 b2 c2 圆柱体终点
d 定义半径
l 定义长度
constrain_rotation x|y|z a b
限制所有分子的旋转是可行的
限制分子绕X|Y|Z轴旋转的角度为a±b

不同原子不同半径
对于不同的原子施加不同的半径是实际可行的。默认的pack规则是所有原子之间至少间隔tolerance。因此，系统默认原子半径为tolerance的一半。 2 Å 的tolerance对于所有原子来说是合适的。

当模拟多尺度体系时，比如含有粗粒化原子时，我们需要指定radii。

对于不同的分子，定义不同的半径至关重要。只需要添加radius到structure中即可，或者加入atoms结构中。

# 水分子原子半径为1.5A (水分子的距离tolerance为3A)
tolerance 2.0
structure water.pdb
  number 500
  inside box 0. 0. 0. 30. 30. 30.
  radius 1.5
end structure
# 只有原子1和2半径为1.5
tolerance 2.0
structure water.pdb
  number 500
  inside box 0. 0. 0. 30. 30. 30.
  atoms 1 2
    radius 1.5
  end atoms
end structure