molecular-dynamics
Моделирование и анализ молекулярной динамики
Что получите
Для нового расчёта — подготовленная структура, траектория и журналы моделирования; для анализа — численные показатели и графики выбранных характеристик.
Что передать
Подготовленная структура PDB либо топология и траектория, исследовательский вопрос и параметры расчёта.
Проверен состав файлов. Запуск не тестировался. Что проверено
Оценки пользователей
Как использовать
Помогает специалистам по структурной биологии, разработке лекарств и биофизике моделировать движение молекул и анализировать готовые траектории. Подходит для изучения устойчивости белков, гибкости структуры и контактов с лигандом.
- Укажите, нужен новый расчёт или анализ готовой траектории, и какие изменения структуры вас интересуют.
- Для моделирования выберите силовое поле и условия среды, подготовьте структуру, выполните минимизацию энергии и уравновешивание.
- Для анализа задайте интересующие атомы и опорную структуру; исследуйте отклонения, гибкость или контакты белка с лигандом.
Условия работы
- Для моделирования нужен OpenMM, для анализа — MDAnalysis. В примерах предусмотрены CUDA, OpenCL и переход на CPU; GPU не обязателен.
- Перед основным расчётом обязательны минимизация и уравновешивание. Анализировать следует только уравновешенную часть траектории.
- Для систем в растворителе обязательны периодические граничные условия; малые молекулы требуют параметризации лиганда.
Пример запроса после установки
Проанализируй приложенные топологию и траекторию белка: оцени отклонение от начальной структуры и гибкость остатков, исключив начальный участок уравновешивания из анализа.
Пример составлен по инструкции автора; результат запуска не проверялся.
Основание: инструкция закреплённой версииДля установки
Node.js, npm и Git для команды выше. Подключения и инструменты для работы скилла настраиваются отдельно.
Совместимые агенты
Совместимость указана для инструкций. Запуск в каждом приложении не тестировался; для веб-чата способ подключения может отличаться.
Файлы скилла
GitHubЧитать инструкцию SKILL.md
Исходный текст закреплённой версии.
---
name: molecular-dynamics
description: Run and analyze molecular dynamics simulations with OpenMM and MDAnalysis. Set up protein/small molecule systems, define force fields, run energy minimization and production MD, analyze trajectories (RMSD, RMSF, contact maps, free energy surfaces). For structural biology, drug binding, and biophysics.
license: MIT
metadata:
version: "1.1"
skill-author: Kuan-lin Huang
---
# Molecular Dynamics
## Overview
Molecular dynamics (MD) simulation computationally models the time evolution of molecular systems by integrating Newton's equations of motion. This skill covers two complementary tools:
- **OpenMM** (https://openmm.org/): High-performance MD simulation engine with GPU support, Python API, and flexible force field support
- **MDAnalysis** (https://mdanalysis.org/): Python library for reading, writing, and analyzing MD trajectories from all major simulation packages
**Installation:**
```bash
conda install -c conda-forge openmm mdanalysis nglview
# or
uv pip install openmm mdanalysis
```
## When to Use This Skill
Use molecular dynamics when:
- **Protein stability analysis**: How does a mutation affect protein dynamics?
- **Drug binding simulations**: Characterize binding mode and residence time of a ligand
- **Conformational sampling**: Explore protein flexibility and conformational changes
- **Protein-protein interaction**: Model interface dynamics and binding energetics
- **RMSD/RMSF analysis**: Quantify structural fluctuations from a reference structure
- **Free energy estimation**: Compute binding free energy or conformational free energy
- **Membrane simulations**: Model proteins in lipid bilayers
- **Intrinsically disordered proteins**: Study IDR conformational ensembles
## Core Workflow: OpenMM Simulation
### 1. System Preparation
```python
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
import sys
def prepare_system_from_pdb(pdb_file, forcefield_name="amber14-all.xml",
water_model="amber14/tip3pfb.xml"):
"""
Prepare an OpenMM system from a PDB file.
Args:
pdb_file: Path to cleaned PDB file (use PDBFixer for raw PDB files)
forcefield_name: Force field XML file
water_model: Water model XML file
Returns:
pdb, forcefield, system, topology
"""
# Load PDB
pdb = PDBFile(pdb_file)
# Load force field
forcefield = ForceField(forcefield_name, water_model)
# Add hydrogens and solvate
modeller = Modeller(pdb.topology, pdb.positions)
modeller.addHydrogens(forcefield)
# Add solvent box (10 Å padding, 150 mM NaCl)
modeller.addSolvent(
forcefield,
model='tip3p',
padding=10*angstroms,
ionicStrength=0.15*molar
)
print(f"System: {modeller.topology.getNumAtoms()} atoms, "
f"{modeller.topology.getNumResidues()} residues")
# Create system
system = forcefield.createSystem(
modeller.topology,
nonbondedMethod=PME, # Particle Mesh Ewald for long-range electrostatics
nonbondedCutoff=1.0*nanometer,
constraints=HBonds, # Constrain hydrogen bonds (allows 2 fs timestep)
rigidWater=True,
ewaldErrorTolerance=0.0005
)
return modeller, system
```
### 2. Energy Minimization
```python
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
def minimize_energy(modeller, system, output_pdb="minimized.pdb",
max_iterations=1000, tolerance=10.0):
"""
Energy minimize the system to remove steric clashes.
Args:
modeller: Modeller object with topology and positions
system: OpenMM System
output_pdb: Path to save minimized structure
max_iterations: Maximum minimization steps
tolerance: Convergence criterion in kJ/mol/nm
Returns:
simulation object with minimized positions
"""
# Set up integrator (doesn't matter for minimization)
integrator = LangevinMiddleIntegrator(300*kelvin, 1/picosecond, 0.004*picoseconds)
# Create simulation
# Use GPU if available (CUDA or OpenCL), fall back to CPU
try:
platform = Platform.getPlatformByName('CUDA')
properties = {'DeviceIndex': '0', 'Precision': 'mixed'}
except Exception:
try:
platform = Platform.getPlatformByName('OpenCL')
properties = {}
except Exception:
platform = Platform.getPlatformByName('CPU')
properties = {}
simulation = Simulation(
modeller.topology, system, integrator,
platform, properties
)
simulation.context.setPositions(modeller.positions)
# Check initial energy
state = simulation.context.getState(getEnergy=True)
print(f"Initial energy: {state.getPotentialEnergy()}")
# Minimize
simulation.minimizeEnergy(
tolerance=tolerance*kilojoules_per_mole/nanometer,
maxIterations=max_iterations
)
state = simulation.context.getState(getEnergy=True, getPositions=True)
print(f"Minimized energy: {state.getPotentialEnergy()}")
# Save minimized structure
with open(output_pdb, 'w') as f:
PDBFile.writeFile(simulation.topology, state.getPositions(), f)
return simulation
```
### 3. NVT Equilibration
```python
from openmm.app import *
from openmm import *
from openmm.unit import *
def run_nvt_equilibration(simulation, n_steps=50000, temperature=300,
report_interval=1000, output_prefix="nvt"):
"""
NVT equilibration: constant N, V, T.
Equilibrate velocities to target temperature.
Args:
simulation: OpenMM Simulation (after minimization)
n_steps: Number of MD steps (50000 × 2fs = 100 ps)
temperature: Temperature in Kelvin
report_interval: Steps between data reports
output_prefix: File prefix for trajectory and log
"""
# Add position restraints for backbone during NVT
# (Optional: restraint heavy atoms)
# Set temperature
simulation.context.setVelocitiesToTemperature(temperature*kelvin)
# Add reporters
simulation.reporters = []
# Log file
simulation.reporters.append(
StateDataReporter(
f"{output_prefix}_log.txt",
report_interval,
step=True,
potentialEnergy=True,
kineticEnergy=True,
temperature=True,
volume=True,
speed=True
)
)
# DCD trajectory (compact binary format)
simulation.reporters.append(
DCDReporter(f"{output_prefix}_traj.dcd", report_interval)
)
print(f"Running NVT equilibration: {n_steps} steps ({n_steps*2/1000:.1f} ps)")
simulation.step(n_steps)
print("NVT equilibration complete")
return simulation
```
### 4. NPT Equilibration and Production
```python
def run_npt_production(simulation, n_steps=500000, temperature=300, pressure=1.0,
report_interval=5000, output_prefix="npt"):
"""
NPT production run: constant N, P, T.
Args:
n_steps: Production steps (500000 × 2fs = 1 ns)
temperature: Temperature in Kelvin
pressure: Pressure in bar
report_interval: Steps between reports
"""
# Add Monte Carlo barostat for pressure control
system = simulation.context.getSystem()
system.addForce(MonteCarloBarostat(pressure*bar, temperature*kelvin, 25))
simulation.context.reinitialize(preserveState=True)
# Update reporters
simulation.reporters = []
simulation.reporters.append(
StateDataReporter(
f"{output_prefix}_log.txt",
report_interval,
step=True,
potentialEnergy=True,
temperature=True,
density=True,
speed=True
)
)
simulation.reporters.append(
DCDReporter(f"{output_prefix}_traj.dcd", report_interval)
)
# Save checkpoints
simulation.reporters.append(
CheckpointReporter(f"{output_prefix}_checkpoint.chk", 50000)
)
print(f"Running NPT production: {n_steps} steps ({n_steps*2/1000000:.2f} ns)")
simulation.step(n_steps)
print("Production MD complete")
return simulation
```
## Trajectory Analysis with MDAnalysis
### 1. Load Trajectory
```python
import MDAnalysis as mda
from MDAnalysis.analysis import rms, align, contacts
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def load_trajectory(topology_file, trajectory_file):
"""
Load an MD trajectory with MDAnalysis.
Args:
topology_file: PDB, PSF, or other topology file
trajectory_file: DCD, XTC, TRR, or other trajectory
"""
u = mda.Universe(topology_file, trajectory_file)
print(f"Universe: {u.atoms.n_atoms} atoms, {u.trajectory.n_frames} frames")
print(f"Time range: 0 to {u.trajectory.totaltime:.0f} ps")
return u
```
### 2. RMSD Analysis
```python
def compute_rmsd(u, selection="backbone", reference_frame=0):
"""
Compute RMSD of selected atoms relative to reference frame.
Args:
u: MDAnalysis Universe
selection: Atom selection string (MDAnalysis syntax)
reference_frame: Frame index for reference structure
Returns:
numpy array of (time, rmsd) values
"""
# Align trajectory to minimize RMSD
aligner = align.AlignTraj(u, u, select=selection, in_memory=True)
aligner.run()
# Compute RMSD
R = rms.RMSD(u, select=selection, ref_frame=reference_frame)
R.run()
rmsd_data = R.results.rmsd # columns: frame, time, RMSD
return rmsd_data
def plot_rmsd(rmsd_data, title="RMSD over time", output_file="rmsd.png"):
"""Plot RMSD over simulation time."""
fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 4))
ax.plot(rmsd_data[:, 1] / 1000, rmsd_data[:, 2], 'b-', linewidth=0.5)
ax.set_xlabel("Time (ns)")
ax.set_ylabel("RMSD (Å)")
ax.set_title(title)
ax.axhline(rmsd_data[:, 2].mean(), color='r', linestyle='--',
label=f'Mean: {rmsd_data[:, 2].mean():.2f} Å')
ax.legend()
plt.tight_layout()
plt.savefig(output_file, dpi=150)
return fig
```
### 3. RMSF Analysis (Per-Residue Flexibility)
```python
def compute_rmsf(u, selection="backbone", start_frame=0):
"""
Compute per-residue RMSF (flexibility).
Returns:
resids, rmsf_values arrays
"""
# Select atoms
atoms = u.select_atoms(selection)
# Compute RMSF
R = rms.RMSF(atoms)
R.run(start=start_frame)
# Average by residue
resids = []
rmsf_per_res = []
for res in u.select_atoms(selection).residues:
res_atoms = res.atoms.intersection(atoms)
if len(res_atoms) > 0:
resids.append(res.resid)
rmsf_per_res.append(R.results.rmsf[res_atoms.indices].mean())
return np.array(resids), np.array(rmsf_per_res)
```
### 4. Protein-Ligand Contacts
```python
def analyze_contacts(u, protein_sel="protein", ligand_sel="resname LIG",
radius=4.5, start_frame=0):
"""
Track protein-ligand contacts over trajectory.
Args:
radius: Contact distance cutoff in Angstroms
"""
protein = u.select_atoms(protein_sel)
ligand = u.select_atoms(ligand_sel)
contact_frames = []
for ts in u.trajectory[start_frame:]:
# Find protein atoms within radius of ligand
distances = contacts.contact_matrix(
protein.positions, ligand.positions, radius
)
contact_residues = set()
for i in range(distances.shape[0]):
if distances[i].any():
contact_residues.add(protein.atoms[i].resid)
contact_frames.append(contact_residues)
return contact_frames
```
## Force Field Selection Guide
| System | Recommended Force Field | Water Model |
|--------|------------------------|-------------|
| Standard proteins | AMBER14 (`amber14-all.xml`) | TIP3P-FB |
| Proteins + small molecules | AMBER14 + GAFF2 | TIP3P-FB |
| Membrane proteins | CHARMM36m | TIP3P |
| Nucleic acids | AMBER99-bsc1 or AMBER14 | TIP3P |
| Disordered proteins | ff19SB or CHARMM36m | TIP3P |
## System Preparation Tools
### PDBFixer (for raw PDB files)
```python
from pdbfixer import PDBFixer
from openmm.app import PDBFile
def fix_pdb(input_pdb, output_pdb, ph=7.0):
"""Fix common PDB issues: missing residues, atoms, add H, standardize."""
fixer = PDBFixer(filename=input_pdb)
fixer.findMissingResidues()
fixer.findNonstandardResidues()
fixer.replaceNonstandardResidues()
fixer.removeHeterogens(True) # Remove water/ligands
fixer.findMissingAtoms()
fixer.addMissingAtoms()
fixer.addMissingHydrogens(ph)
with open(output_pdb, 'w') as f:
PDBFile.writeFile(fixer.topology, fixer.positions, f)
return output_pdb
```
### GAFF2 for Small Molecules (via OpenFF Toolkit)
```python
# For ligand parameterization, use OpenFF toolkit or ACPYPE
# uv pip install openff-toolkit
from openff.toolkit import Molecule, ForceField as OFFForceField
from openff.interchange import Interchange
def parameterize_ligand(smiles, ff_name="openff-2.0.0.offxml"):
"""Generate GAFF2/OpenFF parameters for a small molecule."""
mol = Molecule.from_smiles(smiles)
mol.generate_conformers(n_conformers=1)
off_ff = OFFForceField(ff_name)
interchange = off_ff.create_interchange(mol.to_topology())
return interchange
```
## Best Practices
- **Always minimize before MD**: Raw PDB structures have steric clashes
- **Equilibrate before production**: NVT (50–100 ps) → NPT (100–500 ps) → Production
- **Use GPU**: Simulations are 10–100× faster on GPU (CUDA/OpenCL)
- **2 fs timestep with HBonds constraints**: Standard; use 4 fs with HMR (hydrogen mass repartitioning)
- **Analyze only equilibrated trajectory**: Discard first 20–50% as equilibration
- **Save checkpoints**: MD runs can fail; checkpoints allow restart
- **Periodic boundary conditions**: Required for solvated systems
- **PME for electrostatics**: More accurate than cutoff methods for charged systems
## Additional Resources
- **OpenMM documentation**: https://openmm.org/documentation.html
- **MDAnalysis user guide**: https://docs.mdanalysis.org/
- **GROMACS** (alternative MD engine): https://manual.gromacs.org/
- **NAMD** (alternative): https://www.ks.uiuc.edu/Research/namd/
- **CHARMM-GUI** (web-based system builder): https://charmm-gui.org/
- **AmberTools** (free Amber tools): https://ambermd.org/AmberTools.php
- **OpenMM paper**: Eastman P et al. (2017) PLOS Computational Biology. PMID: 28278240
- **MDAnalysis paper**: Michaud-Agrawal N et al. (2011) J Computational Chemistry. PMID: 21500218
Проверка и особенности
Автоматическая проверка источника и файлов
Автоматически сверены публичный репозиторий, лицензия, YAML-заголовок SKILL.md, состав папки и Git-хеш каждого файла. Исполняемые файлы и срабатывания статических правил исключены из этой партии. Ручной аудит всех инструкций и проверка работы не проводились; эта проверка не гарантирует безопасность. Команда закреплена на проверенном коммите.
Интерес к репозиторию оцениваем по звёздам и форкам GitHub. Это показатели всего репозитория, а не числа установок отдельного скилла.
Есть ссылки на внешние инструкции или инструменты: их содержимое и доступность могут изменяться отдельно от скилла.
- Проверка состава
- 16.09.2026
- Проверенная версия
330c8e764435- Файлы с кодом
- Не указаны в данных проверки
- Изменения на GitHub
- Нужна повторная проверкаПоследняя проверка: 11.10.2026
Репозиторий и лицензия
Это показатели всего репозитория, а не установки скилла. Снимок требует обновления.
- Последняя активность GitHub
- 05.10.2026
- Лицензия
- MIT
- Добавлен в каталог
- 16.09.2026
Полный текст лицензии
MIT License Copyright (c) 2025 K-Dense Inc. Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining a copy of this software and associated documentation files (the "Software"), to deal in the Software without restriction, including without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish, distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to the following conditions: The above copyright notice and this permission notice shall be included in all copies or substantial portions of the Software. THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND, EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN CONNECTION WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
Ещё в этой категории
Все в категорииОбсуждение
ПравилаПользовались этим скиллом? Делитесь опытом без регистрации. Все комментарии проверяет модератор.
