सीएचएआरएमए

CHARMM
डेवलपर(ओं)	Martin Karplus, Accelrys
आरंभिक रिलीज	1983; 41 years ago
Stable release	c47b1 / 2022; 2 years ago
Preview release	c48a1 / 2022; 2 years ago
इसमें लिखा हुआ	FORTRAN 77-95, CUDA
ऑपरेटिंग सिस्टम	Unix-like: Linux, macOS, AIX, iOS
प्लेटफॉर्म	x86, ARM, Nvidia GPU; Cray XT4, XT5
में उपलब्ध	English
प्रकार	Molecular dynamics
लाइसेंस	Proprietary
वेबसाइट	www.academiccharmm.org

हार्वर्ड मैक्रोमोलेक्यूलर मैकेनिक्स (सीएचएआरएमएम) में रसायन विज्ञान मॉलिक्यूलर डायनामिक्स के लिए व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले फ़ोर्स फ़ील्ड (रसायन विज्ञान) के सेट का नाम है, और उनके साथ जुड़े मॉलिक्यूलर डायनामिक्स सिमुलेशन और विश्लेषण कंप्यूटर सॉफ़्टवेयर पैकेज का नाम है।^[3]^[4]^[5] सीएचएआरएमएम विकास परियोजना में सीएचएआरएमएम प्रोग्राम को विकसित करने और बनाए रखने के लिए हार्वर्ड में मार्टिन कारप्लस और उनके समूह के साथ काम करने वाले डेवलपर्स का विश्वव्यापी नेटवर्क सम्मिलित है। इस सॉफ़्टवेयर के लाइसेंस शैक्षणिक क्षेत्र में काम करने वाले लोगों और समूहों के लिए शुल्क देकर उपलब्ध हैं।

फ़ोर्स फ़ील्ड

प्रोटीन के लिए सीएचएआरएमएम फ़ोर्स फ़ील्ड (रसायन विज्ञान) में सम्मिलित हैं: संयुक्त-परमाणु (कभी-कभी विस्तारित परमाणु कहा जाता है) सीएचएआरएमएम,^[6] अल-अटोमा चार्म22^[7] और इसकी डायहेड्रल क्षमता संशोधित संस्करण सीएचएआरएमएम22/सीएमएपी, साथ ही बाद के संस्करण सीएचएआरएमएम27 और सीएचएआरएमएम36 और सीएचएआरएमएम36m और सीएचएआरएमएम36आईडीपीएसएफएफ जैसे विभिन्न संशोधन सम्मिलित है।^[8] सीएचएआरएमएम22 प्रोटीन फ़ोर्स फ़ील्ड में, परमाणु पार्टियल चार्ज मॉडल यौगिकों और जल के बीच वार्तालाप की क्वांटम रासायनिक गणना से प्राप्त किए गए थे। इसके अतिरिक्त, सीएचएआरएमएम22 को TIP3P स्पष्ट जल मॉडल के लिए पैरामीट्रिज्ड किया गया है। फिर भी, इसका उपयोग अक्सर अंतर्निहित सॉल्वैंट्स के साथ किया जाता है। 2006 में, अंतर्निहित विलायक जीबीएसडब्ल्यू के साथ निरंतर उपयोग के लिए सीएचएआरएमएम22/सीएमएपी का विशेष संस्करण पुन: तैयार किया गया था।^[9]

सीएचएआरएमएम22 फ़ोर्स फ़ील्ड में निम्नलिखित संभावित ऊर्जा कार्य हैं:^[7]^[10]

${\begin{aligned}V=&\sum _{bonds}k_{b}(b-b_{0})^{2}+\sum _{angles}k_{\theta }(\theta -\theta _{0})^{2}+\sum _{dihedrals}k_{\phi }[1+cos(n\phi -\delta )]\\&+\sum _{impropers}k_{\omega }(\omega -\omega _{0})^{2}+\sum _{Urey-Bradley}k_{u}(u-u_{0})^{2}\\&+\sum _{nonbonded}\left(\epsilon _{ij}\left[\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{12}-2\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{6}\right]+{\frac {q_{i}q_{j}}{\epsilon _{r}r_{ij}}}\right)\end{aligned}}$

बाध्य, कोण, डायहेड्रल और गैर-बंधित शब्द अन्य फ़ोर्स फ़ील्ड जैसे एएमबीईआर फंक्शन में पाए जाने वाले समान हैं। सीएचएआरएमएम फ़ोर्स फ़ील्ड में विमान के बाहर झुकने के लिए अनुचित शब्द लेखांकन भी सम्मिलित है (जो चार परमाणुओं के किसी भी सेट पर प्रयुक्त होता है जो क्रमिक रूप से बंधे नहीं होते हैं), जहां $k_{\omega }$ बल स्थिरांक है और $\omega -\omega _{0}$ समतल कोण है. उरे-ब्रैडली शब्द क्रॉस-टर्म है जो 1,3 अबंधित अंतःक्रियाएँ के लिए उत्तरदायी है जो बाध्य और कोण नियम के अनुसार नहीं है; $k_{u}$ बल स्थिरांक है और $u$ 1,3 परमाणुओं के बीच की दूरी है।

डीएनए, आरएनए और लिपिड के लिए, सीएचएआरएमएम27^[11] का प्रयोग किया जाता है। कुछ फ़ोर्स फ़ील्ड को जोड़ा जा सकता है, उदाहरण के लिए प्रोटीन-डीएनए बाइंडिंग के अनुकरण के लिए सीएचएआरएमएम22 और सीएचएआरएमएम27। इसके अतिरिक्त, एनएडी+, शर्करा, फ्लोरिनेटेड यौगिक आदि के पैरामीटर भी डाउनलोड किए जा सकते हैं। ये फ़ोर्स फ़ील्ड संस्करण संख्याएं सीएचएआरएमएम संस्करण को संदर्भित करती हैं जहां वे पहली बार दिखाई दिए थे, किन्तु निश्चित रूप से सीएचएआरएमएम निष्पादन योग्य प्रोग्राम के बाद के संस्करणों के साथ उपयोग किया जा सकता है। इसी तरह, इन फ़ोर्स फ़ील्ड का उपयोग अन्य मॉलिक्यूलर डायनामिक्स प्रोग्राम में किया जा सकता है जो उनका समर्थन करते हैं।

इस प्रकार 2009 में, प्रभुत्व जैसे अणुओं के लिए सामान्य फ़ोर्स फ़ील्ड (CGenFF) प्रस्तुत किया गया था। इसमें बायोमोलेक्यूल्स और प्रभुत्व जैसे अणुओं में उपस्तिथ रासायनिक समूहों की विस्तृत श्रृंखला सम्मिलित है, जिसमें बड़ी संख्या में हेट्रोसाइक्लिक मचान भी सम्मिलित हैं।^[12] सामान्य फ़ोर्स फ़ील्ड को रासायनिक समूहों के किसी भी संयोजन को कवर करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह अनिवार्य रूप से अणुओं के किसी विशेष उपवर्ग का प्रतिनिधित्व करने के लिए स्पष्टतः में कमी के साथ आता है। मैकेरल की वेबसाइट में उपयोगकर्ताओं को बार-बार चेतावनी दी जाती है कि वे उन अणुओं के लिए CGenFF मापदंडों का उपयोग न करें जिनके लिए विशेष फ़ोर्स फ़ील्ड पहले से उपस्तिथ हैं (जैसा कि प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड आदि के लिए ऊपर बताया गया है)।

सीएचएआरएमएम में दो दृष्टिकोणों का उपयोग करके ध्रुवीकरण योग्य फ़ोर्स फ़ील्ड भी सम्मिलित हैं। उतार-चढ़ाव वाले चार्ज (एफक्यू) मॉडल पर आधारित है, जिसे चार्ज इक्विलिब्रेशन (सीएचईक्यू) भी कहा जाता है।^[13]^[14] और दूसरा ड्रूड कण शैल या फैलाव दोलक मॉडल पर आधारित है।^[15]^[16]

इन सभी फ़ोर्स फ़ील्ड के पैरामीटर मैकेरल वेबसाइट से निःशुल्क डाउनलोड किए जा सकते हैं।^[17]

मॉलिक्यूलर डायनामिक्स प्रोग्राम

सीएचएआरएमएम प्रोग्राम मॉलिक्यूलर सिमुलेशन की विस्तृत श्रृंखला तैयार करने और उसका विश्लेषण करने की अनुमति देता है। सिमुलेशन के सबसे मूलभूत प्रकार मॉलिक्यूलर डायनामिक्स प्रक्षेपवक्र की दी गई संरचना और उत्पादन रन को कम करना है। अधिक उन्नत सुविधाओं में मुक्त ऊर्जा विक्षोभ (एफईपी), अर्ध-हार्मोनिक एन्ट्रॉपी अनुमान, सहसंबंध विश्लेषण और संयुक्त क्वांटम, और क्वांटम यांत्रिकी - मॉलिक्यूलर यांत्रिकी (क्यूएम/एमएम) विधियां सम्मिलित हैं।

सीएचएआरएमएम मॉलिक्यूलर डायनामिक्स के लिए सबसे पुराने प्रोग्राम में से है। इसमें कई विशेषताएं एकत्रित की गई हैं, जिनमें से कुछ को सामान्य भिन्नताओं के साथ कई कीवर्ड के अंतर्गत दोहराया गया है। यह संसार भर में सीएचएआरएमएम पर काम कर रहे कई दृष्टिकोणों और समूहों का अपरिहार्य परिणाम है। चेंजलॉग फ़ाइल, और सीएचएआरएमएम का सोर्स कोड, और मुख्य डेवलपर्स के नाम और संबद्धताएँ देखने के लिए उचित स्थान हैं। मिशिगन विश्वविद्यालय में चार्ल्स एल. ब्रूक्स III के समूह की भागीदारी और समन्वय प्रमुख है।

सॉफ्टवेयर इतिहास

1969 के आसपास, छोटे अणुओं के लिए संभावित ऊर्जा कार्यों को विकसित करने में अधिक रुचि थी। सीएचएआरएमएम की उत्पत्ति हार्वर्ड में मार्टिन कारप्लस के समूह में हुई। कारप्लस और उनके तत्कालीन स्नातक छात्र ब्रूस गेलिन ने फैसला किया कि प्रोग्राम विकसित करने का समय आ गया है जो किसी दिए गए अमीनो एसिड अनुक्रम और निर्देशांक का सेट (उदाहरण के लिए, एक्स-रे संरचना से) लेना और इस जानकारी का उपयोग करना संभव बना देगा। इस प्रकार से परमाणु स्थितियों के फलन के रूप में प्रणाली की ऊर्जा की गणना करें। करप्लस ने (उस समय अज्ञात) प्रोग्राम के विकास में प्रमुख इनपुट के महत्व को स्वीकार किया है, जिसमें सम्मिलित हैं:

वेइज़मैन इंस्टीट्यूट में श्नीयर लाइफसन का समूह, विशेष रूप से एरीह वारशेल से जो हार्वर्ड गए और अपने निरंतर फ़ोर्स फ़ील्ड (सीएफएफ) प्रोग्राम को अपने साथ लाए।
कॉर्नेल विश्वविद्यालय में हेरोल्ड शेरागा का समूह
प्रोटीन के लिए माइकल लेविट की अग्रणी ऊर्जा गणना के बारे में जागरूकता

1980 के दशक में, अंततः पेपर सामने आया और सीएचएआरएमएम ने अपनी सार्वजनिक प्रारंभ की। तब तक गेलिन का प्रोग्राम अधिक सीमा तक पुनर्गठित हो चुका था। प्रकाशन के लिए, बॉब ब्रुकोलेरी एचएआरएमएम (हार्वर्ड मैक्रोमोलेक्यूलर मैकेनिक्स) नाम लेकर आए, इसलिए उन्होंने रसायन विज्ञान के लिए सी जोड़ा किन्तु यह अनुचित लग रहा था। कारप्लस ने कहा: मुझे कभी-कभी आश्चर्य होता है कि क्या ब्रुकोलेरी का मूल सुझाव प्रोग्राम के साथ काम करने वाले अनुभवहीन वैज्ञानिकों के लिए उपयोगी चेतावनी के रूप में काम करता होगा।^[18] सीएचएआरएमएम का विकास जारी है और निष्पादन योग्य प्रोग्राम की नवीनतम रिलीज़ 2015 में सीएचएआरएमएम40b2 के रूप में की गई थी।

यूनिक्स-लिनक्स के अंतर्गत सीएचएआरएमएम रनिंग

प्रोग्राम का उपयोग करने का सामान्य सिंटैक्स है:

charmm -i filename.inp -o filename.out

charmm - उपयोग किए जा रहे कंप्यूटर सिस्टम पर प्रोग्राम का नाम (या स्क्रिप्ट जो प्रोग्राम चलाता है)।
filename.inp - टेक्स्ट फ़ाइल जिसमें सीएचएआरएमएम कमांड सम्मिलित हैं। यह मॉलिक्यूलर टोपोलॉजी (शीर्ष) और फ़ोर्स फ़ील्ड (रसायन विज्ञान) (बराबर) को लोड करके प्रारंभ होता है। फिर कोई मॉलिक्यूलर संरचनाओं के कार्टेशियन निर्देशांक को लोड करता है (उदाहरण के लिए पीडीबी फाइलों से)। फिर कोई अणुओं को संशोधित कर सकता है (हाइड्रोजन जोड़कर, द्वितीयक संरचना परिवर्तित कर सकता है)। गणना अनुभाग में ऊर्जा न्यूनतमकरण, डायनामिक्स उत्पादन और गति और ऊर्जा सहसंबंध जैसे विश्लेषण उपकरण सम्मिलित हो सकते हैं।
filename.out - सीएचएआरएमएम रन के लिए लॉग फ़ाइल, जिसमें प्रतिध्वनित कमांड और विभिन्न मात्रा में कमांड आउटपुट सम्मिलित हैं। आउटपुट प्रिंट स्तर को सामान्य रूप से बढ़ाया या घटाया जा सकता है, और न्यूनतमकरण और डायनामिक्स जैसी प्रक्रियाओं में प्रिंटआउट आवृत्ति विनिर्देश होते हैं। तापमान, ऊर्जा दबाव आदि के मान उस आवृत्ति पर आउटपुट होते हैं।

वालंटियर कंप्यूटिंग

डेलावेयर विश्वविद्यालय द्वारा होस्ट की गई डॉकिंग@होम, उन परियोजनाओं में से है जो वितरित कंप्यूटिंग के लिए ओपन-सोर्स प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करती है, बीओआईएनसी, मॉलिक्यूलर डायनामिक्स (एमडी) सिमुलेशन और न्यूनतमकरण के संदर्भ में प्रोटीन-लिगैंड अंतःक्रियाएँ के परमाणु विवरण का विश्लेषण करने के लिए सीएचएआरएमएम का उपयोग करती है।

आईबीएम द्वारा प्रायोजित वर्ल्ड कम्युनिटी ग्रिड ने द क्लीन एनर्जी प्रोजेक्ट नाम से परियोजना चलाई^[19] जिसने अपने पहले चरण में सीएचएआरएमएम का भी उपयोग किया था जो पूरा हो चुका है।

यह भी देखें

संदर्भ

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↑ The Clean Energy Project

बाहरी संबंध

Official website, with documentation and helpful discussion forums
Official website, BIOVIA
सीएचएआरएमएम tutorial Archived 2010-10-05 at the Wayback Machine
MacKerell website, hosts package of force field parameters for सीएचएआरएमएम
C.Brooks website
सीएचएआरएमएम page at Harvard
Roux website Archived 2006-10-12 at the Wayback Machine
Bernard R. Brooks Group website
Docking@Home
सीएचएआरएमएम-GUI project
CHARMMing (सीएचएआरएमएम Interface and Graphics) Archived 2008-08-20 at the Wayback Machine
सीएचएआरएमएम Tutorial

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