基于制造技术

本发明专利技术属于结构生物信息学领域，提供了基于

【技术实现步骤摘要】
基于Docker的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统及实现方法


[0001]本专利技术属于结构生物信息学领域，尤其涉及基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统及实现方法
。

技术介绍

[0002]本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术
。
[0003]分子动力学模拟是一种以经典力学
、
统计力学为基础，通过计算机模拟的方式研究分子运动的计算方法
。
目前，分子动力学模拟已经成为了研究蛋白质的重要技术之一，常常被用来研究蛋白质构象转变
、
蛋白质稳定性
、
蛋白质
‑
配体相互作用
、
蛋白
‑
蛋白相互作用等
。Gromacs
是一种被广泛使用的分子动力学模拟软件，适合处理蛋白质
、
核酸
、
脂类等生化分子
。
除了支持能量最小化
、
分子动力学
、
随机扰动法等模拟技术，该软件还提供了极其丰富的轨迹分析工具，如结合自由能计算
、
构象分析
、
理化性质分析
、
相互作用分析等等
。gmx_MMPBSA
是一种基于
AMBER
软件中的
MMPBSA.py
开发
、
使用
Gromacs
进行（端态
/
末端）自由能计算的工具，它能进行结合自由能计算与分解
、
稳定性计算
、
丙氨酸扫描以及熵校正；其中还集成了额外的可视化工具
gmx_MMPBSA_ana
，能使用输出的结果文件，快速
、
简单
、
高效地绘制各种图表
。Mdtraj
和
MDAnalysis
是两个用于分析分子动力学模拟轨迹的
python
工具库，它们提供了大量的轨迹分析功能
。
[0004]为了解决
Gromacs
只能手动编写配置文件和使用命令行解释器的问题，
2022
年有研究者设计了一款
Gromacs
的图形化界面插件
YAMACS
，该插件能够在窗口化系统下运行
Gromacs
，并实时显示结果，该插件简化了执行和可视化计算所需的步骤，但配置它依赖的模拟环境仍然很复杂
。
[0005]目前，
Gromacs
主要是在
Linux、Unix
等操作系统下进行部署和使用，使用该软件进行蛋白质的分子动力学模拟与分析时，用户需要提供配置文件，并通过终端命令行来执行计算过程
。
在使用
Gromacs
进行蛋白质的分子动力学模拟与分析的过程中，主要存在以下三个问题：
[0006]（1）软件运行环境部署复杂，维护
、
升级困难
。Gromacs
需要通过编译安装，其在安装和运行时有一些必需的环境依赖和软件版本依赖：编译器，不同版本的
Gromacs
需要的编译器有所不同，如
2018
以后的版本需要
cmake3.x
才能编译； Gromacs
的计算过程会用到许多外部算法库，如进行傅里叶变换计算依赖于
FFTW
库；
Gromacs
对不同的硬件设备适配度是不相同的，比如对于不同版本的
GPU
，编译安装过程中要求的驱动和
openCL
都是不同的
。
[0007]（2）模拟流程繁琐，时间成本高
。Gromacs
主要是通过在终端命令行输入相应的命令来执行模拟和分析计算，跑一次模拟需要逐步输入并执行每条命令，然而整个模拟流程以及模拟后的轨迹分析过程涉及到的命令和参数都非常繁多，因此会导致时间成本升高且效率低
。
此外，
Gromacs
通常是在
Linux
系统下部署和使用的，因此用户还需要掌握一定的终
端操作基础知识，这对非计算机专业的使用者很不友好，学习成本会大大增加
。
[0008]（3）分析结果文件繁杂
。Gromacs
本身提供了极其丰富的轨迹分析工具，这些工具总是以文件形式给出计算结果，并且文件数量少则一两个，多则几十个，用户需要从中筛选出真正有用的数据，为了便于观察和捕捉有效信息，还需要借助其他工具进行数据可视化，这些都大大增加了不必要的时间成本
。

技术实现思路

[0009]为了解决上述
技术介绍
中存在的技术问题，本专利技术提供一种基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统及实现方法，以
web
系统的形式，集成了自动执行
Gromacs
模拟命令
、
轨迹数据分析可视化和记录管理三个功能模块，再利用
Docker
容器化技术将该系统及其所有依赖项构建成镜像，为使用者提供简单快速的环境部署功能和直观便捷的模拟
、
分析环境
。
[0010]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0011]基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统，采用前后端分离的架构，主要包含以下几部分：
[0012]前端：系统前端基于
Vue.js
进行开发，结合
TypeScript
技术进行类型检查和增强开发
。
使用
Element Plus
和
Bootstrap
框架提供的预定义组件和样式，构建用户界面；采用
Vue Router
管理前端路由，实现页面间的导航和跳转；利用
pinia
进行状态管理，确保数据的一致性和可追溯性；通过
Axios
技术实现与后端的通信，实现数据的获取和提交
。
[0013]后端：系统后端基于
Flask
框架开发，用于接收前端请求并进行相应的业务逻辑处理
。
主要包含自动执行
Gromacs
模拟命令
、
轨迹数据分析可视化
、
记录管理三个核心功能模块
。
[0014]数据库：本系统使用
Mysql
数据库持久化存储系统的用户数据，模拟数据，轨迹分析数据等，提供可靠的数据存储和查询功能；使用
Redis
作为缓存数据库，存储一些频繁访问的数据，提供高速的数据读写操作，以提高系统性能和响应本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统，其特征在于，包括自动执行
Gromacs
模拟命令模块，轨迹数据分析可视化模块，记录管理模块；所述自动执行
Gromacs
模拟命令模块根据用户上传的配置文件和选择的参数，使用
Python
脚本操作终端，自动执行整个模拟过程的所有命令，主要包括蛋白质模拟
、
蛋白质
‑
配体模拟两个子模块；所述轨迹数据分析可视化模块提供了一系列与模拟轨迹相关的常用分析方法，根据用户上传的轨迹和选择的参数，进行相应的分析计算，主要包括：均方根偏差计算，均方根波动计算，氢键概率计算，网络中心性计算，结合自由能计算，二面角计算，主成分分析；所述记录管理模块用于呈现模拟和分析的历史数据，包括模拟
/
分析时间
、
参数
、
结果
、
以及下载和删除功能，方便用户查看结果
、
下载文件以及管理记录，主要分为模拟记录管理和分析记录管理两个子模块
。2.
如权利要求1所述的基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统，其特征在于，所述蛋白质模拟子模块支持单体蛋白质
、
蛋白质
‑
多肽以及蛋白质
‑
蛋白质在水溶剂中的分子动力学模拟
。3.
如权利要求1所述的基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统，其特征在于，所述均方根偏差通过计算模拟结构与参考结构之间的差异，来评估蛋白质的整体结构变化程度
。
本系统可以分别基于骨架原子
、
重原子
、Alpha
碳原子和全原子计算均方根偏差
。4.
如权利要求1所述的基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统，其特征在于，所述均方根波动是衡量蛋白质中各个原子或残基的平均结构波动程度的指标，用于分析蛋白质不同部位的局部动态性
。
本系统可以基于骨架原子
、
重原子
、Alpha
碳原子和全原子进行计算
。5.
如权利要求1所述的基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统，其特征在于，所述氢键概率计算子模块支持计算蛋白质内部
、
蛋白质
‑
配体之间以及配体内部的氢键形成概率
。6.
如权利要求1所述的基于
Docker
的蛋白质分子动力学模拟与轨迹分析系统，其特征在于，所述网络中心性计算通过构建残基相互作用网络，计算
Degree Centrality
，
Closeness Centrality
，
Betweenness Centrality
等常用指标
。7.
如权利要求1所述的基于
Dock...

【专利技术属性】
技术研发人员：何文兴，吕卿，张秀君，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：