Amber 2017 Reference Manual

950 Pages·2017·13.18 MB·English

Amber 2017
Reference Manual
(Covers Amber16 and AmberTools17)

Amber 2017
Reference Manual
(Covers Amber16 and AmberTools17)
Principal contributors to the current codes:
DavidA.Case(Rutgers) CharlesLin(UCSD)
RossC.Walker(UCSD,GSK) DanielMermelstein(UCSD)
ThomasE.CheathamIII(Utah) PengfeiLi(MichiganState,UIUC)
CarlosSimmerling(StonyBrook) AlexeyOnufriev(VirginiaTech)
AdrianRoitberg(Florida) SaeedIzadi(VirginiaTech,Genentech)
KennethM.Merz(MichiganState) RomainM.Wolf(Novartis)
RayLuo(UCIrvine) XiongwuWu(NIH)
TomDarden(OpenEye) HolgerGohlke(Düsseldorf)
JunmeiWang(Pitt) NadineHomeyer(Düsseldorf)
RobertE.Duke(NIEHS) RuxiQi(UCIrvine)
DanielR.Roe(Utah,NIH) WesleyM.Botello-Smith(UCIrvine)
ScottLeGrand(Amazon) LiXiao(UCIrvine)
D’ArtagnanGreene(UCIrvine)
JasonSwails(Lutron)
TimGiese(Rutgers)
AndreasW.Götz(UCSD)
TaisungLee(Rutgers)
DavidCerutti(Rutgers)
DarrinYork(Rutgers)
TylerLuchko(CSUNorthridge)
JianLiu(PekingUniv.)
GéraldMonard(U.Lorraine)
HaiNguyen(StonyBrook,Rutgers)
CelesteSagui(NCSU)
IgorOmelyan(NINT)
FengPan(NCSU)
AndriyKovalenko(NINT)
PeterA.Kollman(UCSanFrancisco)
Formoreinformation,pleasevisithttp://ambermd.org/contributors.html
3
Acknowledgments
Research support from DARPA, NIH, ONR, DOE and NSF is gratefully acknowledged, along with support
from NVIDIA, Amazon and Exxact. Many people helped add features to various codes; these contributions are
describedinthedocumentationfortheindividualprograms;seealsohttp://ambermd.org/contributors.html.
RecommendedCitation:
• WhencitingAmber2017(comprisedofAmberTools17andAmber16)intheliterature,thefollowingcitation
shouldbeused:
D.A.Case,D.S.Cerutti,T.E.Cheatham,III,T.A.Darden,R.E.Duke,T.J.Giese,H.Gohlke,A.W.Goetz,D.
Greene,N.Homeyer,S.Izadi,A.Kovalenko,T.S.Lee,S.LeGrand,P.Li,C.Lin,J.Liu,T.Luchko,R.Luo,
D.Mermelstein,K.M.Merz,G.Monard,H.Nguyen,I.Omelyan,A.Onufriev,F.Pan,R.Qi,D.R.Roe,A.
Roitberg,C.Sagui,C.L.Simmerling,W.M.Botello-Smith,J.Swails,R.C.Walker,J.Wang,R.M.Wolf,X.
Wu,L.Xiao,D.M.YorkandP.A.Kollman(2017),AMBER2017,UniversityofCalifornia,SanFrancisco.
PeterKollmandiedunexpectedlyinMay,2001. WededicateAmbertohismemory.
Notes
• WethankChrisBaylyandMerck-Frosst,CanadaforpermissiontoincludechargeincrementsfortheAM1-
BCCchargescheme.
• SomeoftheforcefieldroutinesinNABwereadaptedfromsimilarroutinesintheMOILprogrampackage:
R.Elber,A.Roitberg,C.Simmerling,R.Goldstein,H.Li,G.Verkhivker,C.Keasar,J.ZhangandA.Ulitsky,
"MOIL:Aprogramforsimulationsofmacromolecules"Comp. Phys. Commun. 91,159-189(1995).
Coverillustration: DimeroftheG-proteincoupledreceptorTGR5(blueandorangesurfacerepresentations)inter-
actingwithagreenfluorescentprotein(magenta)attachedtotheTGR5C-terminus. FigurepreparedbyChristoph
GertzenandHolgerGohlke,basedonworkreportedbyA.Greife,S.Felekyan,Q.Ma,C.G.W.Gertzen,L.Spomer,
M.Dimura,T.O.Peulen,C.Wöhler,D.Häussinger,H.Gohlke,V.KeitelandC.A.M.Seidel,Structuralassemblies
ofthedi-andoligomericG-proteincoupledreceptorTGR5inlivecells:anMFIS-FRETandintegrativemodelling
study. Sci. Rep. 6,36792(2016).
4
Contents
Contents 5
I. IntroductionandInstallation 13
1. Introduction 15
1.1. InformationflowinAmber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2. Listofprograms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2. Installation 23
2.1. Uninstallingandcleaning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.2. PythoninAmber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3. ApplyingUpdates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.4. Contactingthedevelopers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
II. Amberforcefields 31
3. Molecularmechanicsforcefields 33
3.1. Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2. Nucleicacids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.3. Carbohydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.4. Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.5. Solvents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.6. Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.7. Modifiedaminoacidsandnucleotides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.8. Forcefieldsrelatedtosemi-empiricalQM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.9. Obsoleteforcefieldfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4. TheGeneralizedBorn/SurfaceAreaModel 57
4.1. GB/SAinputparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.2. ALPB(AnalyticalLinearizedPoisson-Boltzmann) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
5. GBNSR6 64
5.1. GBequationsavailableingbnsr6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.2. NumericalimplementationoftheR6integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
5.3. Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
6. PBSA 68
6.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2. Usageandkeywords . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
6.3. Exampleinputsanddemonstrationsoffunctionalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
6.4. Visualizationfunctionsinpbsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
6.5. pbsainsanderandNAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.6. GPUacceleratedpbsa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5
CONTENTS
7. ReferenceInteractionSiteModel 94
7.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.2. PracticalConsiderations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3. WorkFlow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.4. rism1d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
7.5. 3D-RISMinNAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
7.6. rism3d.snglpnt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.7. 3D-RISMinsander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
7.8. RISMFileFormats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
8. EmpiricalValenceBond 124
8.1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8.2. Generalusagedescription . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
8.3. Biasedsampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.4. Quantizationofnucleardegreesoffreedom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.5. DistributedGaussianEVB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
8.6. EVBinputvariablesandinterdependencies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
9. sqm: Semi-empiricalquantumchemistry 137
9.1. AvailableHamiltonians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.2. Dispersionandhydrogenbondcorrection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
9.3. Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
10.QM/MMcalculations 146
10.1.Built-insemiempiricalNDDOmethodsandSCC-DFTB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.2.InterfaceforabinitioandDFTmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
10.3.AdaptivesolventQM/MMsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
10.4.Adaptivebufferedforce-mixingQM/MM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
10.5.SEBOMD:SemiEmpiricalBorn-OppenheimerMolecularDynamics . . . . . . . . . . . . . . . . 182
11.paramfit 187
11.1.Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
11.2.TheJobControlFile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.3.Multiplemoleculefits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11.4.FittingForces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11.5.Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
III. Systempreparation 198
12.PreparingPDBFiles 200
12.1.CleaningupProteinPDBFilesforAMBER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
12.2.Residuenamingconventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
12.3.Chains,ResidueNumbering,MissingResidues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.4.pdb4amber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
12.5.reduce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
13.LEaP 206
13.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
13.2.Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
13.3.RunningLEaP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
13.4.BasicinstructionsforusingLEaPtobuildmolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
13.5.Commands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
13.6.Buildingoligosaccharides,lipidsandglycoproteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
6
CONTENTS
14.ReadingandmodifyingAmberparameterfiles 242
14.1.UnderstandingAmberparameterfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
14.2.ParmEd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
15.AntechamberandGAFF 278
15.1.Principalprograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
15.2.Asimpleexampleforantechamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
15.3.Usingthecomponents.ciffilefromthePDB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
15.4.Programscalledbyantechamber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
15.5.Miscellaneousprograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
15.6.NewDevelopmentofAntechamberAndGAFF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
15.7.MetalCenterParameterBuilder(MCPB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
15.8.PythonMetalSiteModelingToolbox(pyMSMT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
16.Settingupcrystalsimulations 307
16.1.UnitCell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
16.2.PropPDB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
16.3.AddToBox. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
16.4.ChBox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
IV. Runningsimulations 310
17.sander 312
17.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
17.2.Fileusage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
17.3.Exampleinputfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
17.4.NamelistInputSyntax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
17.5.Overviewoftheinformationintheinputfile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
17.6.Generalminimizationanddynamicsparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
17.7.Potentialfunctionparameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
17.8.Varyingconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
17.9.Fileredirectioncommands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
17.10.Gettingdebugginginformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
17.11.multisander(andmultipmemd) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
17.12.APBSasanalternatePBsolverinSander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
17.13.Programmer’sCorner: ThesanderAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
18.pmemd 364
18.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
18.2.Functionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
18.3.PMEMD-specificnamelistvariables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
18.4.Slightlychangedfunctionality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
18.5.Parallelperformancetuningandhints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
18.6.GPUAcceleratedPMEMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
18.7.Intel®ManyIntegratedCoreArchitecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
19.AtomandResidueSelections 380
19.1.AmberMasks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
19.2."AtomExpressions"inNABApplications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
19.3.GROUPSpecification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
20.Samplingconfigurationspace 387
20.1.Self-GuidedLangevindynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
7
CONTENTS
20.2.AcceleratedMolecularDynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
20.3.GaussianAcceleratedMolecularDynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
20.4.TargetedMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
20.5.Multiply-TargetedMD(MTMD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
20.6.Nudgedelasticbandcalculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
20.7.Low-MODe(LMOD)methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
21.Freeenergies 406
21.1.Thermodynamicintegration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
21.2.AbsoluteFreeEnergiesusingEMIL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
21.3.LinearInteractionEnergies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
21.4.Umbrellasampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
21.5.ReplicaExchangeMolecularDynamics(REMD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
21.6.AdaptivelyBiasedMD,SteeredMD,UmbrellaSamplingwithREMDandStringMethod . . . . . 438
21.7.SteeredMolecularDynamics(SMD)andtheJarzynskiRelationship . . . . . . . . . . . . . . . . 456
22.ConstantpHcalculations 458
22.1.Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
22.2.PreparingasystemforconstantpH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
22.3.RunningatconstantpH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
22.4.AnalyzingconstantpHsimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
22.5.ExtendingconstantpHtoadditionaltitratablegroups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
22.6.ConstantpHMDReplicaExchange . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
22.7.cphstats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
23.NMR,X-ray,andcryo-EM/ETrefinement 474
23.1.Distance,angleandtorsionalrestraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
23.2.NOESYvolumerestraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
23.3.Chemicalshiftrestraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
23.4.Pseudocontactshiftrestraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
23.5.Directdipolarcouplingrestraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
23.6.ResidualCSAorpseudo-CSArestraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
23.7.PreparingrestraintfilesforSander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
23.8.GettingsummariesofNMRviolations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
23.9.Time-averagedrestraints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
23.10.MultiplecopiesrefinementusingLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
23.11.Somesampleinputfiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
23.12.X-rayCrystallographyRefinementusingSANDER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
23.13.EMAPrestraintsforrigidandflexiblefittingintoEMmaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
24.LES 502
24.1.PreparingtouseLESwithAmber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
24.2.UsingtheADDLESprogram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
24.3.MoreinformationontheADDLEScommandsandoptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
24.4.Usingthenewtopology/coordinatefileswithSANDER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
24.5.UsingLESwiththeGeneralizedBornsolvationmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
24.6.Casestudies: ExamplesofapplicationofLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
25.Quantumdynamics 511
25.1.Path-IntegralMolecularDynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
25.2.CentroidMolecularDynamics(CMD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
25.3.RingPolymerMolecularDynamics(RPMD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
25.4.Linearizedsemiclassicalinitialvaluerepresentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
8
CONTENTS
25.5.ReactiveDynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
25.6.Isotopeeffects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
26.mdgx 531
26.1.InputandOutput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
26.2.Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
26.3.SpecialAlgorithmicFeaturesofmdgx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
26.4.CustomizableVirtualSiteSupportinmdgx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533
26.5.ImplicitlyPolarizedChargeDevelopmentinmdgx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
26.6.RestrainedElectrostaticPotentialFittinginmdgx . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
26.7.BondedTermFittinginmdgx. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
26.8.ConfigurationSampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
26.9.ThermodynamicIntegration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
26.10.FutureDirectionsandGoalsofthemdgxProject . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
V. Analysisofsimulations 547
27.mdout_analyzer.pyandambpdb 549
27.1.ambpdb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
28.cpptraj 551
28.1.RunningCpptraj. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
28.2.GeneralConcepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
28.3.DataSetsandDataFiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
28.4.DataFileOptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
28.5.Coordinates(COORDS)DataSetCommands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
28.6.GeneralCommands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568
28.7.TopologyFileCommands. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
28.8.TrajectoryFileCommands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
28.9.ActionCommands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
28.10.AnalysisCommands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
28.11.AnalysisExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 682
29.pytraj 683
29.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683
29.2.Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683
29.3.Documentationandexamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683
30.MMPBSA.py 687
30.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 687
30.2.PreparingforanMM/PB(GB)SAcalculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 688
30.3.RunningMMPBSA.py . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690
30.4.PythonAPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
31.MM_PBSA 708
31.1.Generalinstructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708
31.2.Inputexplanations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 709
32.FEW 716
32.1.Installation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716
32.2.Overviewofworkflowstepsandminimalinput . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
32.3.Commonsetupofmoleculardynamicssimulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718
32.4.WorkflowforautomatedMM-PBSA&MM-GBSAcalculations(WAMM) . . . . . . . . . . . . 725
9
CONTENTS
32.5.Linearinteractionenergyworkflow(LIEW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732
32.6.Thermodynamicintegrationworkflow(TIW) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736
33.XtalAnalyze 744
33.1.XtalAnalyze.sh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744
33.2.XtalPlot.sh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 746
33.3.md2map.sh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747
34.SAXS 749
34.1.Introductionandtheory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749
34.2.Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750
VI. NABandAmberLite 753
35.NAB:Introduction 755
35.1.Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756
35.2.Methodsforstructurecreation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757
35.3.CompilingnabPrograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759
35.4.ParallelExecution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759
35.5.FirstExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 760
35.6.Molecules,ResiduesandAtoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763
35.7.CreatingMolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 763
35.8.ResiduesandResidueLibraries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764
35.9.AtomNamesandAtomExpressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766
35.10.Loopingoveratomsinmolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 767
35.11.Points,TransformationsandFrames . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 768
35.12.CreatingWatsonCrickduplexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 769
36.NAB:LanguageReference 778
36.1.LanguageElements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 778
36.2.Higher-levelconstructs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 780
36.3.Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786
36.4.Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 788
36.5.Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789
36.6.PointsandVectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 790
36.7.StringFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791
36.8.MathFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 791
36.9.SystemFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792
36.10.I/OFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 792
36.11.MoleculeCreationFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795
36.12.CreatingBiopoloymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796
36.13.FiberDiffractionDuplexesinNAB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796
36.14.ReducedRepresentationDNAModelingFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 797
36.15.MoleculeI/OFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
36.16.OtherMolecularFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
36.17.DebuggingFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 800
36.18.Timeanddateroutines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801
36.19.Computationalresourceconsumptionfunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 801
37.NAB:Rigid-BodyTransformations 802
37.1.TransformationMatrixFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802
37.2.FrameFunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802
10