目的：介绍利用介观建模工具建立和模拟磷脂双分子层的方法。

所用模块：Materials Visualizer、Mesocite

背景

与原子的分子动力学相比，粗粒化分子动力学能够模拟更长的时间尺度和更大的长度尺度。这是通过将多个原子组成的群表示为单个单元或珠子来实现的。力场被参数化，用于体系中每种类型的珠子之间的相互作用。一般来说，粗粒化力场必须对每个待研究体系进行参数化。Marrink等人生成了一个粗粒化力场——MARTINI，该力场针对大部分有机化合物进行参数化，重点是模拟生物分子材料，如脂质。

二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）是一种磷脂，是肺表面活性物质的主要成分。它也是研究脂质体、脂质双分子层和生物膜的模型。

Materials Studio包括一个稍加修正的MARTINI力场版本，即MS MARTINI，可用于运行珠子结构的粗粒化分子动力学模拟。

介绍

在本教程中，将使用Mesocite模块，利用MS Martini力场对磷脂双分子层进行粗粒化分子动力学模拟。将使用介观结构构建工具来构建起始结构，并对双分子层进行几何优化。

本教程包括如下部分：

• 开始

• 建立磷脂和溶剂分子模型

• 应用力场类型并修改力场参数

• 建立双分子层模型

• 优化和平衡结构

• 模拟双分子层并分析结果

注意：为了和本教程中的参数保持一致，可以使用Settings Organizer对话框将工程中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。

1、开始

首先启动Materials Studio并创建一个新工程。

打开New Project对话框，输入CG_bilayer作为工程名，单击OK按钮。

新工程将以CG_bilayer为工程名显示于Project Explorer中。

可以通过Build菜单或使用Mesostructure工具栏访问介观结构构建工具。要使用工具栏，请确保其可见。

从菜单栏中选择View | Toolbars，并确保已启用Mesostructure工具栏。

2、建立磷脂和溶剂分子模型

第一步是定义用于构建磷脂和溶剂分子的珠子类型。将使用与Marrink等人相同的表示法，其中1个珠子表示大约四个重原子，平均质量为72 g/mol，有效半径为2.35 Å。

单击Mesostructure工具栏上的Bead Types按钮，打开Bead Types对话框。单击Defaults...按钮，打开Bead Type Defaults对话框。

将Mass设置为72，Radius设置为2.35，然后关闭Bead Type Defaults对话框。

在Bead Types对话框中，定义以下新的珠子类型：C、GL、NC、PO和W。关闭该对话框。

使用定义的珠子类型，可以构建磷脂和溶剂的初始珠子表示。

单击Mesostructure工具栏上的Mesomolecule按钮，打开Build Mesomolecule对话框。

为了构建具有其特征构象的磷脂分子，可以分三步构建该分子。从磷酸盐和胆碱的头部基团开始。

定义1单位PO和1单位NC的重复单元。单击Build按钮。

接下来将两个甘油珠子添加到磷酸基团中。

删除现有的重复单元定义，并定义一个1单位GL的新重复单元。在结构中选择PO珠子，并勾选Add to branch points复选框。点击More...按钮打开Mesomolecule Branches对话框，并确认勾选了Branch from selected beads，且Number of branches to attach设置为2。

关闭对话框并单击Build按钮。

提示：使用Label对话框可在文档中添加BeadTypeName标签。

最后将碳尾部原子添加到两个甘油珠子中。将添加四个尾部原子并删除不需要的两个尾部原子，以便生成合适的初始几何构型结构。

删除现有的重复单元定义，并定义一个包含4单位C的新重复单元。选择结构中的两个GL珠子，然后单击Build按钮。

在生成的结构中，删除指向头部原子组方向的两个支链。

现在介观分子的结构应如下图所示。

磷脂的初始珠子结构为球棍模型显示样式，珠子由BeadTypeName标记

保存文档并关闭视图。在Project Explorer中，将文档重命名为DPPC.xsd。

最后构建一个溶剂分子。这将是一个W类型单个珠子，代表四个水分子。

删除现有的重复单元定义，并定义一个新的重复单元，即1个W单元。单击Build按钮并关闭对话框。

保存并关闭新文档，然后将其重命名为solvent.xsd。

3、应用力场类型并修改力场参数

将使用MS Martini力场来执行本教程中的所有计算。MS Martini基于Marrink等人开发的MARTINI力场，并已被参数化以研究磷脂双分子层和其他有机化合物。对于所有力场类型，基本力场使用4.7 Å的平衡键长和180°的平衡键角。对于非线性键（例如顺式不饱和键），Marrink等人使用了120°的修正角，并使用该非线性顺式键角来表示GL-PO-GL键角。默认情况下，MS Martini中不包含此非线性顺式键角度，为应用到该数据，需要对提供的力场进行细微修正。

当要修改现有的MS Martini力场时，需要将其导入到工程中。

从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Forcefield Manager以打开Mesocite Forcefield Manager。选择MS Martini并单击>>按钮打开力场。关闭对话框。

保存并关闭文档，将其重命名为MS Martini CIS.off。

首先，将定义珠子的力场类型。为MARTINI文件中列出的DPPC磷脂参数化类型。

由于Mesocite中没有珠子类型规则，因此需要手动将力场类型分配给珠子。可以使用Properties Explorer或Mesocite对话框执行此操作。在下文中，将使用Mesocite对话框。

从菜单栏中选择Modules | Mesocite | Calculation。

将打开Mesocite Calculation对话框。Setup选项卡可用于定义计算任务，Energy选项卡定义力场和非键项，Job Control选项卡用于设置计算参数。在自定义forcefield时，应选择导入的Martini版本，而不是标准版本。

选择Energy选项卡，然后从Forcefield下拉列表中选择Browse...。在Choose Forcefield对话框中，选择MS Martini CIS.off。

单击Forcefield后面的More...按钮以打开Mesocite Preparation Options对话框。

Mesocite Preparation Options对话框显示当前力场中所有力场类型的列表。现在，可以将选定类型分配给磷脂和溶剂结构中的选定珠子。

打开DPPC.xsd文档。在3D Viewer中，按下ALT键并双击任意C珠子。

将选择BeadTypeName为C的所有珠子。

在力场类型列表中选择C1，然后单击Assign按钮。对GL、PO和NC珠子类型重复此操作，按上表分配力场类型。

两种珠子类型，NC和PO，也分配了电荷。需要使用Properties Explorer或Charges对话框分配电荷。

选择PO珠子，并在Properties Explorer中将Charge设置为-1。对NC珠子重复此操作，将Charge设置为1。保存并关闭文档。

最后，需要将溶剂珠子的力场类型指定为高极性（P4）。

打开solvent.xsd文档。在Mesocite Preparation Options对话框中选择P4，单击Assign按钮并关闭对话框。保存并关闭文档。

现在，将通过为GL-PO-GL键角添加一个显式键角项来修改力场，该键角对应于力场类型Na-Qa-Na之间的角度。

打开力场文件MS Martini CIS.off，选择Interactions选项卡。从Show interaction下拉列表中选择Angle Bend。在空白一行中，将Fi和Fk设置为Na，将Fj设置为Qa。将Functional Form修改为Cosine Harmonic。

对于GL-PO-GL键角，Marrink等使用了一个120°的平衡键角，或T0，及一个10.8 kcal/mol (45 kJ/mol)的力常数。

将T0设置为120，K0设置为10.8。保存并关闭力场文件。

现在可以使用介观结构模板Mesostructure Template创建工具将构建介观分子体块结构。

【系列教程】

Materials Studio官方教程：Kinetix——CO在Pt(1 1 1)表面氧化的多位点模拟【1】

Materials Studio官方教程：Kinetix——蒙特卡洛方法模拟CO的氧化【1】

Materials Studio官方教程：GULP——拟合力场

Materials Studio是久负盛名计算模拟软件，问世20余年来，经过不断地迭代优化，使其功能异常强大，极易上手，初学者只需通过简单的参数设置和点击鼠标就能完成DFT计算。其计算可靠性久经考验，备受Nature、Science等顶级期刊认可。

华算科技和Materials Studio官方代理深圳浦华系统联合推出Materials Studio建模、计算、分析课程。课程专为零基础学员设计，沿着理论讲解、模型搭建、性质计算、结果分析层层递进讲解，带你快速入门DFT计算。课程极度注重实操，全程线上直播，提供无限回放，课程群在线答疑。（详情点击下方图片跳转）

识别下方二维码报名，或者联系手机13005427160。