Amber

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Amber(Assisted Model Building with Energy Refinement)这个名词通常涉及两个产品:一个是一套生物分子模拟的分子立场;另一个是由TSRI&UCSF发布的包含代码和演示的分子模拟软件包,由AmberTools和Amber组成,Amber是一个多个程序的集合包,大约包含50多个程序,相互协调工作。

主要的程序有:

sander:Simulated annealing with NMR-derived energy restraints,用来自NMR的能量限制模拟退火。可以基于来自NOE的距离限制和扭转角限制、基于化学位移和NOESY值的性能损失函数,进行NMR的精细化。Sander也是用于分子动力学模拟的主程序,并且支持QM/MM(量化/动力学)运算。
       nmode:使用一阶和二阶导数信息进行简正模式分析的程序,用于寻找局域最小值,进行振动分析,寻找过渡态。
       LEaP:X-window程序,用于基本模型,AMBER坐标和参数/拓扑文件的创建。它包含分子编辑器,可以创建氨基酸残基并对大分子进行修饰。
       antechamber:该程序套件对大多数有机分子和金属配位中心自动产生力场描述。它从结构开始(通常是PDB格式),产生LEaP可识别的文件用于分子模拟。要求对蛋白质和核酸产生的力场与通常的Amber力场一致,另外还可以和高斯兼容,生成高斯计算的输入文件用于量化计算。
       ptraj和carnal:用于分析MD轨迹,计算参考结构的RMS偏差,氢键分析,时间相关函数,扩散特性,等。
       mm_pbsa:脚本,对MD轨迹自动后期处理,用连续溶剂方法进行热力学分析。它能够把能量归属到不同的氨基酸残基片断中去,并估算不同构像之间的自由能量差。
       pmemd:这是一个在sander基础上进行重大修改的程序(最初由Bob Duke发起),用于优化周期性、PME模拟以及GB模拟过程。新版本Pmemd的计算速度要比Sander快,而且更适用于并行。此外,11版新增NVIDIA GPU加速,因此,它通常是一可选程序,除非你需要的选项它不支持。在新版模型中,我们可以理解为:sander是研究新的性质的有效手段,pmemd如同“生产”的代码,是实现Sander最常用的一个行之有效的工具,在高性能环境中表现良好。
       ptraj:这是用来分析MD轨迹,计算的各种数据,如:相关结构的均方根偏差,氢键分析,时间相关函数,扩散行为等等。


9.0版的新增功能:
      力场:新增多种新的力场类型,包括:对已有的f99和ff02蛋白质力场进行的升级,对肽和蛋白质的扭转参数做了改善;新的联合原子力场,使用与ff03全原子力场类似的驱动体系;扩充了gaff力场,增加了分子的适用范围,特别是对共轭体系;支持Ren和Ponder的AMOEBA极化势;半经验的价键模型,可用于对化学反应构造近似的势。

QM/MM模拟:QM/MM支持气相、隐含液相,以及周期边界条件模拟,体系的QM部分可以来自半经验方法,如MNDO,AM1,PM3,或PM3/PDDG。与早期版本相比,QM/MM改善了精度、能量收敛及程序的性能。气相或溶剂层的QM/MM模拟还可以用MNDO/d或SCC-DFTB哈密顿量。对已几百个原子的大型量子区,可以使用分而治之的线性标度方法,化学位移可以从半经验波函计算。

广义Born模型:成对的分子体积校正,对于分子表面Poisson-Boltzmann和显式溶剂结果的符合程度,比以前的Amber GB模型更好。

升级了Poisson-Boltzmann应用程序,包括:新的非键程序;基于显式溶剂自由能模拟,重新优化的原子空穴半径;改善了静电势显示选项;以及新的非极化溶剂模型用于直接处理弥散相互作用,可以极大地改善显式溶剂中非极化溶剂自由能的关联。

拉皮筋的模拟方法,用于搜索复变换中的近似过渡态。自动导向的Langevin动力学方法可以加速构象搜索。

路径积分分子动力学模拟,对核运动使用量子动力学而不是牛顿方程,用于简化平衡正则分布。

用Jarzynski等式,从非平衡“靶向”或“拉伸”模拟估算自由能。

升级了仿形交换方法,包括改善了标准仿形交换代码,并支持一些新的仿形交换方法,其中使用混合溶剂模型,对显式溶剂中的大体系可减少所需的仿形数量。

对扩充的程序pmemd在速度和并行标度方面的一般改善,现在包含了广义Born功能。

sander,pmemd和ptraj现在支持NetCDF二进制轨迹文件。与格式化的轨迹文件相比,二进制轨迹文件更小,精度更高,读写速度更快。NetCDF为文件可移植性提供了交叉结构,允许格式向下兼容,并使文件自说明。VMD1.8.4支持此文件格式。


10.0版的新增功能:
      力场:多种新的力场类型,包括新的水及离子模型;更新了核酸和碳水化合物的参数;并行支持AMOEBA极化势;改善了经验价键模型,可用于构造化学反应的近似势。

QM/MM模拟:可以在周期溶剂箱中或用广义Born溶剂模型进行DFTB计算;代码更快并实现并行化。

自适应偏置模拟可用于加速取样和自由能的收敛。

路径积分分子动力学模拟,对核运动使用量子动力学而不是牛顿方程来进行平衡正则分布取样。通过对质量的热动力学积分,可以估计平衡同位素效应和和动态同位素效应。用量子瞬时模型估算速率常数,可以用环形聚合物MD或中心MD方法计算近似的量子时间关联函数。

在ptraj中提供了一套新的构型聚合工具。

新的自由能工具可以简化蛋白质突变的设置,可进行单、双拓扑。软芯势工具可用于有原子出现或消失的取样,不用创建虚原子。

更新了复制交换方法,包括:改善标准的复制交换代码,支持非波尔兹曼热库的交换方法;使用杂化溶剂模型减少溶剂中大体系所需的复制数量。

显著改善了扩展pmemd程序的速度和并行标度,现在包含了广义Born热容,支持偏中心电荷(与在TIP4P或TIP5P中相同)。

完全包含了低模式(LMOD)搜索工具,它基于低频简正模式。


11.0版的新增功能:
      力场:支持大部分CHARMM的固定电荷立场,包括CMAP扭转势能。此外,GAFF得到了更新,使普通的Amber立场适用于有机分子。

一种新的生成溶剂化模型的参数化方法,可用于多肽和蛋白质的优化。

扩展用于Poisson-Boltzmann溶剂化数值计算的选项。

基于Kovalenko-Hirata以及其他的相关近似,可采用3D-RISM积分模型评估溶剂化影响。

新整合了Chimra可视化程序和UCSF DOCK程序。

自由能计算方法通过改变哈密尔顿模型使之简化,同时包括原子的更好呈现和隐藏。

Amber 11包含了一个新的弹性键模型工具,目的是找出构象变化过程中低能路径,它只用于体系的某一部分或者在确切的溶剂模拟过程中。

更新了恒定PH模拟脚本和MMPB/SA自由能计算脚本。

新增了各向同性总和模型的“极性”版本,以及IPS-DFFT接口。

cards 进行 pmemd 动力学模拟的速度要比传统的 CPU 的快很多


14.0版本新增功能
      AMBER14主要对GPU部分代码进行了大量的优化,使其性能与AMBER12相比,提升了近30%;

在GPU版本中引入了混合固定精度模型,支持几块GPU卡之间的点对点通信,大幅提高了其并行效率;

在GPU版本中新增了基于温度和哈密顿的副本互换算法;

在GPU版本中新增了蒙特卡洛恒压算法(Monte Carlo barostat)使得NPT的模拟性能接近于NVT;

在GPU版本中新增支持ScaledMD模拟,Jarzynski取样,等pH值的显性水模拟,可以使用NMR的结构限制功能;

对GBSA计算及其他AMBER12中出现的故障和错误进行了修订。


18新功能
      Ambertools18于2018年4月17日发布,主要包括如下程序功能:
      NAB/SFF:主要用于构建分子,进行MD模拟及在进行GB,PB或3D-RISM隐性溶剂模拟时使用距离几何限制;
      antechamber和MCPB用于有机小分子或含金属离子的分子力场构建;
      tleap和parmed:用于产生amber MD模拟所需的力场及坐标文件;
      sqm: 半经验及DFTB量子力学模拟程序;
      pbsa: 求解Poisson-Boltzmann方程,获得溶剂化能;
      3D-RISM:求解溶剂化过程,并可预测蛋白表面溶剂位置;
      sander: 主要的MD模拟程序
      cpptraj和pytraj主要的MD分析程序
      MMPBSA.py和amberlite: MD 轨迹能量分析工具。


      18中增加的新功能
      pbsa计算目前支持GPU
      支持等pH模拟的λ-dynamics方法
      新的构建磷脂膜的工具packmol_memgen
      sander中增加新的积分算法(middle)可支持更长时间步长
      使用新的基于cmake的编译工具
      对cpptraj软件进行优化和扩展,如可以获得PME模拟所得的某一帧构象的能量,提高速度


      Amber18最主要的优化是在pmemd程序上,尤其是对其GPU版本,速度上有了非常大的提高。新功能包括:
      GPU支持下的TI和FEP自由能计算;
      GPU支持12-6-4离子势能;
      CPU版本目前支持区域划分的并行策略,大大提高速度;
      GPU支持Nudged elastic band方法的计算;
      GPU支持等pH模拟;
      对最新型的GPU卡如Maxwell, Pascal 和Volta 等优化,亲测,速度与16相比快很多;
      提供新的支持可极化立场amoeba的新程序pmemd.gem.


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