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Hannes H. Loeffler 1 , Julien Michel 2  and Christopher Woods 3 STFC Daresbury, Scientific Computing Department, Keckwick Lane, Warrington WA4 4AD, [email protected] 2  School of Chemistry, University of Edinburgh, West Mains Road, Edinburgh EH9 3JJ 3  BrisSynBio, University of Bristol, Beacon House, Queens Road, Bristol BS8 1QU FESetup: a tool to automate relative alchemical free energy simulation setup Background: Free energy methods like Thermodynamic Integration (TI) or Free Energy Perturbation (FEP) can effectively estimate binding affinities of drug–like molecules.  Single topology relative alchemical free energy simulations are particularly efficient. Manual simulation setup is tedious, however, as each ligand must be parameterised, mappings determined, suitable runtime parameters chosen, etc. To overcome this bottleneck automation is a necessity. We develop the Python tool FESetup on the basis of the Sire simulation framework and the well–known chemoinformatics toolkits RDKit, Open Babel and antechamber. The FESetup Tool: Automatic setup for relative TI and FEP simulations with ligands; MM–PBSA is possible too Alchemical free energy simulation support for Amber, Gromacs, Sire, CHARMM/PERT Abstract MD engine for Amber, Gromacs, NAMD, DL POLY Amber family of force fields, GAFF (AM1/BCC) for ligands Atoms are automatically mapped using maximum common substructure search (MCSS): similarity defined such that atom or bond types ignored but complete rings only and ring–matches–ring Linux and OS X builds available: http://www.ccpbiosim.ac.uk/fesetup/ Future Plans: Support for other force fields and simulation packages Absolute free energies, side–chain mutations, etc Integration with Lomap2 (David Mobley lab) Scientific Computing Department Fig 1: Computation of the free energy of one leg of the relative binding free energy.  A second leg of the unbound mutation completes the thermodynamic cycle.  FESetup automates the setup and creates topologies and input files for simulation. Workflow Solution: Make use of existing, well–tested tools and integrate them into a workflow Open Babel for file format conversion, energy  minimisation, conformation search RDKit for graph–based mappings (MCSS) Sire: topology reader and data structures Antechamber: force field parameterisation for ligands e.g. AM1/BCC Leap: topology file creation Fig 2: Workflows in FESetup.  Receptor and ligand flows are independent from each other and can be combined into a complex.  The morph contains atom mappings and force field parameters. Goals: Automate what is possible and reasonable Make setup easier e.g. encode best practices Robustness of code Simple usage topology/ coordinates Ligand topology/ coordinates Ligand topology/ coordinates Receptor Ligand Ligand Receptor parameterize parameterize protonate minimisation/ MD minimisation/ MD minimisation/ MD Complex-Morph Morph Complex N N N N N S O O Ar X Y ΔΔG + N N N N N S O O Ar Z Y bind References: FESetup: DOI 10.1021/acs.jcim.5b00368 Applications: DOIs 10.1021/acs.jpcb, 10.1021/acs.jctc.5b00159, 10.1039/C4CP05572A

FESetup: a tool to automate relative alchemical free ...cisrg.shef.ac.uk/shef2016/talks/poster19.pdf · Alchemical free energy simulation support for Amber, ... Make use of existing,

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Page 1: FESetup: a tool to automate relative alchemical free ...cisrg.shef.ac.uk/shef2016/talks/poster19.pdf · Alchemical free energy simulation support for Amber, ... Make use of existing,

Hannes H. Loeffler1, Julien Michel2 and Christopher Woods3

1 STFC Daresbury, Scientific Computing Department, Keckwick Lane, Warrington WA4 4AD, [email protected]

2 School of Chemistry, University of Edinburgh, West Mains Road, Edinburgh EH9 3JJ3 BrisSynBio, University of Bristol, Beacon House, Queens Road, Bristol BS8 1QU

FESetup: a tool to automate relative alchemical free energy simulation setup

Background:

Free energy methods like Thermodynamic Integration (TI) or Free Energy Perturbation (FEP) can effectively estimate binding affinities of drug–like molecules.  Single topology relative alchemical free energy simulations are particularly efficient.

Manual simulation setup is tedious, however, as each ligand must be parameterised, mappings determined, suitable runtime parameters chosen, etc.

To overcome this bottleneck automation is a necessity.

We develop the Python tool FESetup on the basis of the Sire simulation framework and the well–known chemoinformatics toolkits RDKit, Open Babel and antechamber.

The FESetup Tool:

Automatic setup for relative TI and FEP simulations with ligands; MM–PBSA is possible too

Alchemical free energy simulation support for Amber, Gromacs, Sire, CHARMM/PERT

Abstract MD engine for Amber, Gromacs, NAMD, DL POLY

Amber family of force fields, GAFF (AM1/BCC) for ligands

Atoms are automatically mapped using maximum common substructure search (MCSS): similarity defined such that atom or bond types ignored but complete rings only and ring–matches–ring

Linux and OS X builds available: http://www.ccpbiosim.ac.uk/fesetup/

Future Plans:Support for other force fields and simulation packages

Absolute free energies, side–chain mutations, etc

Integration with Lomap2 (David Mobley lab)

Scientific Computing Department

Fig 1: Computation of the free energy of one leg of the relative binding free energy.  A second leg of the unbound mutation completes the thermodynamic cycle.  FESetup automates the setup and creates topologies and input files for simulation.

Workflow Solution:Make use of existing, well–tested tools and integrate 

them into a workflow

Open Babel for file format conversion, energy  minimisation, conformation search

RDKit for graph–based mappings (MCSS)

Sire: topology reader and data structures

Antechamber: force field parameterisation for ligands e.g. AM1/BCC

Leap: topology file creation

Fig 2: Workflows in FESetup.  Receptor and ligand flows are independent from each other and can be combined into a complex.  The morph contains atom mappings and force field parameters.

Goals:Automate what is possible and reasonable

Make setup easier e.g. encode best practices

Robustness of code

Simple usage

topology/coordinates

Ligand

topology/coordinates

Ligand

topology/coordinates

Receptor

Ligand Ligand Receptor

parameterize parameterize protonate

minimisation/MD

minimisation/MD

minimisation/MD

Complex-Morph

Morph Complex

NN

N

N

NSOOAr X

Y

ΔΔG+

NN

N

N

NSOOAr Z

Y

bind

References:● FESetup: DOI 10.1021/acs.jcim.5b00368● Applications: DOIs 10.1021/acs.jpcb, 

10.1021/acs.jctc.5b00159, 10.1039/C4CP05572A