GROMACS (http://www.gromacs.org) は生体高分子のシミュレーションのための主要ソフトウェアパッケージの一つである。 生物学的に関連した大規模な系のシミュレーションを行うことを目的としており、効率的であることと、多くの異なる系の研究を可能にする柔軟性の両方に重点を置いています (このページの下にある例を参照してください)。 このプログラムは世界中の研究グループに使用されており、ここ数年の間に、直接または間接的にこのプログラムに基づいて出版された数百の論文があります (Scopus でこのプログラムの使用を検索した結果については、以下の図を参照してください)。
Licence
GROMACS はフリーソフトウェアです。あなたは、Free Software Foundation が発行した GNU Lesser General Public License
のバージョン 2.1 または (あなたの選択により) それ以降のバージョンのいずれかの条項に従って再頒布または修正することが可能です。
GROMACS は有用であることを願って配布されていますが、市場性あるいは特定目的への適合性の暗黙の保証もなく、いかなる保証もありません。 3661>
Involvement in Bioexcel
GROMACS は Bioexcel の一部で、あらゆる生体分子システムのシミュレーションのためのフレームワークを提供するもので、生体関連システムのシミュレーションに効率的で、かつ迅速に機能を拡張する能力により、異なる使用ケースに適用する柔軟性も備えたツールを開発しています。 GROMACSは任意に大きなシステムをシミュレートできるため、プログラムに関与する他のプログラムによって提供される知識を組み合わせて、研究されているシステムをよりよく理解することが可能です
Bioexcelの一部としてさらなる開発
GROMACS の既存の機能を拡張し、他のプログラムが主シミュレーションエンジンとのインターフェースに使用できる API フレームワークを提供することを目的としています。 これは、他のプログラムがシミュレーションに使用される効率的なコアルーチンに直接インターフェースすることができるため、より生物学的および化学的に関連する系に使用可能な範囲をさらに広げることが可能になる。
これに加えて、KTH と MPG のパートナーは、GROMACS と他のシミュレーション・コードの両方について、性能、拡張性、品質、使いやすさの向上に貢献します。
- QA、ユニットテスト、生体分子モデリングの一般ライブラリ
GROMACS は、ユニットテストを完全に行い、すべてのモジュールについて最新のユーザー & 開発者ドキュメントを備えた最先端のモジュールベースの C++ ライブラリに生まれ変わる予定です。 プロジェクトは、(主要な開発者を含む) 厳格なコードレビューと、すべてのパッチがコンパイルされ、幅広いハードウェアとコンパイラでユニットテストされる自動継続的インテグレーションを導入することにより、専門的な QA 設定へと移行し、すべての変更を QA-approve し、どのインストールサイトもそのコンパイルしたインストールの品質を保証することができるようにします。
明示的なマルチスレッドとマルチレベルのロードバランシングにより、各ノードで利用可能なすべての CPU、アクセラレーター、および通信リソースが並行して使用される新しい異種並列化実装、および CUDA に加えて OpenCL および Xeon Phi アクセラレーターの新しいサポートを開発します。 - 効率的なアンサンブル技術
現在の最も強力なアプローチのいくつかは、マルコフ状態モデルや自由エネルギー計算などのアンサンブルサンプリング技術に数百または数千ものシミュレーションを使用していることがベースになっています。 私たちは、アンサンブルシミュレーションのためのCopernicusフレームワークをGROMACS（Pronk et al.2011）と完全に統合することにより、これらのアプローチを一般のユーザーが利用できるようにする予定です。 これにより、高レベルのサンプリングや自由エネルギー計算の問題を、内部で何十万ものプロセッサを使用できるブラックボックス計算問題として定式化することが可能になります。 これは、ハイスループットな自由エネルギースクリーニングの応用において特に重要である。 - 他のアプリケーションとのデータ交換を容易にし、完全自動のハイスループットシミュレーションを可能にするために、XMLで分子を記述する公開データ形式、データの完全性を保証するデジタルハッシュと署名をサポートする高圧縮軌道形式、および例えば使用する任意の低分子用の相互作用記述（トポロジー）を自動的に作成する新しいツールを開発しています。たとえば、CHARMM、GAFF、または OPLS-AA などの多くの異なる力場をターゲットとする薬剤化合物として使用します (Lundborg & Lindahl 2014)。
- 自由エネルギー計算の最も有望な潜在アプリケーションには、アミノ酸スキャン実験の予測、または結合を改善するために小分子がどのように変更されるべきかなどが含まれます。 現在、これは、大きな変化に対する絶対自由エネルギーを計算する (これは大きな統計誤差を引き起こす) か、残基または薬剤が関連する分子に直接モーフィングされるトポロジーを手動で設計するという要件のいずれかによって妨げられています。 BioExcelの一部として、我々は、任意のアミノ酸を他のアミノ酸に自動的にモーフィングし、薬物化合物をできるだけ小さな摂動を保ちながら関連する誘導体に自動的に変換する新しいモジュールを開発し統合することによって、自由エネルギー計算をこれらのハイスループット環境で適用できるようにします。 自動トポロジー生成やアンサンブルシミュレーションと組み合わせることで、分子シミュレーションは24～48時間で分子や結合の安定性をスクリーニングできるツールとなり、製薬業界におけるドラッグデザインの用途に大きな影響を与えることになるでしょう。
開発インフラ
プログラムコードとシミュレーション結果の正確さを保証し、社内外の協力を得て開発を進めるため、最新のソフトウェア開発に関連するベストプラクティスを採用しています。
- ソースコードのバージョンとリビジョンの管理はバージョン管理システムとしてgitを使用し、GROMACSリポジトリは
git clone git://gitlab.com/gromacs/gromacs.gitまたはhttps://github.com/gromacs/gromacsでチェックアウトすることが可能です。 git は、世界中の開発者からの貢献や開発を可能にすると同時に、効率的なバージョン管理を可能にします。
- GROMACS のコードは GitLab を使って手動および自動でレビューされており、新しい貢献や既存のコードベースへの変更がメインの配布物に含まれる前に複数のコア開発者の検査にパスできることを保証しています。 GROMCAS コードレビューサーバは https://gitlab.com/gromacs/gromacs.
- GitLab CI の使用により、メインブランチに含まれる前と後の各変更に対して継続的な統合テストが実行されます。 これは、各変更が含まれる前に移植性に関する多くのテストに合格するだけでなく、既存の機能に対する広範なテストを通じて、いかなる変更もエラーをもたらさないことを保証します。 GROMACS テストも同様に GitLab を使用して実行される。
- プログラムの新規および既存の部分は、コードレビューおよび CI システムに統合されたユニットおよび回帰テストのインフラストラクチャを使用して広範囲にテストされる。
- ドキュメント化の基準は、機能をドキュメント化してプログラムのリファレンスマニュアルに含めるための標準ツールとして Doxygen (doxygen.org) を使用して強制される。
- GitLabに統合された課題追跡システムを使用しており、GROMACSの課題追跡システムで課題を開くことで、プログラムのエラーを特定し、ユーザーと開発者が協力して修正することができます。
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トレーニングおよびサポート活動
GROMACSのユーザーおよび開発希望者が、アプリケーションや修正に関する質問をするためのいくつかの方法を提供しています。
Software description
Simulation of biological macromolecules has been a niche statistical-mechanics method to one of the most widely applied biophysical research tools and is used far outside theoretical chemistry.This is also a place to get more information about new and coming features for future versions.Software description
生体分子のシミュレーションは、ニッチな統計力学手法から、最も広く応用できる生物物理学の研究ツールへと発展しており、理論化学以外の分野でも使われています。 スーパーコンピューターは、今や化学における遠心分離機や試験管と同じくらい重要なものとなっています。 2013年のノーベル化学賞で紹介されたように、統計力学に基づく分子動力学は、材料化学からタンパク質、DNA、RNA、膜に至るまで、数百万の原子を含む系について、室温で現実の環境における原子の運動をシミュレーションすることを可能にするものである。 分子動力学の基本的なアルゴリズムは、システム内のすべての原子にかかる力を評価し、ニュートンの運動方程式に従って原子の速度と位置を更新する。 この数値積分法は何十億ステップも繰り返され、系の熱力学的アンサンブルを記述する一連のサンプルを生成する。 タンパク質のような分子がどのように動くかを正確に記述できるのはもちろん、化学反応を記述する自由エネルギー、たとえばタンパク質の活性部位における薬剤候補化合物の結合自由エネルギーや、リガンドが特定のコンフォメーションを安定化させてイオンチャネルを開閉する方法などを計算することもできるのである。 力の計算は多数のアルゴリズムで必要とされるため、他のいくつかのパッケージでは、たとえばドッキングや、X 線、NMR、低温電子顕微鏡データなどの実験的拘束を使用して構造を精密化する際に、エネルギーを評価するライブラリとして分子シミュレーション ツールキットを使用しています。 GROMACS、 NAMD、 AMBER、 CHARMM などの分子モデリング用の標準パッケージの出現は、 シミュレーション研究の商品化に貢献し、 シミュレーション開発の専門家ではないライフ サイエンス応用研究者がその技術を利用できるようにしたため、 非常に重要な意味を持ちました。 これらのパッケージはすべて補完的な強みと特性を備えており、この分野は歴史的な競争から広範なアイデアの共有へと移行しています。 GROMACS は世界で最も広く使われている科学ソフトウェアパッケージの一つで、合計で約 20,000 回引用されています (Hess et al. 2008, Pronk et al. 2013)。生体分子研究において最大のフリーソフトウェアおよびオープンソースアプリケーションであり、主要分子力学シミュレーションパッケージで唯一、ヨーロッパで開発が率いられています。
GROMACS プロジェクトは 1995 年に史上初の並列シミュレーションコードとして始まり、国際開発チームは KTH パートナーによって主導されて、シミュレーション効率と一般性に強く焦点を当てたプロジェクトとなっています。 GROMACSは、一般的な力場をすべてサポートする唯一のパッケージであり、非常に幅広いシミュレーション・アルゴリズムを備えています。 このことは、非常に自由な（そしてビジネスに適した）ライセンスと相まって、例えばバイオインフォマティクスやFolding@Homeのような分散コンピューティングプロジェクトなど、他のいくつかのアプリケーションでシミュレーション、最小化、エネルギー評価ライブラリとして使用されている大きな要因であると思われます。 コードは非常に幅広いプラットフォーム（組み込みも含む）に移植可能で、12種類の異なるアーキテクチャの命令セット用に手動で調整されたアセンブリカーネルと、Nvidia GPUとCUDA、AMD GPUとOpenCL、Xeon Phiプロセッサの両方にネイティブで対応するアクセラレータを含んでいます。 このパッケージは、最先端の中立領域領域分割とマルチレベル並列化を使用して、スーパーコンピューターの数万ノードへのスケーリングと、アクセラレーターによる効率的な高スループット コンピューティングの両方を可能にします (Pall et al. 2014)。 一般に分子動力学シミュレーション、特にGROMACSは、膜や膜タンパク質などの大規模で複雑な生体分子系の研究を可能にし、どんな実験的手法でもアクセスできないような原子レベルの詳細を探ることを可能にしたのです。 分子シミュレーションは、開いたチャネルのX線構造に基づいて、イオンチャネルの静止状態の最初の高解像度モデルのいくつかを提供し（Vargas et al. また、GROMACSは、膜タンパク質による脂質の最初の特異的分子認識の予測（Contreras et al.2012）や、神経系のリガンドゲートイオンチャネルの増強および抑制結合部位を別々に特定したシミュレーション（Murail et al.2012）にも使用され、この結果は現在いくつかのグループによって、より優れた薬物の設計に利用されています
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