CHARMM-GUI QM/MM Interfacer for a Quantum Mechanical and Molecular Mechanical (QM/MM) Simulation Setup: 1. Semiempirical Methods

QM/毫米 分子动力学 量子 背景(考古学) 计算机科学 计算科学 材料科学 物理 化学 计算化学 量子力学 生物 古生物学
作者
Donghyuk Suh,Abdul Raafik Arattu Thodika,Seonghoon Kim,Kwangho Nam,Wonpil Im
出处
期刊:Journal of Chemical Theory and Computation [American Chemical Society]
卷期号:20 (12): 5337-5351 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acs.jctc.4c00439
摘要

Quantum mechanical (QM) treatments, when combined with molecular mechanical (MM) force fields, can effectively handle enzyme-catalyzed reactions without significantly increasing the computational cost. In this context, we present CHARMM-GUI QM/MM Interfacer, a web-based cyberinfrastructure designed to streamline the preparation of various QM/MM simulation inputs with ligand modification. The development of QM/MM Interfacer has been achieved through integration with existing CHARMM-GUI modules, such as PDB Reader and Manipulator, Solution Builder, and Membrane Builder. In addition, new functionalities have been developed to facilitate the one-stop preparation of QM/MM systems and enable interactive and intuitive ligand modifications and QM atom selections. QM/MM Interfacer offers support for a range of semiempirical QM methods, including AM1(+/d), PM3(+/PDDG), MNDO(+/d, +/PDDG), PM6, RM1, and SCC-DFTB, tailored for both AMBER and CHARMM. A nontrivial setup related to ligand modification, link-atom insertion, and charge distribution is automatized through intuitive user interfaces. To illustrate the robustness of QM/MM Interfacer, we conducted QM/MM simulations of three enzyme–substrate systems: dihydrofolate reductase, insulin receptor kinase, and oligosaccharyltransferase. In addition, we have created three tutorial videos about building these systems, which can be found at https://www.charmm-gui.org/demo/qmi. QM/MM Interfacer is expected to be a valuable and accessible web-based tool that simplifies and accelerates the setup process for hybrid QM/MM simulations.
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