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EnzyHTP: A High-Throughput Computational Platform for Enzyme Modeling

分子动力学 计算机科学 分子力学 工作流程 Python(编程语言) 计算 分子模型 QM/毫米 化学 计算科学 计算化学 数据库 立体化学 算法 操作系统
作者
Qianzhen Shao,Yaoyukun Jiang,Zhongyue Yang
出处
期刊:Journal of Chemical Information and Modeling [American Chemical Society]
卷期号:62 (3): 647-655 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acs.jcim.1c01424
摘要

Molecular simulations, including quantum mechanics (QM), molecular mechanics (MM), and multiscale QM/MM modeling, have been extensively applied to understand the mechanism of enzyme catalysis and to design new enzymes. However, molecular simulations typically require specialized, manual operation ranging from model construction to data analysis to complete the entire life cycle of enzyme modeling. The dependence on manual operation makes it challenging to simulate enzymes and enzyme variants in a high-throughput fashion. In this work, we developed a Python software, EnzyHTP, to automate molecular model construction, QM, MM, and QM/MM computation, and analyses of modeling data for enzyme simulations. To test the EnzyHTP, we used fluoroacetate dehalogenase (FAcD) as a model system and simulated the enzyme interior electrostatics for 100 FAcD mutants with a random single amino acid substitution. For each enzyme mutant, the workflow involves structural model construction, 1 ns molecular dynamics (MD) simulations, and quantum mechanical calculations in 100 MD-sampled snapshots. The entire simulation workflow for 100 mutants was completed in 7 h with 10 GPUs and 160 CPUs. EnzyHTP improves the efficiency of computational enzyme modeling, setting a basis for high-throughput identification of function-enhancing enzymes and enzyme variants. The software is expected to facilitate the fundamental understanding of catalytic origins across enzyme families and to accelerate the optimization of biocatalysts for non-native substrates.
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