【计算教程014期】使用DPD研究表面活性剂对磷脂双分子层的影响
从本教程你可以看到如何使用介观研究工具建立以及模拟磷脂双分子层。基于Groot和Rabone的论文（R.D. Groot and K.L. Rabone, "Mesoscopic Simulation of Cell Membrane Damage, Morphology Change, and Rupture by Nonionic Surfactants", Biophysical Journal, 2001, 81, 725-736.），模拟在脂质膜上添加表面活性剂的效果。
目前，常见的介观模拟方法包括：
1）基于保守力、耗散力以及随机力描述珠子间相互作用的耗散粒子动力学 （DPD,Dissipative Particle Dynamics）
2）基于Martini、Shinoda力场描述珠子间相互作用的粗粒化分子动力学（CGMD, Coarse - Grained Molecular Dynamics）
3）基于朗之万方程（ Langevin equation ）的平均场密度泛函方法（ Mean-Field Density Functional Method ）。
◆ ◆ ◆ ◆ ◆
今天我们讲的是Mesocite（耗散粒子动力学、粗粒化分子动力学）；以后有机会再介绍MesoDyn（平均场密度泛函方法）。
依旧是操作notes加上视频教程。如果有看不懂的地方，可以参考MS2018自带教程的Effects of surfactant on a lipid bilayer using DPD这一篇。
本次实操用的是Materials Studio 2018，以下是视频的notes。我在视频中没做多核并行计算操作，大家在做的时候要根据实际情况设置计算用的核数。
视频教程获取地址见文末
01 新建一个名为DPD_lipid的project
02 将MS里面的相关设置进行reset
如果你之前的电脑做过Mesocite计算，你应该和我一样做这步操作。Tools | Settings Organizer
03 建立输入模型
Groot and Rabone在文章中的粗粒化方法是 用一个珠子代表三个水分子（W）。室温下水分子体积为30Å3，因此他们将小珠的体积定义为（3×30）= 90Å3。在每单位体积三个珠子的标准密度下，这等于(3×90)1/3 = 6.46Å的基本长度单位。
同样，假定水分子的质量为18 amu（atomic mass units），则珠的质量为（3×18）= 54 amu。在本教程中，将基于水使用这些质量和长度单位。长度单位也将充当珠子的直径，对应于半径6.46 / 2 = 3.23Å。
Groot and Rabone的粗粒化方法中。一个珠子还会映射到三个碳原子（C）或1.5个环氧乙烷基团（E）。它们的密度和分子量略有不同。虽然在DPD计算中可以使用不同质量的珠子，但这方面的效果几乎没有得到证实。因此，在本教程中，您将对所有小珠使用相同的质量。
由于C和E珠用于脂质和表面活性剂分子中，因此将使用CL和EL表示脂质，使用CS和ES表示表面活性剂来区分它们。这对于计算不是必需的，但确实增加了双层可视化的清晰度。
Build | Build Mesostructure | Bead Types
Defaults...
Mass：54
Radius：3.23
CL, CS, EL, ES, H, W
Build | Build Mesostructure | Mesomolecule
1 W water.xsd
4 ES，4 CS surfactant.xsd
2 H，1EL 点击EL加支链，5 CL，勾选Add to branch points lipid.xsd
Mesocite | Forcefield Manager
DPD...
激活lipid.xsd 也就是双击一下 Type
surfactant.xsd water.xsd 同操作
Build | Build Mesostructure | Mesostructure Template
Extent (X Y Z) ：90，90，90
Filler：solvent
Build
要为膜构建slab，您将向模板中添加slab成型器，该模板位于盒子的中间，法线沿x方向放置。
Former type：Slab
Set the Depth：30.0
Filler ：membrane
Add
至此模板建好了，然后需要向其中填分子。
Build | Build Mesostructure | Mesostructure
激活template文件
刚刚定义模板时候定义了两个层属性，一个是溶剂solvent，一个是膜membrane。此处我们需要用water填充溶剂层，用lipid和surfactant填充膜层。
Mesoscale Molecule
Density：1 g/cm3
solvent filler：water.xsd.
membrane filler：lipid.xsd，surfactant.xsd.（N/N）
（50/50） W70_L50_S50.xsd.
（20/80） W70_L20_S80
（0/100） W70_S100
（100/0） W70_L100
保存project
04 平衡结构
打开 W70_L50_S50.xsd.
Modules | Mesocite | Forcefield Manager
DPD...
Units：Reduced
More...
Length scale：6.46
Mass scale：54
DPD互斥参数aij 和Flory-Huggins Chi 的参数χ关系如下式所展示的：
aij 使用的是Reduced units.
这里解释一下Physical units和Reduced units。
Physical units是Mesocite和Forcite的常用单位，基于Å，ps，amu和kcal/mol
Reduced units是DPD特有的，长度单位通常用相互作用的截止半径rc，质量单位为一个小珠，能量单位为参考温度（通常为298 K）下kBT。
Flory-Huggins Chi 的参数χ怎么求，八仙过海各显神通。可以通过计算得到也可以通过查阅文献得到。
本教程中直接取用下表中数值。
Create DPD Forcefield
set the Repulsions to the values shown in the table above
Create
生成的力场文件重命名为GrootRaboneSet1.off
Modules | Mesocite | Calculation
激活W70_L50_S50.xsd
Energy
Forcefield：GrootRaboneSet1
Summation method 右边的More...
Cutoff distance：6.46
Spline width：0
Setup tab
Mesocite Calculation-Task：Geometry Optimization
其他同理
05实跑
激活W70_L50_S50.xsd（优化后的那个）
Modules | Mesocite | Calculation
Task：DPD
More...
Number of steps：50000
Frame output every：2000
Run会消耗很多的时间 可以去喝杯茶
其他同理
保存project
06 分析计算结果
打开上面跑完的.xtd轨迹文件 按住Alt键 双击water球
Edit | Edit Sets
New...
water
取消勾选Show set
OK
右击3D窗口，Display Style
Display style：None.
Modules | Mesocite | Analysis
Concentration profile
Trajectory ...
Trajectory Specification
6-END
Sets：water
勾选Specified direction 默认是（1 0 0）
Analyze
其他同理，需要提醒的是这里的Trajectory Specification：6-END每个计算都要设置，和其他计算的一次设置重复使用是有区别的。
建表将每次分析的Concentration profile整合起来看一下
Modules | Mesocite | Analysis
Mean square displacement
Sets：water
勾选 Include anisotropic components
Analyze
建表将MSD数据xx component标签页的数据整合起来看一下，作图
您应该看到，随着增加表面活性剂的百分比，脂质层变得不稳定。这导致水珠移动通过双层。对于100％脂质系统，双层中没有孔，水不能从一侧渗透到另一侧。但是，在表面活性剂为100％的情况下，水珠的相对浓度在该层应位于的较高位置，表示该层中有孔。
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