×
克里斯托弗·库珀。;巴巴，洛伦娜·A。

蛋白质-表面静电相互作用的Poisson-Boltzmann模型和网格收敛研究PyGBe公司代码。 （英语） Zbl 1348.92008号

计算。物理学。Commun公司。 202, 23-32 (2016).
摘要：表面和蛋白质之间的相互作用发生在许多重要过程中，在生物技术中至关重要：控制特定相互作用的能力在生物材料、生物医学植入物和生物传感器等领域至关重要。在后一种情况下，生物传感器的灵敏度取决于配体蛋白以良好的方向吸附在生物活性表面上，使反应位点暴露于目标分子。蛋白质吸附是一个自由能驱动的过程，很难进行实验研究。本文通过泊松-玻尔兹曼方程建立并评估了一个计算模型，用于研究蛋白质与带电纳米表面的静电相互作用。我们扩展了开源代码PyGBe中使用的隐式解决方案模型，以包括施加电荷或电势的表面。该代码求解了泊松-玻尔兹曼方程的边界积分公式，并用表面元素离散。PyGBe的核心是一个树码加速的Krylov迭代解算器，可实现\（O（N\log N）\）缩放，通过在通用程序单元它计算溶剂化和表面自由能，为研究静电对吸附的影响提供了一个框架。我们推导了带电球面与介质球腔相互作用的解析解，并将其用于网格收敛研究，以证明我们方法的正确性。研究表明，误差随边界元平均面积衰减，即方法为（O（1/N），这与我们之前使用PyGBe的验证研究一致。我们还使用真实分子几何（蛋白质GB1D4'）研究了网格收敛性，在这种情况下，使用Richardson外推（在没有分析解的情况下），并确认了O（1/N）标度。通过这项工作，我们现在可以访问一个全新的问题家族，这是其他主要的生物静力学解决方案（如APBS）无法处理的。PyGBe是MIT许可下的开源软件，在版本控制下托管于https://github.com/barbagroup/pygbe为了补充本文，我们用Python编写了由运行脚本和后处理脚本组成的“再现性包”，用于复制网格收敛研究，一直到用单个命令生成最终绘图。

引用于1文件

MSC公司：

92-08 生物学问题的计算方法
92C05型 生物物理学
78A70型 光学和电磁理论的生物学应用
78A30型 静电和磁力静力学
78M15型 边界元法在光学和电磁理论问题中的应用

关键词：

生物分子静电;蛋白质表面相互作用;隐式溶剂;泊松-玻尔兹曼;边界元法;树码

软件：

CUDA公司;TABI公司;github;禁忌;PyGBe公司;蟒蛇;产品开发B2PQR
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
\textit{C.D.Cooper}和\textit{L.A.Barba}，计算。物理学。Commun公司。202，23-32（2016；Zbl 1348.92008）
全文： DOI程序 arXiv公司

参考文献：

[1] Gray，J.J.，《蛋白质与固体表面的相互作用》，Curr。操作。结构。生物学，14，110-115（2004）
[2] 拉贝，M。；Verdes博士。；Seeger，S.，《理解固体表面的蛋白质吸附现象》，高级胶体界面科学。，162, 87-106 (2011)
[3] 米贾伊洛维奇，M。；佩纳，M.J。；Biggs，M.J.，通过非平衡分子动力学在液/固界面上对肽的吸附自由能，Langmuir，29，9，2919-2926（2013），pMID:23394469
[4] 鲁克斯，B。；Simonson，T.，隐式溶剂模型，生物物理。化学。，78, 1-20 (1999)
[5] Bardhan，J.P.，《生物分子静电学——我想要你的溶剂化（模型）》，计算。科学。光盘。，5, 013001 (2012)
[6] Yoon，B.J。；Lenhoff，A.，蛋白质和带电表面之间静电相互作用能的计算，J.Phys。化学。，96, 3130-3134 (1992)
[7] 罗斯，C.M。；Lenhoff，A.M.，静电和范德华对蛋白质吸附的贡献：平衡常数的计算，Langmuir，962-972（1993）
[8] Asthagiri，D。；Lenhoff，A.M.，静电驱动蛋白质吸附建模中结构细节的影响，Langmuir，13，6761-6768（1997）
[9] 姚，Y。；Lenhoff，A.M.，离子交换色谱中静电对蛋白质保留的贡献。1.细胞色素c变异体，分析。化学。，76, 6743-6752 (2004)
[10] 姚，Y。；Lenhoff，A.M.，离子交换色谱中静电对蛋白质保留的贡献。2.具有不同程度结构差异的蛋白质，Anal。化学。，77, 2157-2165 (2005)
[11] 罗斯，C.M。；Neal，B.L。；Lenhoff，A.M.，涉及蛋白质的范德华相互作用，生物物理学。J.，70，977-987（1996）
[13] 库珀，C.D。；Bardhan，J.P。；Barba，L.A.，使用Python、GPU和边界元素的生物分子静电解算器，可以处理填充溶剂的空腔和Stern层，计算。物理学。Comm.，185，3，720-729（2014），arXiv上的预印本：/1309.4018·Zbl 1360.78047号
[14] 田岛，N。；Takai，M。；Ishihara，K.，抗体定向的重要性揭示：定向良好的抗体记录了高结合亲和力，Ana。化学。，83, 1969-1976 (2011)
[15] 特里林，A.K。；比奎尔德，J。；Zuilhof，H.，《生物传感器表面上的抗体定向：一项小型综述》，《分析家》，1381619-1627（2013）
[16] 库珀，C.D。；北卡罗来纳州克莱门蒂。；Barba，L.A.，《探测带电纳米表面附近的蛋白质取向以进行模拟辅助生物传感器设计》，J.Chem。物理。，143，12，第124709条，pp.（2015），arxiv预印本：1503.08150
[17] Yoon，B.J。；Lenhoff，A.M.，《具有电解质效应的分子静电的边界元法》，J.Compute。化学。，11, 9, 1080-1086 (1990)
[18] Juffer，A.H。；博塔，E.F.F。；van Keulen，B.A.M。；van der Ploeg，A。；Berendsen，H.J.C.，《溶剂中大分子的电势：基本方法》，J.Compute。物理。，97, 144-171 (1991) ·Zbl 0743.65094号
[19] Lu，B。；Cheng，X。；黄，J。；McCamon，J.A.，生物分子系统中静电相互作用计算的有序\（N\）算法，Proc。国家。阿卡德。科学。美国，103，51，19314-19319（2006）
[20] 巴贾杰，C。；陈S.C。；Rand，A.，基于泊松-玻耳兹曼的分子静电学的高效高阶快速多极边界元解，SIAM J.Sci。计算。，33, 2, 826-848 (2011) ·Zbl 1227.92005年
[21] 医学博士奥尔特曼。；Bardhan，J.P。；怀特，J.K。；Tidor，B.，使用线性化的泊松-玻尔兹曼方程和弯曲边界元精确求解多区域连续静电问题，J.Compute。化学。，30132-153（2009年）
[22] Geng，W.H。；Krasny，R.，用于溶解生物分子的树加速边界积分Poisson-Boltzmann解算器，J.Compute。物理。，247, 62-78 (2013) ·Zbl 1349.78084号
[23] 赫斯，J.L。；Smith，A.，关于任意物体的势流计算，Prog。Aerosp.航空公司。科学。，8, 1-138 (1967) ·Zbl 0204.25602号
[25] Greengard，L。；Rokhlin，V.，《粒子模拟的快速算法》，J.Compute。物理。，73, 2, 325-348 (1987) ·兹比尔062965005
[26] 巴恩斯，J。；Hut，P.，《一种分层的（O（N\log N）力计算算法》，《自然》，32446-449（1986）
[27] 菲利普斯，J.R。；White，J.K.，《复杂三维结构静电分析的预校正傅里叶变换方法》，IEEE Trans。计算-辅助设计。集成。电路系统。，16, 10, 1059-1072 (1997)
[28] 李，P。；约翰斯顿，H。；Krasny，R.，《屏蔽库仑相互作用的笛卡尔树码》，J.Compute。物理。，228, 3858-3868 (2009) ·Zbl 1165.78304号
[29] Chan，D.Y。；米切尔，D.J.，《电双层的自由能》，J.胶体界面科学。，95, 1, 193-197 (1983)
[30] Carnie，S.L。；Chan，D.Y.，相同球形胶体粒子之间的相互作用自由能：线性化泊松-玻尔兹曼理论，胶体界面科学杂志。，155, 297-312 (1993)
[31] 卡尼，S.L。；Chan，D.Y。；Gunning，J.S.，不同球形胶体颗粒之间以及球体和平板之间的双电层相互作用：线性化的泊松-玻尔兹曼理论，Langmuir，102993-2009（1994）
[32] 洛坦，I。；Head-Gordon，T.，多蛋白质间盐屏蔽相互作用的分析静电模型，J.Chem。理论计算。，2, 3, 541-555 (2006)
[33] Marcelja，S。；米切尔，D.J。；Ninham，B.W。；Sculley，M.J.，溶剂结构在溶液理论中的作用，J.Chem。Soc.Faraday Trans.公司。II、 73630-648（1977年）
[34] 桑纳，M.F。；奥尔森·A·J。；Spehner，J.-C.，《分子表面的快速稳健计算》（第十一届计算几何年度研讨会论文集（1995），美国计算机学会），406-407
[35] 多林斯基，T.J。；尼尔森，J.E。；McCammon，J.A。；Baker，N.A.，PDB2PQR:泊松-玻耳兹曼静电计算设置的自动管道，《核酸研究》，32，W665-W667（2004）
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配，可能包含数据转换错误。在某些情况下，zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献，而不要求完整或完全匹配。