An extensible interface for QM/MM molecular dynamics simulations with AMBER

Journal of Computational Chemistry

Volumn 35, Issue 2, 2014, Pages 95-108

  Götz, Andreas W ^a   Clark, Matthew A ^a   Walker, Ross C ^a,b  

^a UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

^b UNIVERSITY OF CALIFORNIA   (United States)

Author keywords

ab initio; AMBER; calcium binding; density functional theory; molecular dynamics; QM MM

Indexed keywords

AB INITIO; CALCIUM BINDING; DENSITY FUNCTIONAL THEORY METHODS; FREE ENERGY OF BINDING; MESSAGE PASSING INTERFACE STANDARDS; MICROCANONICAL ENSEMBLES; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATIONS; QM/MM;

AMBER; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTRONIC DATA INTERCHANGE; ELECTRONIC STRUCTURE; HAMILTONIANS; MOLECULAR DYNAMICS; QUANTUM THEORY;

SOFTWARE PACKAGES;

AMBER; ASPARTIC ACID; CALCIUM; DIVALENT CATION; WATER;

AB INITIO CALCULATION; ARTICLE; CALCIUM BINDING; CHEMISTRY; COMPUTER PROGRAM; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; HYDROGEN BOND; MOLECULAR DYNAMICS; QM/MM; QUANTUM THEORY; SOLUTION AND SOLUBILITY; THERMODYNAMICS;

AB INITIO; AMBER; CALCIUM BINDING; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; MOLECULAR DYNAMICS; QM/MM;

ASPARTIC ACID; CALCIUM; CATIONS, DIVALENT; HYDROGEN BONDING; MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION; QUANTUM THEORY; SOFTWARE; SOLUTIONS; THERMODYNAMICS; WATER;

EID: 84890116075     PISSN: 01928651     EISSN: 1096987X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/jcc.23444     Document Type: Article

References (95)

1. A. Warshel, M. Levitt, J. Mol. Bio. 1976, 103, 227.
2. U. C. Singh, P. A. Kollman, J. Comput. Chem. 1986, 7, 718.
3. M. J. Field, P. A. Bash, M. Karplus, J. Comput. Chem. 1990, 11, 700.
4. D. Bakowies, W. Thiel, J. Phys. Chem. 1996, 100, 10580.
5. P. Sherwood, in Modern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry Proceedings, Vol. 3 of NIC Series;, J. Grotendorst, Eds.; John von Neumann Institute for Computing, Jülich, 2000; pp. 285-305.
6. J. Gao, D. G. Truhlar, Annu. Rev. Phys. Chem. 2002, 53, 467.
7. R. A. Friesner, V. Guallar, Annu. Rev. Phys. Chem. 2005, 56, 389.
8. H. Lin, D. G. Truhlar, Theor. Chem. Acc. 2007, 117, 185.
9. W. Thiel, in Multiscale Simulation Methods in Molecular Sciences, Vol. 42 of NIC series;, J. Grotendorst, N. Attig, S. Blügel, D. Marx, Eds.; Institute for Advanced Simulation, Forschungszentrum Jülich: Jülich, 2009; pp. 203-214.
10. H. M. Senn, W. Thiel, Angew. Chem. Int. Ed. 2009, 48, 1198.
11. N. Bernstein, J. R. Kermode, G. Csányi, Rep. Prog. Phys. 2009, 72, 1.
12. R. Zhang, B. Lev, J. E. Cuervo, S. Y. Noskov, D. R. Salahub, in Advances in Quantum Chemistry, Vol. 59, Chapter. 10;, J. R. Sabin, E. Brändas, Eds.; Elsevier Academic Press Inc.: San Diego, 2010; pp. 353-400.
13. S. F. Sousa, P. A. Fernandes, M. J. A. Ramos, Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 12431.
14. D. A. Case, T. A. Darden, T. E. Cheatham, III, C. L. Simmerling, J. Wang, R. E. Duke, R. Luo, R. C. Walker, W. Zhang, K. M. Merz, B. Roberts, S. Hayik, A. Roitberg, G. Seabra, J. Swails, A. W. Götz, I. Kolossváry, K. F. Wong, F. Paesani, J. Vanicek, R. M. Wolf, J. Liu, X. Wu, S. R. Brozell, T. Steinbrecher, H. Gohlke, Q. Cai, X. Ye, J. Wang, M.-J. Hsieh, G. Cui, D. R. Roe, D. H. Mathews, M. G. Seetin, R. Salomon-Ferrer, C. Sagui, V. Babin, T. Luchko, S. Gusarov, A. Kovalenko, P. A. Kollman, Amber 12; University of California: San Francisco, 2012.
15. R. Salomon-Ferrer, D. A. Case, R. C. Walker, WIREs Comput. Mol. Sci. 2013, 3, 198.
16. R. C. Walker, M. F. Crowley, D. A. Case, J. Comput. Chem. 2008, 29, 1019.
17. G. de, M. Seabra, R. C. Walker, M. Elstner, D. A. Case, A. E. Roitberg, J. Phys. Chem. A 2007, 111, 5655.
18. I. Rossi, D. G. Truhlar, Chem. Phys. Lett. 1995, 233, 231.
19. K. Nam, Q. Cui, J. Gao, D. M. York, J. Chem. Theory Comput. 2007, 3, 486.
20. D. Wei, D. Salahub, Chem. Phys. Lett. 1994, 224, 291.
21. R. V. Stanton, L. R. Little, K. M. Merz, J. Phys. Chem. 1995, 99, 17344.
22. R. V. Stanton, D. S. Hartsough, K. M. Merz, Jr., J. Comput. Chem. 1995, 16, 113.
23. U. Ryde, J. Comput. Aided Mol. Des. 1996, 10, 153.
24. P. D. Lyne, M. Hodoscek, M. Karplus, J. Phys. Chem. A 1999, 103, 3462.
25. M. Eichinger, P. Tavan, J. Hutter, M. Parinello, J. Chem. Phys. 1999, 110, 10452.
26. A. Laio, J. VandeVondele, U. Rothlisberger, J. Chem. Phys. 2002, 116, 69416947.
27. M. J. Loferer, H. H. Loeffler, K. R. Liedl, J. Comput. Chem. 2003, 24, 1240.
28. P. K. Biswas, V. Gogonea, J. Chem. Phys. 2005, 123, 164114.
29. H. L. Woodcock, III, M. Hodoscek, A. T. B. Gilbert, P. M. W. Gill, H. F. Schaefer, III, B. R. Brooks, J. Comput. Chem. 2007, 28, 1485.
30. B. Lev, R. Zhang, A. de la Lande, D. Salahub, S. Y. Noskov, J. Comput. Chem. 2010, 31, 1015.
31. T. Okamoto, K. Yamada, Y. Koyano, T. Asada, N. Koga, M. Nagaoka, J. Comput. Chem. 2011, 32, 932.
32. K. Meier, N. Schmid, W. F. van Gunsteren, J. Comput. Chem. 2012, 33, 2108.
33. J. Torras, E. Deumens, S. B. Trickey, J. Comput.-Aid. Mater. Des. 2006, 13, 201.
34. ChemShell, a Computational Chemistry Shell, Available at: www.chemshell.org. Last accessed date 9.17.13.
35. P. Sherwood, A. H. de Vries, M. F. Guest, G. Schreckenbach, C. R. A. Catlow, S. A. French, A. A. Sokol, S. T. Bromley, W. Thiel, A. J. Turner, et al. J. Mol. Struct. (Theochem) 2003, 632, 1.
36. J. J. P. Stewart, J. Mol. Model. 2007, 13, 1173.
37. L. Hu, P. Söderhjelm, U. Ryde, J. Chem. Theory Comput. 2011, 7, 761.
38. I. S. Ufimtsev, T. J. Martinez, J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 1004.
39. I. S. Ufimtsev, T. J. Martinez, J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 2619.
40. C. Isborn, A. W. Götz, M. A. Clark, R. C. Walker, T. M. Martínez, J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 5092.
41. Message Passing Interface Forum, MPI: A Message-passing Interface Standard, Version 2.2; High-Performance Computing Center Stuttgart, University of Stuttgart, Nobeliusstr. 19, 70550 Stuttgart, Germany, 2009.
42. K. Park, A. W. Götz, R. C. Walker, F. Paesani, J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 2868.
43. G. te Velde, F. M. Bickelhaupt, E. J. Baerends, C. F. Guerra, S. J. A. van Gisbergen, J. G. Snijders, T. Ziegler, J. Comput. Chem. 2001, 22, 931.
44. C. F. Guerra, J. Snijders, G. te Velde, E. J. Baerends, Theor. Chem. Acc. 1998, 99, 391.
45. ADF2012, SCM, Theoretical Chemistry, Vrije Universiteit, Amsterdam, The Netherlands, Available at: http://www.scm.com. Last accessed date 9.17.13.
46. M. W. Schmidt, K. K. Baldridge, J. A. Boatz, S. T. Elbert, M. S. Gordon, J. H. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K. A. Nguyen, S. Su, T. L. Windus, M. Dupuis, J. A. Montgomery Jr., J. Comput. Chem. 1993, 14, 1347.
47. M. S. Gordon, M. W. Schmidt, in Theory and Applications of Computational Chemistry, the first forty years, Chapter 41;, C. E. Dykstra, G. Frenking, K. S. Kim, G. E. Scuseria, Eds.; Elsevier: Asterdam, 2005; pp. 1167-1189.
48. M. Valiev, E. J. Bylaska, N. Govind, K. Kowalski, T. P. Straatsma, H. J. J. Van Dam, D. Wang, J. Nieplocha, E. Apra, T. L. Windus, W. A. de Jong, Comput Phys. Commun. 2010, 181, 1477.
49. M. J. Frisch, G. W. Trucks, H. B. Schlegel, G. E. Scuseria, M. A. Robb, J. R. Cheeseman, G. Scalmani, V. Barone, B. Mennucci, G. A. Petersson, H. Nakatsuji, M. Caricato, X. Li, H. P. Hratchian, A. F. Izmaylov, J. Bloino, G. Zheng, J. L. Sonnenberg, M. Hada, M. Ehara, K. Toyota, R. Fukuda, Hasegawa J., M. Ishida, T. Nakajima, Honda Y., O. Kitao, H. Nakai, Vreven T., J. A. Montgomery, Jr., J. E. Peralta, F. Ogliaro, M. Bearpark, J. J. Heyd, E. Brothers, K. N. Kudin, V. N. Staroverov, R. Kobayashi, Normand J., K. Raghavachari, A. Rendell, J. C. Burant, S. S. Iyengar, Tomasi J., M. Cossi, N. Rega, J. M. Millam, M. Klene, J. E. Knox, J. B. Cross, V. Bakken, C. Adamo, J. Jaramillo, R. Gomperts, R. E. Stratmann, O. Yazyev, A. J. Austin, R. Cammi, C. Pomelli, J. W. Ochterski, R. L. Martin, K. Morokuma, V. G. Zakrzewski, G.A. Voth, P. Salvador, J. J. Dannenberg, S. Dapprich, A. D. Daniels, O. Farkas, J. B. Foresman, J. V. Ortiz, J. Cioslowski, D. J. Fox, Gaussian 09, Revision C.01; Gaussian, Inc.: Wallingford CT, 2010.
50. F. Neese, WIREs Comput. Mol. Sci. 2012, 2, 73.
51. Y. Shao, L. Fusti-Molnar, Y. Jung, J. Kussmann, C. Ochsenfeld, S. T. Brown, A. T. B. Gilbert, L. V. Slipchenko, S. V. Levchenko, D. P. O'Neill, R. A. DiStasio, Jr., R. C. Lochan, T. Wang, G. J. O. Beran, N. A. Besley, J. M. Herbert, C. Y. Lin, T. Van Voorhis, S. H. Chien, A. Sodt, R. P. Steele, V. A. Rassolov, P. E. Maslen, P. P. Korambath, R. D. Adamson, B. Austin, J. Baker, E. F. C. Byrd, H. Daschel, R. J. Doerksen, A. Dreuw, B. D. Dunietz, A. D. Dutoi, T. R. Furlani, S. R. Gwaltney, A. Heyden, S. Hirata, C.-P. Hsu, G. Kedziora, R. Z. Khaliullin, P. Klunzinger, A. M. Lee, M. S. Lee, W. Liang, I. Lotan, N. Nair, B. Peters, E. I. Proynov, P. A. Pieniazek, Y. M. Rhee, J. Ritchie, E. Rosta, C. D. Sherrill, A. C. Simmonett, J. E. Subotnik, H. L. Woodcock, III, W. Zhang, A. T. Bell, A. K. Chakraborty, D. M. Chipman, F. J. Keil, A. Warshel, W. J. Hehre, H. F. Schaefer, III, J. Kong, A. I. Krylov, P. M. W. Gill, M. Head-Gordon, Phys. Chem. Chem. Phys. 2006, 8, 3172.
52. W. C. Still, A. Tempczyk, R. C. Hawley, T. Hendrickson, J. Am. Chem. Soc. 1990, 112, 6127.
53. E. Pellegrini, M. J. Field, J. Phys. Chem. A 2002, 106, 1316.
54. T. Darden, D. York, L. Pedersen, J. Chem. Phys. 1993, 98, 10090.
55. K. Nam, J. Gao, D. M. York, J. Chem. Theory Comput. 2005, 1, 2.
56. B. Roux, Comput. Phys. Commun. 1995, 91, 275.
57. J. Kästner, WIREs Comput. Mol. Sci. 2011, 1, 932.
58. A. Mitsutake, Y. Sugita, Y. Okamoto, Biopolymers 2001, 60, 96.
59. H. Nymeyer, S. Gnanakaran, A. E. Gárcia, Methods Enzymol. 2004, 383, 119.
60. D. Ceperley, Rev. Mod. Phys. 1995, 67, 279.
61. B. J. Berne, D. Thirumalai, Annu. Rev. Phys. Chem 1986, 37, 401.
62. P. Pulay, G. Fogarasi, Chem. Phys. Lett. 2004, 386, 272.
63. J. M. Herbert, M. Head-Gordon, Phys. Chem. Chem. Phys. 2005, 7, 3269.
64. M. Dewar, W. Thiel, J. Am. Chem. Soc. 1977, 99, 4899.
65. J. J. P. Stewart, J. Comput. Chem. 1989, 10, 209.
66. A. D. Becke, Phys. Rev. A 1988, 38, 3098.
67. J. P. Perdew, Phys. Rev. B 1986, 33, 8822.
68. C. Lee, W. Yang, R. G. Parr, Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
69. A. D. Becke, J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
70. W. J. Hehre, R. Ditchfield, J. A. Pople, J. Chem. Phys. 1972, 56, 2257.
71. P. C. Hariharan, J. A. Pople, Theor. Chim. Acta 1973, 28, 213.
72. R. Krishnan, J. S. Binkley, R. Seeger, J. A. Pople, J. Chem. Phys. 1980, 72, 650.
73. A. Schäfer, C. Huber, R. Ahlrichs, J. Chem. Phys. 1994, 100, 5829.
74. T. H. Dunning, Jr., J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007.
75. R. A. Kendall, T. H. Dunning, Jr., R. J. Harrison, J. Chem. Phys. 1992, 96, 6796.
76. W. L. Jorgensen, J. Chandrasekhar, J. D. Madura, R. W. Impey, M. L. Klein, J. Chem. Phys. 1983, 79, 926.
77. H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren, J. Hermans, Interaction Models for Water in Relation to Protein Hydration; Reidel, Dordrecht, The Netherlands, 1981; pp. 331-342.
78. Y. Wu, H. L. Tepper, G. A. Voth, J. Chem. Phys. 2006, 124, 024503.
79. V. Hornak, R. Abel, A. Okur, B. Strockbine, A. Roitberg, C. Simmerling, Proteins 2006, 65, 712-725.
80. G. S. Grest, K. Kremer, Phys. Rev. A 1986, 33, 3628.
81. J. -P. Ryckaert, G. Ciccotti, H. J. Berendsen, J. Comput. Phys. 1977, 23, 327.
82. S. Miyamoto, P. A. Kollman, J. Comput. Chem. 1992, 13, 952.
83. H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren, A. DiNola, J. R. Haak, J. Chem. Phys. 1984, 81, 3684.
84. S. Kumar, D. Bouzida, R. H. Swendsen, P. A. Kollman, J. M. Rosenberg, J. Comput. Chem. 1992, 13, 1011.
85. A. Grossfield, "WHAM: the Weighted Histogram Analysis Method", version 2.0.6, Available at: http://membrane.urmc.rochester.edu/content/wham. Last accessed date 9.17.13.
86. W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten, J. Mol. Graph. 1996, 14, 33.
87. T. Williams, C. Kelley,. Gnuplot: An Interactive Plotting Program; Available at: http://www.gnuplot.info. Last accessed date 9.17.13.
88. T. Dyke, J. Muenter, J. Chem. Phys. 1974, 60, 2929.
89. L. Curtiss, D. Frurip, M. Blander, J. Chem. Phys. 1979, 60439, 2703.
90. K. S. Kim, B. J. Mhin, U. -S. Choi, K. Lee, J. Chem. Phys. 1992, 97, 6649.
91. J. Liao, H. Li, W. Zeng, D. B. Sauer, R. Belmares, Y. Jiang, Science 2012, 335, 686.
92. R. E. Bulo, D. Donadio, A. Laio, F. Molnar, J. Rieger, M. Parrinello, Macromolecules 2007, 40, 3437.
93. Y. Tu, A. Laaksonen, J. Chem. Phys. 1999, 111:, 7519-7525.
94. D. Riccardi, G. Li, Q. Cui, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 6467.
95. R. E. Bulo, B. Ensing, J. Sikkema, L. Visscher, J. Chem. Theory Comput. 2009, 5, 2212.