生成磷脂雙層膜結構文件的小工具genmem

注：筆者后來開發了genmixmem，可以實現genmem的所有功能，還能生成混合膜，因此genmem已沒有存在意義了。見《生成混合組分的磷脂雙層膜結構文件的工具genmixmem》（http://www.shanxitv.org/245）

能夠生成磷脂雙層膜結構文件用于分子動力學模擬的程序不少，比如packmol（http://www.ime.unicamp.br/~martinez/packmol/）、CHARMM-GUI（http://www.charmm-gui.org）、VMD的Membrane Builder插件等等，可是各有缺點。Membrane Builder插件用起來方便，但是支持的磷脂類型太少。CHARMM-GUI支持的磷脂類型雖然不少，但是終究有限，沒法對特殊的磷脂分子構建膜。packmol普適性最強，只要你提供了磷脂分子的結構文件，就能搭出膜來，這在《Sob談生物膜體系的搭建》（http://www.shanxitv.org/23）當中已經做了詳細介紹。可是，packmol對于搭建膜體系時經常無法順利收斂，此時它會輸出迭代過程中找到的最好的結構，然而這樣的結構時好時壞，磷脂經常分布得很不均勻，留下孔洞，可能造成模擬初期水分子鉆進去搗蛋，而且個別磷脂分子之間還往往有極其嚴重的不合理接觸。另外，packmol的運行時間也偏長。

受夠了packmol的氣，于是筆者自行寫了個生成磷脂雙層膜結構文件的小工具genmem，磷脂分子由用戶自行隨意地提供。1.0版下載地址為：/usr/uploads/file/20150610/20150610021914_17793.rar。其中有預編譯好的Windows下的可執行文件，示例文件，源代碼也附上了。

使用很簡單。在程序目錄下寫個名為input.txt的輸入文件，示例內容和注釋如下
ATB_opted.pdb   ;The path of input file (pdb file of lipid molecule)
mem.pdb         ;The path of output file (pdb file of bilayer membrane)
48.4            ;Length of box size (Angstrom)
36              ;The number of lipids in each layer, should be square of an integer
24              ;The index of the reference atom in your pdb file
82,40           ;The Z position of the reference atom in layer 1 and layer 2
1               ;0=Don't randomly rotate molecule, 1=randomly rotate molecule
對于此例，只需要雙擊圖標運行genmem.exe，程序就從ATB_opted.pdb中讀取磷脂結構，產生雙分子層，輸出到當前目錄下的mem.pdb，瞬間就運行完畢。每層的6*6=36個磷脂分子均勻分布在48.4*48.4埃的區域里。ATB_opted.pdb中第24號原子用于定位，第一層膜中每個磷脂的這個原子都位于Z=82埃的平面上，第二層膜中它都處于Z=40埃的平面上。最后一行的1代表讓每個磷脂分子繞著Z軸隨意旋轉，如果是0，則每個分子都是保持相同朝向整齊地排列。

輸入的磷脂pdb文件中，應當事先人為地進行旋轉，以讓磷脂頭部沖著Z軸正方向。并且最好盡量通過調整分子里的二面角讓磷脂整體看起來比較直，以避免生成的結構中相互交錯而導致不合理接觸。

此程序其實很簡單，并不會像packmol那樣利用優化算法來讓磷脂分子剛性地旋轉以避免過近的接觸。雖然genmem生成的膜結構中難免有些不合理接觸，但這不是什么問題，因為MD之前做優化就能解決不合理接觸。即便沒法徹底解決掉某些局部區域的高壓力，只要做MD一開始的時候用非常小的步長，比如0.4fs，稍微跑一下也就解決了。