سحر

برنامج CHARMM ( الكيمياء في جامعة هارفارد - ميكانيكا الجزيئات الكبيرة ) هو اسم مجموعة واسعة الاستخدام من مجالات القوى المستخدمة في ديناميكيات الجزيئات ، وهو أيضاً اسم حزمة برامج الحاسوب الخاصة بمحاكاة وتحليل ديناميكيات الجزيئات المرتبطة بها. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} يشمل مشروع تطوير CHARMM شبكة عالمية من المطورين الذين يعملون مع مارتن كاربلوس وفريقه في جامعة هارفارد لتطوير برنامج CHARMM وصيانته. تتوفر تراخيص هذا البرنامج، مقابل رسوم، للأفراد والمجموعات العاملة في الأوساط الأكاديمية.

تتضمن مجالات قوى CHARMM للبروتينات ما يلي: CHARMM19 ذو الذرة الموحدة (يُسمى أحيانًا الذرة الممتدة )، ^{[ 6 ]} وCHARMM22 ذو جميع الذرات، ^{[ 7 ]} ومتغيره المصحح للجهد ثنائي السطوح CHARMM22/CMAP، بالإضافة إلى الإصدارات اللاحقة CHARMM27 وCHARMM36 وتعديلات مختلفة مثل CHARMM36m وCHARMM36IDPSFF. ^{[ 8 ]} في مجال قوى البروتين CHARMM22، تم اشتقاق الشحنات الجزئية الذرية من حسابات كيميائية كمومية للتفاعلات بين المركبات النموذجية والماء. علاوة على ذلك، تم ضبط معلمات CHARMM22 لنموذج الماء الصريح TIP3P . ومع ذلك، فإنه يُستخدم غالبًا مع المذيبات الضمنية . في عام 2006، أُعيد ضبط معلمات إصدار خاص من CHARMM22/CMAP للاستخدام المتسق مع المذيب الضمني GBSW. ^{[ 9 ]}

يحتوي مجال القوة CHARMM22 على دالة طاقة الوضع التالية: ^{[ 7 ] [ 10 ]}

${\displaystyle {\begin{aligned}V=&\sum _{bonds}k_{b}(b-b_{0})^{2}+\sum _{angles}k_{\theta }(\theta -\theta _{0})^{2}+\sum _{dihedrals}k_{\phi }[1+\cos(n\phi -\delta )]\\&+\sum _{impropers}k_{\omega }(\omega -\omega _{0})^{2}+\sum _{Urey-Bradley}k_{u}(u-u_{0})^{2}\\&+\sum _{nonbonded}\left(\epsilon _{ij}\left[\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{12}-2\left({\frac {R_{min_{ij}}}{r_{ij}}}\right)^{6}\right]+{\frac {q_{i}q_{j}}{\epsilon _{r}r_{ij}}}\right)\end{aligned}}}$

تتشابه مصطلحات الروابط والزوايا والزوايا ثنائية السطوح والروابط غير المرتبطة مع تلك الموجودة في مجالات القوى الأخرى مثل AMBER . كما يتضمن مجال قوى CHARMM مصطلحًا غير مناسب يأخذ في الاعتبار الانحناء خارج المستوى (والذي ينطبق على أي مجموعة من أربع ذرات غير مرتبطة على التوالي)، حيث${\displaystyle k_{\omega }}$هو ثابت القوة و${\displaystyle \omega -\omega _{0}}$هي الزاوية خارج المستوى. مصطلح Urey-Bradley هو مصطلح مختلط يأخذ في الاعتبار التفاعلات غير الرابطية 1،3 التي لا تأخذها حدود الرابطة والزاوية في الاعتبار؛${\displaystyle k_{u}}$هو ثابت القوة و${\displaystyle u}$هي المسافة بين الذرات 1 و3.

يُستخدم برنامج CHARMM27 ^{[ 11 ]} لمحاكاة الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA والدهون . يمكن دمج بعض مجالات القوى، مثل CHARMM22 وCHARMM27 لمحاكاة ارتباط البروتين بالحمض النووي DNA. كما يمكن تنزيل معلمات NAD+ والسكريات والمركبات الفلورية، وغيرها. تشير أرقام إصدارات مجالات القوى هذه إلى إصدار CHARMM الذي ظهرت فيه لأول مرة، ولكن يمكن استخدامها بالطبع مع الإصدارات اللاحقة من برنامج CHARMM القابل للتنفيذ. وبالمثل، يمكن استخدام مجالات القوى هذه ضمن برامج ديناميكيات جزيئية أخرى تدعمها.

في عام ٢٠٠٩، طُرح مجال قوى عام للجزيئات الشبيهة بالأدوية (CGenFF). وهو يغطي نطاقًا واسعًا من المجموعات الكيميائية الموجودة في الجزيئات الحيوية والجزيئات الشبيهة بالأدوية، بما في ذلك عدد كبير من الهياكل الحلقية غير المتجانسة. ^{[ ١٢ ]} صُمم مجال القوى العام ليغطي أي توليفة من المجموعات الكيميائية، مما يؤدي حتمًا إلى انخفاض دقة تمثيل أي فئة فرعية معينة من الجزيئات. ويُحذر موقع ماكريل الإلكتروني المستخدمين مرارًا وتكرارًا من استخدام معلمات CGenFF للجزيئات التي توجد لها مجالات قوى متخصصة (كما ذُكر أعلاه بالنسبة للبروتينات والأحماض النووية، وما إلى ذلك).

يتضمن برنامج CHARMM أيضًا حقول قوى قابلة للاستقطاب باستخدام منهجين. أحدهما يعتمد على نموذج الشحنة المتذبذبة (FQ)، والذي يُسمى أيضًا موازنة الشحنة (CHEQ). ^{[ 13 ] [ 14 ]} والآخر يعتمد على نموذج غلاف درود أو نموذج مذبذب التشتت. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

يمكن تنزيل معلمات جميع مجالات القوى هذه من موقع ماكريل الإلكتروني مجاناً. ^{[ 17 ]}

يُتيح برنامج CHARMM إنشاء وتحليل مجموعة واسعة من عمليات المحاكاة الجزيئية. تشمل أبسط أنواع المحاكاة تقليل طاقة بنية معينة وإنتاج مسارات ديناميكية جزيئية. أما الميزات الأكثر تقدماً فتتضمن اضطراب الطاقة الحرة (FEP)، وتقدير الإنتروبيا شبه التوافقية، وتحليل الارتباط، وطرق الكم المدمجة، وطرق ميكانيكا الكم - الميكانيكا الجزيئية ( QM/MM ).

يُعدّ برنامج CHARMM من أقدم برامج ديناميكيات الجزيئات، وقد تراكمت فيه العديد من الميزات، بعضها مُكرّر تحت عدة كلمات مفتاحية مع اختلافات طفيفة. وهذا نتيجة حتمية لتعدد وجهات النظر والمجموعات العاملة على CHARMM حول العالم. يُعدّ ملف سجل التغييرات وشفرة المصدر الخاصة بـ CHARMM مصدرين جيدين للبحث عن أسماء المطورين الرئيسيين وانتماءاتهم. ويُعدّ دور مجموعة تشارلز إل. بروكس الثالث في جامعة ميشيغان وتنسيقها بارزًا.

في حوالي عام ١٩٦٩، ازداد الاهتمام بتطوير دوال الطاقة الكامنة للجزيئات الصغيرة. نشأ برنامج CHARMM في مجموعة مارتن كاربلوس بجامعة هارفارد. قرر كاربلوس وطالبه آنذاك، بروس جيلين، أن الوقت قد حان لتطوير برنامج يمكّن من أخذ تسلسل معين من الأحماض الأمينية ومجموعة من الإحداثيات (مثلًا، من بنية الأشعة السينية) واستخدام هذه المعلومات لحساب طاقة النظام كدالة لمواقع الذرات. وقد أقر كاربلوس بأهمية المساهمات الرئيسية في تطوير البرنامج (الذي لم يكن له اسم آنذاك)، ومنها:

• مجموعة شناير ليفسون في معهد وايزمان، وخاصة من أرييه وارشيل الذي ذهب إلى جامعة هارفارد وجلب معه برنامجه الخاص بمجال القوة المتسق ( CFF ).
• مجموعة هارولد شيراغا في جامعة كورنيل
• الوعي بحسابات الطاقة الرائدة التي أجراها مايكل ليفيت للبروتينات

في ثمانينيات القرن العشرين، نُشرت أخيرًا ورقة بحثية، وظهر برنامج CHARMM للعلن لأول مرة. وكان برنامج جيلين قد خضع لإعادة هيكلة كبيرة آنذاك. اقترح بوب بروكوليري اسم HARMM (ميكانيكا الجزيئات الكبيرة بجامعة هارفارد) للنشر، لكنه بدا غير مناسب، فأضافوا حرف C اختصارًا لكلمة Chemistry (الكيمياء). قال كاربلوس: " أتساءل أحيانًا عما إذا كان اقتراح بروكوليري الأصلي سيُشكّل تحذيرًا مفيدًا للعلماء عديمي الخبرة الذين يعملون مع البرنامج. " ^{[ 18 ]} استمر برنامج CHARMM في التطور، وصدرت أحدث نسخة منه في عام 2015 تحت اسم CHARMM40b2.

الصيغة العامة لاستخدام البرنامج هي:

charmm -i filename.inp -o filename.out

• charmm– اسم البرنامج (أو النص البرمجي الذي يقوم بتشغيل البرنامج) على نظام الكمبيوتر المستخدم.
• filename.inp– ملف نصي يحتوي على أوامر CHARMM. يبدأ بتحميل طوبولوجيا الجزيئات (top) ومجال القوى (par). ثم يتم تحميل الإحداثيات الديكارتية للهياكل الجزيئية (مثلاً من ملفات PDB). بعد ذلك، يمكن تعديل الجزيئات (إضافة ذرات هيدروجين، تغيير البنية الثانوية). يمكن أن يتضمن قسم الحساب تقليل الطاقة، وإنتاج الديناميكيات، وأدوات التحليل مثل ارتباطات الحركة والطاقة.
• filename.out– ملف سجل تشغيل برنامج CHARMM، الذي يحتوي على الأوامر المُعاد إنتاجها، وكميات متفاوتة من مخرجات الأوامر. يمكن زيادة أو تقليل مستوى طباعة المخرجات بشكل عام، وتتضمن إجراءات مثل التصغير والديناميكيات مواصفات تردد الطباعة. تُطبع قيم درجة الحرارة والطاقة والضغط، وما إلى ذلك، عند هذا التردد.

Docking@Home ، الذي تستضيفه جامعة ديلاوير، وهو أحد المشاريع التي تستخدم منصة مفتوحة المصدر للحوسبة الموزعة ، BOINC ، استخدم CHARMM لتحليل التفاصيل الذرية لتفاعلات البروتين والرابط من حيث عمليات محاكاة الديناميكا الجزيئية (MD) والتقليل.

قامت شبكة المجتمع العالمي ، برعاية شركة IBM، بتشغيل مشروع يسمى مشروع الطاقة النظيفة ^{[ 19 ]} والذي استخدم أيضًا CHARMM في مرحلته الأولى، والتي تم الانتهاء منها.

• الموقع الرسمي ، معالوثائقومنتديات النقاشالمفيدة
• الموقع الرسمي ، بيوفيا
• شرح برنامج CHARMM ؛ مؤرشف بتاريخ 5 أكتوبر 2010 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
• يستضيف موقع ماكيريل الإلكتروني حزمة من معلمات مجال القوة لبرنامج CHARMM
• موقع سي. بروكس الإلكتروني
• صفحة CHARMM في جامعة هارفارد
• موقع روكس الإلكتروني ؛ مؤرشف بتاريخ 12 أكتوبر 2006 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine) .
• موقع مجموعة برنارد آر. بروكس
• Docking@Home
• مشروع CHARMM-GUI
• CHARMMing (واجهة CHARMM والرسومات) ؛ مؤرشف بتاريخ 20 أغسطس 2008 في Wayback Machine
• برنامج تعليمي حول CHARMM