AutoDock Vina を使用した仮想創薬スクリーニング - Elastic High Performance Computing

このトピックでは、Elastic High Performance Computing (E-HPC) クラスターで AutoDock Vina を使用して、高性能な仮想創薬スクリーニングを実行する方法について説明します。

背景情報

分子ドッキングは、仮想創薬スクリーニングにおける重要なステップです。AutoDock Vina は、高速かつ高精度なオープンソースの分子ドッキングソフトウェアであり、分子ドッキングに基づく仮想スクリーニングワークフローの構築に最適です。AutoDock Tools (ADT) と Python Molecular Viewer (PMV) を含む MGLTools スイートと併用されます。ADT は Vina の入力ファイルの生成に使用され、PMV は結果の表示に使用されます。詳細については、AutoDock Vina および MGLTools をご参照ください。

このトピックでは、低分子リガンドと高分子受容体の間の相互作用をシミュレーションし、それらの結合様式と親和性を予測して創薬スクリーニングを行う方法を説明します。Specs、Enamine、ChemDiv などの商用化合物ライブラリは、特定のリガンドと受容体との相互作用をシミュレーションするための多数のリガンドを提供します。異なるリガンドの計算は互いに独立しているため、大規模に並列処理できます。この方法は、大規模バッチ処理と高同時実行処理を必要とする生物学および製薬分野の他のシナリオにも適用できます。

前提条件

E-HPC クラスターが作成済みであること。

詳細については、「ウィザードを使用したクラスターの作成」をご参照ください。次のパラメーターにご注意ください。

パラメーター

説明

ハードウェアパラメーター

デプロイモードは標準で、2 つの管理ノード、1 つの計算ノード、1 つのログインノードが含まれます。

すべてのノードで ecs.c7.large インスタンスタイプを使用します。このインスタンスタイプは、2 vCPU、4 GiB のメモリ、2.7 GHz の Ice Lake プロセッサを提供します。

ソフトウェア構成

CentOS 7.6 パブリックイメージを選択し、スケジューラとして pbs を選択し、VNC を有効にします。

クラスターユーザーが作成済みであること。詳細については、「ユーザーの作成」をご参照ください。

このユーザーを使用してクラスターにログインし、ソフトウェアのコンパイルやジョブの投入などの操作を実行します。このトピックのサンプルユーザーは、次のように設定されています。
- ユーザー名：vinatest
- 権限グループ：sudo
ソフトウェアをインストールします。詳細については、「ソフトウェアのインストール」をご参照ください。

次のソフトウェアが必要です。
- vina、バージョン 1.1.2
- AutoDockTools、バージョン 1.5.7

ステップ 1：クラスターへの接続

次のいずれかの方法でクラスターに接続します。このトピックでは、ユーザー名 vinatest を使用します。接続後、デフォルトで /home/vinatest ディレクトリに移動します。

クライアントを使用して接続
この方法は、PBS スケジューラを使用するクラスターのみをサポートします。続行する前に、E-HPC クライアントをダウンロードしてインストールし、必要な環境を設定していることを確認してください。詳細については、「クライアント環境の設定」をご参照ください。
1. E-HPC クライアントを起動し、ログインします。
2. 左側のナビゲーションウィンドウで、[セッション管理] をクリックします。
3. [セッション管理] ページの右上隅にある [ターミナル] をクリックして、ターミナルウィンドウを開きます。
コンソールを使用して接続
1. E-HPC コンソールにログインします。
2. トップメニューバーの左上隅で、リージョンを選択します。
3. 左側のナビゲーションウィンドウで、クラスタをクリックします。
4. クラスタ ページで、目的のクラスターを見つけ、接続をクリックします。
5. 接続ページで、クラスターのユーザー名、パスワード、およびポートを入力し、ssh connection をクリックします。

ステップ 2：ジョブの投入

ジョブファイルをダウンロードして展開します。
1. ジョブファイルをダウンロードします。
  
  説明
  クラスターに Git がインストールされていない場合は、sudo yum install -y git コマンドを実行してインストールしてください。
```
git clone https://best-practice:Abcd123456@codeup.aliyun.com/best-practice/bp/022.git
```
2. ジョブファイルを展開します。
```
cd 022
tar xzvf vina-ehpcarrayjob.tar.gz
```
設定ファイルを変更します。
```
cd vina-ehpcarrayjob
vim conf.txt
```
conf.txt ファイルで、次の 2 行を削除します。
```
receptor = 1fkn_rgd.pdbqt
ligand = $file
```

vina.sh という名前のジョブスクリプトを作成します。

cd /home/vinatest
vim vina.sh

スクリプトには次の内容が含まれています。

#!/bin/bash
#PBS -N vina_job
#PBS -l nodes=1:ppn=2
#PBS -l walltime=00:10:00
#PBS -j oe
#PBS -v receptor="022/vina-ehpcarrayjob/1fkn_rgd.pdbqt",ligand="022/vina-ehpcarrayjob/test/ligand_1.pdbqt",config="022/vina-ehpcarrayjob/conf.txt"
cd $PBS_O_WORKDIR
ppn="$NCPUS"
cd $PBS_O_WORKDIR
vina --receptor $receptor --config $config  --ligand $ligand --out out.pdbqt --cpu $ppn

ジョブを投入します。
```
qsub vina.sh
```
期待される出力はジョブ ID 0.scheduler です。
```
0.scheduler
```

ステップ 3：結果の表示

ジョブステータスを確認します。
```
qstat -x 0.scheduler
```
出力で、S の値が R の場合、ジョブは実行中です。S の値が F の場合、ジョブは完了しています。
```
Job id            Name             User              Time Use S Queue
----------------  ---------------- ----------------  -------- - -----
0.scheduler       vina_job         vinatest          00:01:56 F workq 
```
説明
ジョブが終了すると、投入ディレクトリに結果ファイル out.pdbqt が生成されます。この例では、ファイルは /home/vinatest/out.pdbqt にあります。
VNC を使用してジョブの結果を可視化します。
1. VNC を有効にします。
  説明
  クラスターが属するセキュリティグループで VNC に必要なポートが有効になっていることを確認してください。コンソールを使用する場合、システムは自動的にポート 12016 を有効にします。クライアントを使用する場合は、手動でポートを有効にする必要があります。最初の VNC ウィンドウはポート 12017 を使用します。複数のユーザーが VNC を使用する必要がある場合、ポート番号は順番にインクリメントされます。
  - クライアントを使用
    1. 左側のナビゲーションウィンドウで、[セッション管理] をクリックします。
    2. セッション管理ページの右上隅にある [VNC] をクリックして VNC Viewer を開きます。
  - コンソールを使用
    1. E-HPC コンソールの左側のナビゲーションウィンドウで、クラスタをクリックします。
    2. クラスタ ページで、対象のクラスターを探し、その他のアクション > [VNC] をクリックします。
    3. VNC を使用して可視化サービスにリモート接続します。詳細については、「可視化サービスへの接続」をご参照ください。
2. VNC ウィンドウで、[アプリケーション] > [システムツール] > [ターミナル] を選択します。
3. ターミナルで、次のコマンドを実行して AutoDock Tools を開き、ジョブの結果をロードします。
```
/usr/local/bin/adt /home/vinatest/022/vina-ehpcarrayjob/1fkn_rgd.pdbqt /home/vinatest/out.pdbqt
```
  AutoDock Tools ウィンドウにモデルがロードされると、結果が表示されます。
  
  AutoDock Tools ウィンドウの左側にある分子リストには、1fkn_rgd と out_model1 から out_model9 までの 10 個のエントリが表示されます。メインビューポートには、ドッキングされたすべてのコンフォメーションの 3D 可視化が、黒い背景に重ね合わせたスティックモデルとして表示されます。