背景：
結(jié)合自由能估算在許多研究中發(fā)揮著重要作用，但估算過(guò)程冗長(zhǎng)易錯(cuò)，讓人望而興嘆。許多步驟須要人為干預(yù)，缺少標(biāo)準(zhǔn)，別人無(wú)法復(fù)現(xiàn)。BFEE2軟件在嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摶A(chǔ)上對(duì)絕對(duì)結(jié)合自由能估算進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化和手動(dòng)化，盡量降低人的干預(yù)，使估算結(jié)果確切、可復(fù)現(xiàn)。南開(kāi)學(xué)院的蔡文生、邵學(xué)廣課題組與美國(guó)國(guó)家科研中心的課題組合作，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、流水線化、具有用戶友好操作界面的蛋白質(zhì)-絡(luò)合物標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合自由能估算軟件BFEE2[1]，近來(lái)在上發(fā)文詳盡介紹了蛋白質(zhì)-官能團(tuán)結(jié)合自由能估算的操作流程[2]。
BFEE2僅須要蛋白質(zhì)-官能團(tuán)結(jié)合復(fù)合體就可以進(jìn)行自由能估算，除了提供GUI便捷使用，也提供CLI便捷批量估算，兼具易用性和專業(yè)性，使更廣大的用戶群體可以進(jìn)行更可靠確切的絕對(duì)結(jié)合自由能估算。不管是煉金術(shù)（）路線還是幾何（）路線,確切的絕對(duì)自由能估算都分包含多個(gè)步驟,且須要引入幾何約束。但是人為干預(yù)，例如定義CVs（）、準(zhǔn)備輸入文件、監(jiān)控模擬過(guò)程、后處理，除了沉悶、麻煩，但是容易出錯(cuò)。為了實(shí)現(xiàn)手動(dòng)化和流程化（）的自由能估算，非常是面向非專業(yè)用戶結(jié)合能，第二代結(jié)合自由能評(píng)估器（free，BFEE2）提供了標(biāo)準(zhǔn)化的煉金術(shù)和幾何自由能估算流程，除去人為干預(yù)以保證估算結(jié)果的完全可重復(fù)。為了最大化覆蓋蛋白質(zhì)-絡(luò)合物復(fù)合體，或則更廣泛的主體-客體復(fù)合體，BFEE2支持絕大多數(shù)學(xué)術(shù)力場(chǎng)，如、Amber、OPLS、。可以生成NAMD和格式的配置文件，且所有的后處理都可以手動(dòng)化。最后，自由能估算是否收斂可以通過(guò)模擬過(guò)程中生成的中間文件判別。總而言之結(jié)合能，BFEE2是一個(gè)簡(jiǎn)單易用、功能強(qiáng)悍的確切自由能估算工具，可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)廣泛的應(yīng)用。
軟件：BFEE2中實(shí)現(xiàn)了兩種蛋白質(zhì)-官能團(tuán)結(jié)合自由能估算的操作流程，分別為基于幾何路徑（）和基于“煉金術(shù)”（）的流程。
free(BFEE)isa-basedthatfreetheorrouteby.
NAMD(androute)and(route，基于幾何路徑)as;
3.6+,2,numpy,and.
.詳盡見(jiàn)：([]編譯-進(jìn)行自由能估算)
簡(jiǎn)單了解
基于幾何路徑的流程通過(guò)重要性取樣方式，逐漸研究蛋白質(zhì)-官能團(tuán)的結(jié)合-解離過(guò)程中不同自由度對(duì)結(jié)合自由能的貢獻(xiàn)，其中每步聚焦于1個(gè)自由度（圖1a）；基于“煉金術(shù)”的流程，采用自由能微擾或熱力學(xué)積分方式，完成圖1b所示的熱力學(xué)循環(huán)中每位步驟的自由能估算，并匯總得到結(jié)合自由能。
圖1.基于幾何路徑（a）和基于“煉金術(shù)”（b）的流程示意圖。（a）中的字母和“RMSD”分別代表不同的自由度，（b）中的鎖代表幾何約束。
圖2顯示了采用BFEE2進(jìn)行結(jié)合自由能估算的詳盡流程。
首先須要選擇使用的流程，通常而言，基于幾何路徑的流程收斂速率會(huì)較快，尤其是卟啉分子較大時(shí)。可是基于幾何路徑的流程只適用于官能團(tuán)在蛋白質(zhì)表面或僅被半包埋的情形，而基于“煉金術(shù)”的流程可以適用于幾乎全部情形。
BFEE2會(huì)手動(dòng)生成進(jìn)行自由能估算所需的全部輸入文件，用戶僅須要采用分子動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行自由能估算和確認(rèn)估算的收斂性。而后，BFEE2會(huì)手動(dòng)進(jìn)行后處理，給出結(jié)合自由能的數(shù)值。
圖2.采用BFEE2進(jìn)行結(jié)合自由能估算的流程。
圖3給出了BFEE2界面的示意圖。
各選項(xiàng)的具體含意、軟件的詳盡使用方式、示例和預(yù)期結(jié)果在原文[2]中均有詳盡介紹。
據(jù)悉，正文中還以實(shí)際體系為例，介紹了采用BFEE2進(jìn)行結(jié)合自由能估算過(guò)程中可能碰到的困難，并針對(duì)性地給出了解決方案。
所需的示例文件在可以在原文的補(bǔ)充信息中下載。
圖3.BFEE2軟件的主界面。該界面截屏于10系統(tǒng)，BFEE2同樣支持MacOS和主流Linux系統(tǒng)。
軟件安裝
BFEE2軟件以GPLV3授權(quán)的方式開(kāi)源發(fā)布，軟件的源代碼可以在下載。軟件的二補(bǔ)碼包可以在pip和conda平臺(tái)中獲取（pipbfee2或conda-cconda-forgebfee2）。
深入文獻(xiàn)
標(biāo)準(zhǔn)化手動(dòng)化的CV定義
自由能估算時(shí)，CVs（又稱反應(yīng)座標(biāo)、廣義座標(biāo)）的選擇是十分重要的一步，作者選用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)七自由度CVs，見(jiàn)圖1A。以蛋白質(zhì)-絡(luò)合物復(fù)合體為輸入，定義7個(gè)自由度分別為用球座標(biāo)（r，θ，φ）表示官能團(tuán)的平移變化，蛋白質(zhì)以固定朝向置于球坐標(biāo)的中心。其中r為蛋白質(zhì)剛體到官能團(tuán)剛體的距離。以結(jié)合狀態(tài)的官能團(tuán)為參考，估算歐拉角（Θ，Φ，Ψ）和RMSD，表示官能團(tuán)的旋轉(zhuǎn)變化和氫鍵變化。因?yàn)闅W拉角有萬(wàn)向鎖問(wèn)題，官能團(tuán)的旋轉(zhuǎn)會(huì)先轉(zhuǎn)化為四元數(shù)，再轉(zhuǎn)化為歐拉角。因?yàn)槠咦杂啥菴Vs可以按照復(fù)合體手動(dòng)生成，這使標(biāo)準(zhǔn)化和手動(dòng)化地打算所有輸入文件成為可能。
定義蛋白質(zhì)-官能團(tuán)的CVs（A）煉金術(shù)絕對(duì)自由能估算流程（B）
亮點(diǎn)總結(jié)
雖然早已有不少自由能估算輔助軟件，如基于的YANK（煉金術(shù)路線）、基于網(wǎng)頁(yè)的-GUI（煉金術(shù)路線）、BFEE1.0（幾何路線），BFEE2應(yīng)當(dāng)是第一個(gè)將煉金術(shù)路線和幾何路線的絕對(duì)結(jié)合自由能估算統(tǒng)一到一個(gè)框架中的軟件，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化，從而手動(dòng)化，這除了增強(qiáng)了自由能估算的可用性，也提升了估算結(jié)果的可復(fù)現(xiàn)性，更便捷不同方法比較，推動(dòng)自由能估算方式的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
[1]Fu,H.H.;Chen,H.C.;Cai,W.S.;fú,X.G.;and,C.BFEE2:,,andFree-.J.Chem.Inf.Model.2021,61,2116–2123.
[2]Fu,H.H.;Chen,H.C.;,M;DeLacam,E.G.C.;,F.;,A;fú,X.G.;,J.C.;Dehez,F.;Roux,B.;Cai,W.S.;,C.of:freefrom.Nat..2022,doi:10.1038/-021-00676-1.