Nog een Martini, voor betere simulaties

Voor veel wetenschappelijk onderzoek zijn simulaties van de interacties tussen atomen en moleculen belangrijk. Maar nauwkeurige simulaties duren lang, wat niet zo praktisch is. Om de simulaties te versnellen zonder te veel details te verliezen heeft Siewert-Jan Marrink, hoogleraar Moleculaire Dynamica aan de RUG, een verzameling parameters ontworpen voor snelle maar nauwkeurige grofkorrelige simulaties. In een artikel dat op 29 maart verscheen in Nature Methods presenteert Marrink met zijn team een derde release van wat bekend staat als het ‘Martini krachtenveld’.

‘Ons Martini krachtenveld combineert doorgaans vier zware atomen met eventueel gekoppelde protonen tot één bolletje. Gebruikers kunnen dan de interactie tussen verschillende bolletjes simuleren, wat het aantal deeltjes waarmee gerekend wordt beperkt’, legt Marrink uit. De afname in aantal deeltjes verkleint de rekentijd voor de simulaties met tot wel drie orden van grootte. ‘Daardoor kun je processen langer simuleren, voor een periode van milliseconden in plaats van microseconden, of grotere moleculen simuleren.’

Nauwkeurigheid

Het Martini krachtenveld, vernoemd naar sint Martinus, de beschermheilige van Groningen en naamgever van de Martinitoren en ook wel een beetje naar de cocktail, is al meer dan tien jaar in gebruik. Marrink heeft het in eerste instantie ontwikkeld voor de simulatie van lipide-membranen. ‘De eerste wetenschappelijke publicatie die de naam ‘Martini’ gebruikt dateert van 2007, toen de tweede release van het krachtenveld verscheen.’ Er zijn tot nu toe ruim vierduizend citaties van gebruikers.

Een krachtenveld is een set parameters bedoeld voor computerprogramma’s die moleculaire dynamica simulaties uitvoeren. De nauwkeurigheid van de resultaten hangt af van deze parameters, die de interactie tussen de bolletjes definiëren. In de nieuwste versie zijn die interacties opnieuw gekalibreerd op basis van veel meer gegevens dan in de vorige release. ‘Via ons eigen gebruik van het krachtenveld en door de feedback van gebruikers hebben we gezien waar verbetering mogelijk was’, legt Marrink uit. Veel van de feedback kwam binnen via een actief online gebruikersplatform dat de groep beheert.

Materiaalonderzoek

Dr. Paulo C.T. Souza, eerste auteur van de publicatie en postdoc in de groep van Marrink, heeft vier jaar lang gewerkt aan het opnieuw kalibreren van de parameters. ‘Voor dat werk moet je goed begrijpen hoe het krachtenveld in elkaar zit, maar je hebt ook biologische en chemische intuïtie nodig, en een stevige achtergrond in natuurkunde. Paulo heeft dat allemaal.’

De nieuwe versie is een generiek krachtenveld dat is te gebruiken voor simulaties van zachte materie, zoals lipide-membranen, eiwitten, polymeren en DNA. ‘Het oorspronkelijke krachtenveld was ontwikkeld voor biologische moleculen, maar het wordt nu steeds vaker gebruikt in materiaalonderzoek.’ Simulaties die gebaseerd zijn op het Martini krachtenveld worden gebruikt om de resultaten van experimenten te verklaren, interacties en emergent gedrag tussen moleculen te voorspellenen in high-throughput systemen voor bijvoorbeeld het testen van kandidaat-geneesmiddelen. Net zoals bij zijn voorganger is het mogelijk om de resultaten van Martini-3 simulaties opnieuw te analyseren met atomaire resolutie. ‘Zo kun je inzoomen op interessante interacties.’

Doel

De derde Martini-release is gratis te downloaden van de Martini-website. ‘We willen dat het krachtenveld voor iedere onderzoeker beschikbaar is’, zegt Marrink. ‘We hadden het achter een betaalmuur kunnen zetten, maar dat wil ik niet. Martini is een academisch project, dus niet commercieel.’

Het maken van de derde Martini-versie duurde ongeveer tien jaar. Nu staan Marrink in zijn medewerkers te trappelen om het te gebruiken. ‘De volgende stap in ons onderzoek met krachtenvelden is om betere modellen te maken van biomoleculen, zoals lipiden, eiwitten, suikers en nucleotiden, met behulp van de nieuwe Martini 3 parameters. Het uiteindelijke doel is om binnen vijf jaar in staat te zijn een complete cel te simuleren met moleculaire resolutie.’

Impact

Een volgende ontwikkeling is het toevoegen van chemische reacties aan het krachtenveld. ‘Chemische reacties veranderen de aard van moleculen, maar dat wordt niet meegenomen in bestaande krachtenvelden. Voor reacties heb je kwantummechanische berekeningen nodig, die veel tijd kosten. We willen daarom een sneller, grofkorrelige alternatief maken.’ Een laatste punt op de wensenlijst voor Martini 4 is om veranderingen in de zuurgraad mee te kunnen nemen.

Maar nu geniet Marrink eerst nog van de lancering van Martini 3. Hij is nieuwsgierig naar hoe dit zal vallen bij de simulatie-gemeenschap. ‘We verwachten dat er een duidelijke impact zal zijn op bepaalde terreinen van fundamenteel onderzoek, van biofysica tot geneesmiddelenonderzoek en materiaalwetenschap.’

Zie ook de website van het Martini krachtenveld en gebruikersplatform.

Referentie: Paulo C. T. Souza, Riccardo Alessandri, Jonathan Barnoud, Sebastian Thallmair, Ignacio Faustino, Fabian Grunewald, Ilias Patmanidis, Haleh Abdizadeh, Bart M.H. Bruininks, Tsjerk A. Wassenaar, Peter C. Kroon, Josef Melcr, Vincent Nieto, Valentina Corradi, Hanif M. Khan, Jan Domański, Matti Javanainen, Hector Martinez-Seara, Nathalie Reuter, Robert B. Best, Ilpo Vattulainen, Luca Monticelli, Xavier Periole, D. Peter Tieleman, Alex H. de Vries, Siewert J. Marrink: Martini 3: a general purpose force field for coarse-grained molecular dynamics. Nature Methods 29 maart 2021