सीएचएआरएमए

हार्वर्ड मैक्रोमोलेक्यूलर मैकेनिक्स (CHARMM) में रसायन विज्ञान आणविक गतिशीलता के लिए व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) के सेट का नाम है, और उनके साथ जुड़े आणविक गतिशीलता सिमुलेशन और विश्लेषण कंप्यूटर सॉफ़्टवेयर  पैकेज का नाम है।  CHARMM विकास परियोजना में CHARMM कार्यक्रम को विकसित करने और बनाए रखने के लिए हार्वर्ड में मार्टिन कारप्लस और उनके समूह के साथ काम करने वाले डेवलपर्स का एक विश्वव्यापी नेटवर्क शामिल है। इस सॉफ़्टवेयर के लाइसेंस शैक्षणिक क्षेत्र में काम करने वाले लोगों और समूहों के लिए शुल्क देकर उपलब्ध हैं।

बल क्षेत्र
प्रोटीन के लिए CHARMM बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) में शामिल हैं: संयुक्त-परमाणु (कभी-कभी विस्तारित परमाणु कहा जाता है) CHARMM19, अल-अटोमा चार्म22 और इसकी डायहेड्रल क्षमता संशोधित संस्करण CHARMM22/CMAP, साथ ही बाद के संस्करण CHARMM27 और CHARMM36 और CHARMM36m और CHARMM36IDPSFF जैसे विभिन्न संशोधन। CHARMM22 प्रोटीन बल क्षेत्र में, परमाणु आंशिक चार्ज मॉडल यौगिकों और पानी के बीच बातचीत की क्वांटम रासायनिक गणना से प्राप्त किए गए थे। इसके अलावा, CHARMM22 को TIP3P स्पष्ट जल मॉडल के लिए पैरामीट्रिज्ड किया गया है। फिर भी, इसका उपयोग अक्सर अंतर्निहित सॉल्वैंट्स के साथ किया जाता है। 2006 में, अंतर्निहित विलायक GBSW के साथ लगातार उपयोग के लिए CHARMM22/CMAP का एक विशेष संस्करण पुन: तैयार किया गया था। CHARMM22 बल क्षेत्र में निम्नलिखित संभावित ऊर्जा कार्य हैं:

$$\begin{align}V=&\sum_{bonds}k_b(b-b_0)^2+\sum_{angles}k_{\theta}(\theta-\theta_0)^2+\sum_{dihedrals}k_\phi[1+cos(n\phi-\delta)]\\ &+\sum_{impropers}k_\omega(\omega-\omega_0)^2+\sum_{Urey-Bradley}k_u(u-u_0)^2\\ &+\sum_{nonbonded}\left(\epsilon_{ij}\left[\left(\frac{R_{min_{ij}}}{r_{ij}}\right)^{12}-2\left(\frac{R_{min_{ij}}}{r_{ij}}\right)^6\right]+\frac{q_i q_j}{\epsilon_r r_{ij}}\right)\end{align}$$ बंधन, कोण, डायहेड्रल और गैर-बंधित शब्द अन्य बल क्षेत्रों जैसे AMBER#Functional_form में पाए जाने वाले समान हैं। CHARMM बल क्षेत्र में विमान के बाहर झुकने के लिए एक अनुचित शब्द लेखांकन भी शामिल है (जो चार परमाणुओं के किसी भी सेट पर लागू होता है जो क्रमिक रूप से बंधे नहीं होते हैं), जहां $$k_\omega$$ बल स्थिरांक है और $$\omega-\omega_0$$ समतल कोण है. उरे-ब्रैडली शब्द एक क्रॉस-टर्म है जो 1,3 नॉनबॉन्डेड इंटरैक्शन के लिए जिम्मेदार है जो बॉन्ड और कोण शर्तों के हिसाब से नहीं है; $$k_u$$ बल स्थिरांक है और $$u$$ 1,3 परमाणुओं के बीच की दूरी है।

डीएनए, आरएनए और लिपिड के लिए, CHARMM27 प्रयोग किया जाता है। कुछ बल क्षेत्रों को जोड़ा जा सकता है, उदाहरण के लिए प्रोटीन-डीएनए बाइंडिंग के अनुकरण के लिए CHARMM22 और CHARMM27। इसके अलावा, एनएडी+, शर्करा, फ्लोरिनेटेड यौगिक आदि के पैरामीटर भी डाउनलोड किए जा सकते हैं। ये बल फ़ील्ड संस्करण संख्याएं CHARMM संस्करण को संदर्भित करती हैं जहां वे पहली बार दिखाई दिए थे, लेकिन निश्चित रूप से CHARMM निष्पादन योग्य प्रोग्राम के बाद के संस्करणों के साथ उपयोग किया जा सकता है। इसी तरह, इन बल क्षेत्रों का उपयोग अन्य आणविक गतिशीलता कार्यक्रमों में किया जा सकता है जो उनका समर्थन करते हैं।

2009 में, दवा जैसे अणुओं के लिए एक सामान्य बल क्षेत्र (CGenFF) पेश किया गया था। इसमें बायोमोलेक्यूल्स और दवा जैसे अणुओं में मौजूद रासायनिक समूहों की एक विस्तृत श्रृंखला शामिल है, जिसमें बड़ी संख्या में हेट्रोसाइक्लिक मचान भी शामिल हैं। सामान्य बल क्षेत्र को रासायनिक समूहों के किसी भी संयोजन को कवर करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह अनिवार्य रूप से अणुओं के किसी विशेष उपवर्ग का प्रतिनिधित्व करने के लिए सटीकता में कमी के साथ आता है। मैकेरल की वेबसाइट में उपयोगकर्ताओं को बार-बार चेतावनी दी जाती है कि वे उन अणुओं के लिए CGenFF मापदंडों का उपयोग न करें जिनके लिए विशेष बल क्षेत्र पहले से मौजूद हैं (जैसा कि प्रोटीन, न्यूक्लिक एसिड आदि के लिए ऊपर बताया गया है)।

CHARMM में दो दृष्टिकोणों का उपयोग करके ध्रुवीकरण योग्य बल क्षेत्र भी शामिल हैं। एक उतार-चढ़ाव वाले चार्ज (एफक्यू) मॉडल पर आधारित है, जिसे चार्ज इक्विलिब्रेशन (सीएचईक्यू) भी कहा जाता है। दूसरा ड्रूड कण शैल या फैलाव थरथरानवाला मॉडल पर आधारित है। इन सभी बल क्षेत्रों के पैरामीटर मैकेरल वेबसाइट से निःशुल्क डाउनलोड किए जा सकते हैं।

आण्विक गतिशीलता कार्यक्रम
CHARMM कार्यक्रम आणविक सिमुलेशन की एक विस्तृत श्रृंखला तैयार करने और उसका विश्लेषण करने की अनुमति देता है। सिमुलेशन के सबसे बुनियादी प्रकार आणविक गतिशीलता प्रक्षेपवक्र की दी गई संरचना और उत्पादन रन को कम करना है। अधिक उन्नत सुविधाओं में मुक्त ऊर्जा गड़बड़ी (एफईपी), अर्ध-हार्मोनिक एन्ट्रॉपी अनुमान, सहसंबंध विश्लेषण और संयुक्त क्वांटम, और क्वांटम यांत्रिकी - आणविक यांत्रिकी (क्यूएम/एमएम) विधियां शामिल हैं।

CHARMM आणविक गतिशीलता के लिए सबसे पुराने कार्यक्रमों में से एक है। इसमें कई विशेषताएं एकत्रित की गई हैं, जिनमें से कुछ को मामूली भिन्नताओं के साथ कई कीवर्ड के अंतर्गत डुप्लिकेट किया गया है। यह दुनिया भर में CHARMM पर काम कर रहे कई दृष्टिकोणों और समूहों का एक अपरिहार्य परिणाम है। चेंजलॉग फ़ाइल, और CHARMM का स्रोत कोड, नाम देखने के लिए अच्छी जगहें हैं और मुख्य डेवलपर्स की संबद्धताएँ। मिशिगन विश्वविद्यालय में चार्ल्स एल. ब्रूक्स III के समूह की भागीदारी और समन्वय प्रमुख है।

सॉफ्टवेयर इतिहास
1969 के आसपास, छोटे अणुओं के लिए संभावित ऊर्जा कार्यों को विकसित करने में काफी रुचि थी। CHARMM की उत्पत्ति हार्वर्ड में मार्टिन कारप्लस के समूह में हुई। कारप्लस और उनके तत्कालीन स्नातक छात्र ब्रूस गेलिन ने फैसला किया कि एक कार्यक्रम विकसित करने का समय आ गया है जो किसी दिए गए अमीनो एसिड अनुक्रम और निर्देशांक का एक सेट (उदाहरण के लिए, एक्स-रे संरचना से) लेना और इस जानकारी का उपयोग करना संभव बना देगा। परमाणु स्थितियों के फलन के रूप में प्रणाली की ऊर्जा की गणना करें। करप्लस ने (उस समय अज्ञात) कार्यक्रम के विकास में प्रमुख इनपुट के महत्व को स्वीकार किया है, जिसमें शामिल हैं:


 * वेइज़मैन इंस्टीट्यूट में श्नीयर लाइफसन का समूह, विशेष रूप से एरीह वारशेल से जो हार्वर्ड गए और अपने लगातार बल क्षेत्र (सीएफएफ) कार्यक्रम को अपने साथ लाए।
 * कॉर्नेल विश्वविद्यालय में हेरोल्ड शेरागा का समूह
 * प्रोटीन के लिए माइकल लेविट की अग्रणी ऊर्जा गणना के बारे में जागरूकता

1980 के दशक में, आख़िरकार एक पेपर सामने आया और CHARMM ने अपनी सार्वजनिक शुरुआत की। तब तक गेलिन का कार्यक्रम काफी हद तक पुनर्गठित हो चुका था। प्रकाशन के लिए, बॉब ब्रुकोलेरी HARMM (हार्वर्ड मैक्रोमोलेक्यूलर मैकेनिक्स) नाम लेकर आए, लेकिन यह अनुपयुक्त लगा। इसलिए उन्होंने रसायन विज्ञान के लिए सी जोड़ा। कारप्लस ने कहा: मुझे कभी-कभी आश्चर्य होता है कि क्या ब्रुकोलेरी का मूल सुझाव कार्यक्रम के साथ काम करने वाले अनुभवहीन वैज्ञानिकों के लिए एक उपयोगी चेतावनी के रूप में काम करता होगा। CHARMM का विकास जारी है और निष्पादन योग्य प्रोग्राम की नवीनतम रिलीज़ 2015 में CHARMM40b2 के रूप में की गई थी।

यूनिक्स-लिनक्स के अंतर्गत CHARMM चलाना
प्रोग्राम का उपयोग करने का सामान्य सिंटैक्स है:


 * - उपयोग किए जा रहे कंप्यूटर सिस्टम पर प्रोग्राम का नाम (या स्क्रिप्ट जो प्रोग्राम चलाता है)।
 * - एक टेक्स्ट फ़ाइल जिसमें CHARMM कमांड शामिल हैं। यह आणविक टोपोलॉजी (शीर्ष) और बल क्षेत्र (रसायन विज्ञान) (बराबर) को लोड करके शुरू होता है। फिर कोई आणविक संरचनाओं के कार्टेशियन निर्देशांक को लोड करता है (उदाहरण के लिए पीडीबी फाइलों से)। फिर कोई अणुओं को संशोधित कर सकता है (हाइड्रोजन जोड़कर, द्वितीयक संरचना बदल सकता है)। गणना अनुभाग में ऊर्जा न्यूनतमकरण, गतिशीलता उत्पादन और गति और ऊर्जा सहसंबंध जैसे विश्लेषण उपकरण शामिल हो सकते हैं।
 * - CHARMM रन के लिए लॉग फ़ाइल, जिसमें प्रतिध्वनित कमांड और विभिन्न मात्रा में कमांड आउटपुट शामिल हैं। आउटपुट प्रिंट स्तर को सामान्य रूप से बढ़ाया या घटाया जा सकता है, और न्यूनतमकरण और गतिशीलता जैसी प्रक्रियाओं में प्रिंटआउट आवृत्ति विनिर्देश होते हैं। तापमान, ऊर्जा दबाव आदि के मान उस आवृत्ति पर आउटपुट होते हैं।

स्वयंसेवक कंप्यूटिंग
डेलावेयर विश्वविद्यालय द्वारा होस्ट की गई डॉकिंग@होम, उन परियोजनाओं में से एक है जो वितरित कंप्यूटिंग के लिए एक खुला स्रोत सॉफ्टवेयर | ओपन-सोर्स प्लेटफ़ॉर्म का उपयोग करती है, BOINC, आणविक गतिशीलता के संदर्भ में प्रोटीन-लिगैंड इंटरैक्शन के परमाणु विवरण का विश्लेषण करने के लिए CHARMM का उपयोग करती है। (एमडी) सिमुलेशन और न्यूनतमकरण।

आईबीएम द्वारा प्रायोजित विश्व समुदाय ग्रिड  ने द क्लीन एनर्जी प्रोजेक्ट नाम से एक परियोजना चलाई जिसने अपने पहले चरण में CHARMM का भी उपयोग किया था जो पूरा हो चुका है।

यह भी देखें
• AMBER

• Ascalaph Designer

• GROMACS

• NAMD

• Comparison of force field implementations

• Comparison of software for molecular mechanics modeling

• MacroModel

• MDynaMix

• OPLS

• X-PLOR

• Yasara

बाहरी संबंध

 * , with documentation and helpful discussion forums
 * , BIOVIA
 * CHARMM tutorial
 * MacKerell website, hosts package of force field parameters for CHARMM
 * C.Brooks website
 * CHARMM page at Harvard
 * Roux website
 * Bernard R. Brooks Group website
 * Docking@Home
 * CHARMM-GUI project
 * CHARMMing (CHARMM Interface and Graphics)
 * CHARMM Tutorial