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Molecular Dynamics

Ejecuta y analiza simulaciones de dinámica molecular con OpenMM y MDAnalysis: monta sistemas de proteínas/moléculas pequeñas, corre MD de producción y analiza trayectorias (RMSD, RMSF, mapas de contacto).

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Funciona con cualquier agente que lea SKILL.md

npx -y skills add K-Dense-AI/scientific-agent-skills --skill molecular-dynamics --agent claude-code

Se instala solo en este repositorio.

Qué hace

  • Prepara sistemas de proteínas y moléculas pequeñas con OpenMM (campos de fuerza, solvatación, PDBFixer)
  • Ejecuta minimización de energía, equilibración NVT/NPT y MD de producción con reporteros y checkpoints
  • Analiza trayectorias con MDAnalysis: RMSD, RMSF por residuo, contactos proteína-ligando
  • Da una guía de selección de campo de fuerza según el tipo de sistema (AMBER14, CHARMM36m, GAFF2)
  • Parametriza ligandos pequeños con OpenFF/GAFF2 para simulaciones proteína-ligando

Úsalo cuando

  • Analizar cómo una mutación afecta la dinámica de una proteína
  • Caracterizar el modo de unión y tiempo de residencia de un ligando
  • Explorar la flexibilidad y cambios conformacionales de una proteína
  • Cuantificar fluctuaciones estructurales con RMSD/RMSF

No lo uses cuando

    Qué lo activa

    Di cualquiera de estas frases y el agente debería cargar este skill.

    • Monta un sistema OpenMM para esta proteína y equilíbralo
    • Corre una simulación de MD de producción de 1 ns
    • Calcula el RMSD y RMSF de esta trayectoria
    • Analiza los contactos proteína-ligando en esta simulación

    SKILL.md

    En inglés

    Molecular Dynamics

    Overview

    Molecular dynamics (MD) simulation computationally models the time evolution of molecular systems by integrating Newton's equations of motion. This skill covers two complementary tools:

    • OpenMM (https://openmm.org/): High-performance MD simulation engine with GPU support, Python API, and flexible force field support
    • MDAnalysis (https://mdanalysis.org/): Python library for reading, writing, and analyzing MD trajectories from all major simulation packages

    Installation:

    conda install -c conda-forge openmm mdanalysis nglview
    # or
    uv pip install openmm mdanalysis
    

    When to Use This Skill

    Use molecular dynamics when:

    • Protein stability analysis: How does a mutation affect protein dynamics?
    • Drug binding simulations: Characterize binding mode and residence time of a ligand
    • Conformational sampling: Explore protein flexibility and conformational changes
    • Protein-protein interaction: Model interface dynamics and binding energetics
    • RMSD/RMSF analysis: Quantify structural fluctuations from a reference structure
    • Free energy estimation: Compute binding free energy or conformational free energy
    • Membrane simulations: Model proteins in lipid bilayers
    • Intrinsically disordered proteins: Study IDR conformational ensembles

    Core Workflow: OpenMM Simulation

    1. System Preparation

    from openmm.app import *
    from openmm import *
    from openmm.unit import *
    import sys
    
    def prepare_system_from_pdb(pdb_file, forcefield_name="amber14-all.xml",
                                  water_model="amber14/tip3pfb.xml"):
        """
        Prepare an OpenMM system from a PDB file.
    
        Args:
            pdb_file: Path to cleaned PDB file (use PDBFixer for raw PDB files)
            forcefield_name: Force field XML file
            water_model: Water model XML file
    
        Returns:
            pdb, forcefield, system, topology
        """
        # Load PDB
        pdb = PDBFile(pdb_file)
    
        # Load force field
        forcefield = ForceField(forcefield_name, water_model)
    
        # Add hydrogens and solvate
        modeller = Modeller(pdb.topology, pdb.positions)
        modeller.addHydrogens(forcefield)
    
        # Add solvent box (10 Å padding, 150 mM NaCl)
        modeller.addSolvent(
            forcefield,
            model='tip3p',
            padding=10*angstroms,
            ionicStrength=0.15*molar
        )
    
        print(f"System: {modeller.topology.getNumAtoms()} atoms, "
              f"{modeller.topology.getNumResidues()} residues")
    
        # Create system
        system = forcefield.createSystem(
            modeller.topology,
            nonbondedMethod=PME,         # Particle Mesh Ewald for long-range electrostatics
            nonbondedCutoff=1.0*nanometer,
            constraints=HBonds,           # Constrain hydrogen bonds (allows 2 fs timestep)
            rigidWater=True,
            ewaldErrorTolerance=0.0005
        )
    
        return modeller, system
    

    2. Energy Minimization

    from openmm.app import *
    from openmm import *
    from openmm.unit import *
    
    def minimize_energy(modeller, system, output_pdb="minimized.pdb",
                         max_iterations=1000, tolerance=10.0):
        """
        Energy minimize the system to remove steric clashes.
    
        Args:
            modeller: Modeller object with topology and positions
            system: OpenMM System
            output_pdb: Path to save minimized structure
            max_iterations: Maximum minimization steps
            tolerance: Convergence criterion in kJ/mol/nm
    
        Returns:
            simulation object with minimized positions
        """
        # Set up integrator (doesn't matter for minimization)
        integrator = LangevinMiddleIntegrator(300*kelvin, 1/picosecond, 0.004*picoseconds)
    
        # Create simulation
        # Use GPU if available (CUDA or OpenCL), fall back to CPU
        try:
            platform = Platform.getPlatformByName('CUDA')
            properties = {'DeviceIndex': '0', 'Precision': 'mixed'}
        except Exception:
            try:
                platform = Platform.getPlatformByName('OpenCL')
                properties = {}
            except Exception:
                platform = Platform.getPlatformByName('CPU')
                properties = {}
    
        simulation = Simulation(
            modeller.topology, system, integrator,
            platform, properties
        )
        simulation.context.setPositions(modeller.positions)
    
        # Check initial energy
        state = simulation.context.getState(getEnergy=True)
        print(f"Initial energy: {state.getPotentialEnergy()}")
    
        # Minimize
        simulation.minimizeEnergy(
            tolerance=tolerance*kilojoules_per_mole/nanometer,
            maxIterations=max_iterations
        )
    
        state = simulation.context.getState(getEnergy=True, getPositions=True)
        print(f"Minimized energy: {state.getPotentialEnergy()}")
    
        # Save minimized structure
        with open(output_pdb, 'w') as f:
            PDBFile.writeFile(simulation.topology, state.getPositions(), f)
    
        return simulation
    

    3. NVT Equilibration

    from openmm.app import *
    from openmm import *
    from openmm.unit import *
    
    def run_nvt_equilibration(simulation, n_steps=50000, temperature=300,
                                report_interval=1000, output_prefix="nvt"):
        """
        NVT equilibration: constant N, V, T.
        Equilibrate velocities to target temperature.
    
        Args:
            simulation: OpenMM Simulation (after minimization)
            n_steps: Number of MD steps (50000 × 2fs = 100 ps)
            temperature: Temperature in Kelvin
            report_interval: Steps between data reports
            output_prefix: File prefix for trajectory and log
        """
        # Add position restraints for backbone during NVT
        # (Optional: restraint heavy atoms)
    
        # Set temperature
        simulation.context.setVelocitiesToTemperature(temperature*kelvin)
    
        # Add reporters
        simulation.reporters = []
    
        # Log file
        simulation.reporters.append(
            StateDataReporter(
                f"{output_prefix}_log.txt",
                report_interval,
                step=True,
                potentialEnergy=True,
                kineticEnergy=True,
                temperature=True,
                volume=True,
                speed=True
            )
        )
    
        # DCD trajectory (compact binary format)
        simulation.reporters.append(
            DCDReporter(f"{output_prefix}_traj.dcd", report_interval)
        )
    
        print(f"Running NVT equilibration: {n_steps} steps ({n_steps*2/1000:.1f} ps)")
        simulation.step(n_steps)
        print("NVT equilibration complete")
    
        return simulation
    

    4. NPT Equilibration and Production

    def run_npt_production(simulation, n_steps=500000, temperature=300, pressure=1.0,
                            report_interval=5000, output_prefix="npt"):
        """
        NPT production run: constant N, P, T.
    
        Args:
            n_steps: Production steps (500000 × 2fs = 1 ns)
            temperature: Temperature in Kelvin
            pressure: Pressure in bar
            report_interval: Steps between reports
        """
        # Add Monte Carlo barostat for pressure control
        system = simulation.context.getSystem()
        system.addForce(MonteCarloBarostat(pressure*bar, temperature*kelvin, 25))
        simulation.context.reinitialize(preserveState=True)
    
        # Update reporters
        simulation.reporters = []
        simulation.reporters.append(
            StateDataReporter(
                f"{output_prefix}_log.txt",
                report_interval,
                step=True,
                potentialEnergy=True,
                temperature=True,
                density=True,
                speed=True
            )
        )
        simulation.reporters.append(
            DCDReporter(f"{output_prefix}_traj.dcd", report_interval)
        )
    
        # Save checkpoints
        simulation.reporters.append(
            CheckpointReporter(f"{output_prefix}_checkpoint.chk", 50000)
        )
    
        print(f"Running NPT production: {n_steps} steps ({n_steps*2/1000000:.2f} ns)")
        simulation.step(n_steps)
        print("Production MD complete")
        return simulation
    

    Trajectory Analysis with MDAnalysis

    1. Load Trajectory

    import MDAnalysis as mda
    from MDAnalysis.analysis import rms, align, contacts
    import numpy as np
    import matplotlib.pyplot as plt
    
    def load_trajectory(topology_file, trajectory_file):
        """
        Load an MD trajectory with MDAnalysis.
    
        Args:
            topology_file: PDB, PSF, or other topology file
            trajectory_file: DCD, XTC, TRR, or other trajectory
        """
        u = mda.Universe(topology_file, trajectory_file)
        print(f"Universe: {u.atoms.n_atoms} atoms, {u.trajectory.n_frames} frames")
        print(f"Time range: 0 to {u.trajectory.totaltime:.0f} ps")
        return u
    

    2. RMSD Analysis

    def compute_rmsd(u, selection="backbone", reference_frame=0):
        """
        Compute RMSD of selected atoms relative to reference frame.
    
        Args:
            u: MDAnalysis Universe
            selection: Atom selection string (MDAnalysis syntax)
            reference_frame: Frame index for reference structure
    
        Returns:
            numpy array of (time, rmsd) values
        """
        # Align trajectory to minimize RMSD
        aligner = align.AlignTraj(u, u, select=selection, in_memory=True)
        aligner.run()
    
        # Compute RMSD
        R = rms.RMSD(u, select=selection, ref_frame=reference_frame)
        R.run()
    
        rmsd_data = R.results.rmsd  # columns: frame, time, RMSD
        return rmsd_data
    
    def plot_rmsd(rmsd_data, title="RMSD over time", output_file="rmsd.png"):
        """Plot RMSD over simulation time."""
        fig, ax = plt.subplots(figsize=(10, 4))
        ax.plot(rmsd_data[:, 1] / 1000, rmsd_data[:, 2], 'b-', linewidth=0.5)
        ax.set_xlabel("Time (ns)")
        ax.set_ylabel("RMSD (Å)")
        ax.set_title(title)
        ax.axhline(rmsd_data[:, 2].mean(), color='r', linestyle='--',
                   label=f'Mean: {rmsd_data[:, 2].mean():.2f} Å')
        ax.legend()
        plt.tight_layout()
        plt.savefig(output_file, dpi=150)
        return fig
    

    3. RMSF Analysis (Per-Residue Flexibility)

    def compute_rmsf(u, selection="backbone", start_frame=0):
        """
        Compute per-residue RMSF (flexibility).
    
        Returns:
            resids, rmsf_values arrays
        """
        # Select atoms
        atoms = u.select_atoms(selection)
    
        # Compute RMSF
        R = rms.RMSF(atoms)
        R.run(start=start_frame)
    
        # Average by residue
        resids = []
        rmsf_per_res = []
        for res in u.select_atoms(selection).residues:
            res_atoms = res.atoms.intersection(atoms)
            if len(res_atoms) > 0:
                resids.append(res.resid)
                rmsf_per_res.append(R.results.rmsf[res_atoms.indices].mean())
    
        return np.array(resids), np.array(rmsf_per_res)
    

    4. Protein-Ligand Contacts

    def analyze_contacts(u, protein_sel="protein", ligand_sel="resname LIG",
                          radius=4.5, start_frame=0):
        """
        Track protein-ligand contacts over trajectory.
    
        Args:
            radius: Contact distance cutoff in Angstroms
        """
        protein = u.select_atoms(protein_sel)
        ligand = u.select_atoms(ligand_sel)
    
        contact_frames = []
        for ts in u.trajectory[start_frame:]:
            # Find protein atoms within radius of ligand
            distances = contacts.contact_matrix(
                protein.positions, ligand.positions, radius
            )
            contact_residues = set()
            for i in range(distances.shape[0]):
                if distances[i].any():
                    contact_residues.add(protein.atoms[i].resid)
            contact_frames.append(contact_residues)
    
        return contact_frames
    

    Force Field Selection Guide

    System Recommended Force Field Water Model
    Standard proteins AMBER14 (amber14-all.xml) TIP3P-FB
    Proteins + small molecules AMBER14 + GAFF2 TIP3P-FB
    Membrane proteins CHARMM36m TIP3P
    Nucleic acids AMBER99-bsc1 or AMBER14 TIP3P
    Disordered proteins ff19SB or CHARMM36m TIP3P

    System Preparation Tools

    PDBFixer (for raw PDB files)

    from pdbfixer import PDBFixer
    from openmm.app import PDBFile
    
    def fix_pdb(input_pdb, output_pdb, ph=7.0):
        """Fix common PDB issues: missing residues, atoms, add H, standardize."""
        fixer = PDBFixer(filename=input_pdb)
        fixer.findMissingResidues()
        fixer.findNonstandardResidues()
        fixer.replaceNonstandardResidues()
        fixer.removeHeterogens(True)    # Remove water/ligands
        fixer.findMissingAtoms()
        fixer.addMissingAtoms()
        fixer.addMissingHydrogens(ph)
    
        with open(output_pdb, 'w') as f:
            PDBFile.writeFile(fixer.topology, fixer.positions, f)
    
        return output_pdb
    

    GAFF2 for Small Molecules (via OpenFF Toolkit)

    # For ligand parameterization, use OpenFF toolkit or ACPYPE
    # uv pip install openff-toolkit
    from openff.toolkit import Molecule, ForceField as OFFForceField
    from openff.interchange import Interchange
    
    def parameterize_ligand(smiles, ff_name="openff-2.0.0.offxml"):
        """Generate GAFF2/OpenFF parameters for a small molecule."""
        mol = Molecule.from_smiles(smiles)
        mol.generate_conformers(n_conformers=1)
    
        off_ff = OFFForceField(ff_name)
        interchange = off_ff.create_interchange(mol.to_topology())
        return interchange
    

    Best Practices

    • Always minimize before MD: Raw PDB structures have steric clashes
    • Equilibrate before production: NVT (50–100 ps) → NPT (100–500 ps) → Production
    • Use GPU: Simulations are 10–100× faster on GPU (CUDA/OpenCL)
    • 2 fs timestep with HBonds constraints: Standard; use 4 fs with HMR (hydrogen mass repartitioning)
    • Analyze only equilibrated trajectory: Discard first 20–50% as equilibration
    • Save checkpoints: MD runs can fail; checkpoints allow restart
    • Periodic boundary conditions: Required for solvated systems
    • PME for electrostatics: More accurate than cutoff methods for charged systems

    Additional Resources

    Reproducido de K-Dense-AI/scientific-agent-skills bajo licencia MIT. Leer esta página en markdown.

    Archivos

    2 archivos en el paquete. Solo se lee SKILL.md al activarse — las referencias se cargan si el skill decide que las necesita.

    Antes de instalar

    Necesita OpenMM y MDAnalysis instalados (`conda install -c conda-forge openmm mdanalysis nglview` o `uv pip install openmm mdanalysis`); simulaciones con GPU requieren CUDA u OpenCL.

    Detalles

    Creador
    K-Dense-AI
    Licencia
    MIT
    Recursos incluidos
    referencias
    Código fuente
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    Etiquetas

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    Aeon

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    Para tareas de machine learning con series temporales: clasificación, regresión, clustering, forecasting, detección de anomalías, segmentación y búsqueda de similitud, con APIs compatibles con scikit-learn.

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    Anndata

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    Estructura de datos para matrices anotadas en análisis de célula única. Úsala con archivos .h5ad o el ecosistema scverse; para análisis usa scanpy, para modelos probabilísticos scvi-tools, para escala poblacional cellxgene-census.

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    datos analitica

    Infiere redes de regulación génica (GRN) a partir de datos de expresión génica con algoritmos escalables (GRNBoost2, GENIE3), para transcriptómica bulk o de célula única, con computación distribuida.

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