【摘要】 GROMACS 分子动力学轨迹如何做簇分析？本文介绍 RMSD 归簇原理、轨迹预处理、gmx cluster 命令和结果文件。

科研人必备干货｜全套科研知识库

常用科研资料汇总，点击领取即可获取。

 

GROMACS 的 gmx cluster 可以按照结构间 RMSD 将分子动力学轨迹中的相似构象归为不同簇，并输出簇的组成、代表性结构和 RMSD 分布。完整流程包括轨迹预处理、分析范围设置、拟合组选择、归簇方法确认和结果检查。

 

一、簇分析的基本原理

程序通常先对轨迹帧进行叠合，再计算帧与帧之间的 RMSD，最后根据归簇方法和 RMSD 截断值将相似构象归入同一簇。每个簇可以输出一个代表性结构，用于观察体系中较常出现的构象状态。

 

二、分析前的准备

基础输入通常包括 md.xtc、对应的 md.tpr 和可选的 index.ndx。周期性边界可能让分子出现断裂或跨盒跳跃，直接计算 RMSD 会把这类坐标问题误认为结构差异。可以依次处理：

gmx trjconv -s md.tpr -f md.xtc -o md_whole.xtc -pbc whole

gmx trjconv -s md.tpr -f md_whole.xtc -o md_nojump.xtc -pbc nojump

gmx trjconv -s md.tpr -f md_nojump.xtc -o md_center.xtc -center -pbc mol -ur compact

处理后用 VMD 检查分子是否完整、是否突然跳跃。轨迹保存过密时，可用 -b、-e 和 -dt 控制分析范围与取帧间隔，例如：

-b 20 -e 100 -dt 0.1

需要比较不同体系时，应尽量保持时间范围、取帧间隔和原子分组一致。

 

三、拟合组、RMSD 组与归簇方法

运行 gmx cluster 时，程序通常会要求选择最小二乘拟合组和 RMSD 计算组。两者可以相同，也可以按研究问题设置为不同分组。默认分组不合适时，可创建索引：

gmx make_ndx -f md.tpr -o index.ndx

GROMOS 方法按邻居数量形成簇，主要参数是 -cutoff。linkage 是单连接方法，Jarvis-Patrick 基于共同邻居。不同方法会改变簇边界和数量，不能直接互相比较。

 

四、示例命令与结果检查

示例从 500 ps 开始分析，使用 GROMOS 方法和 0.25 的 RMSD 截断值：

gmx cluster -f md_center.xtc -s md.tpr -cutoff 0.25 -b 500 -wcl 10 -method gromos -sz

不同 GROMACS 版本的选项可能存在差异，运行前应查看本机 gmx cluster -h。-cutoff 应结合体系测试：过大可能使簇数量过少，过小则可能产生过多小簇。

文件

作用

cluster.log

查看簇与轨迹帧的对应关系

clusters.pdb

查看代表性结构或簇结构

rmsd-clust.xpm

查看帧间 RMSD 与簇分区

rmsd-dist.xvg

查看结构间 RMSD 分布

cluster-size.xvg

查看各簇包含的帧数

clusters.ndx

保存各簇对应的轨迹帧编号

 

五、结果是否可信的四个检查点

代表性结构之间是否有可解释差异？同一簇内部是否足够相似？截断值变化后主要结论是否稳定？簇容量与时间分布是否符合采样条件？只报告簇数量，通常不足以解释构象分析结果。

围绕理论计算相关问题咨询科学指南针·唯理计算时，也可以把轨迹连续性、原子分组、截断值和输出文件作为前期沟通清单，先明确需要解释的结构问题和结果形式。

 

常见问题

簇分析前为什么要处理周期性边界？

周期性边界可能让分子断裂或跨盒跳跃，使相近构象产生较大的表观 RMSD。先生成连续、完整的轨迹，可以减少这类坐标问题对归簇结果的影响。

-cutoff 越大越好吗？

不是。截断值越大，允许归入同一簇的 RMSD 差异范围通常越宽，簇数量可能减少；过小又可能产生大量小簇。应结合体系和分析目的选择。

不同算法得到的簇数量能直接比较吗？

不建议。算法逻辑不同会改变簇编号、边界和数量。比较时应固定算法、截断值、时间范围、取帧间隔和原子分组。

配套阅读：GROMACS 轨迹预处理与取帧；gmx cluster 参数与输出文件。