The coarse grained (CG) model implements the molecular dynamics simulation by simplifying atom properties and interaction between them. Despite losing certain detailed information, the CG model is still the first-thought option to study the large molecule in long time scale with less computing resource. The deep learning model mainly mimics the human studying process to handle the network input as the image to achieve a good classification and regression result. In this work, the TorchMD, a MD framework combining the CG model and deep learning model, is applied to study the protein folding process. In 3D collective variable (CV) space, the modified find density peaks algorithm is applied to cluster the conformations from the TorchMD CG simulation. The center conformation in different states is searched. And the boundary conformations between clusters are assigned. The string algorithm is applied to study the path between two states, which are compared with the end conformations from all atoms simulations. The result shows that the main phenomenon of protein folding with TorchMD CG model is the same as the all-atom simulations, but with a less simulating time scale. The workflow in this work provides another option to study the protein folding and other relative processes with the deep learning CG model.

[1]
D. E.
Shaw
,
R. O.
Dror
,
J. K.
Salmon
,
J. P.
Grossman
,
K. M.
Mackenzie
,
J. A.
Bank
,
C.
Young
,
M. M.
Deneroff
,
B.
Batson
,
K. J.
Bowers
,
E.
Chow
,
M. P.
Eastwood
,
D. J.
Ierardi
,
J. L.
Klepeis
,
J. S.
Kuskin
,
R. H.
Larson
,
K. L.
Larsen
,
P.
Maragakis
,
M. A.
Moraes
,
S.
Piana
,
Y. B.
Shan
, and
B.
Towles
,
In Proceedings of the Conference on High Performance Computing Networking, Storage and Analysis, SC’09
,
New York, NY
:
Association for Computing Machinery
, (
2009
).
[2]
D. E.
Shaw
,
J. P.
Grossman
,
J. A.
Bank
,
B.
Batson
,
J. A.
Butts
,
J. C.
Chao
,
M. M.
Deneroff
,
R. O.
Dror
,
A.
Even
,
C. H.
Fenton
,
A.
Forte
,
J.
Gagliardo
,
G.
Gill
,
B.
Greskamp
,
C. R.
Ho
,
D. J.
Ierardi
,
L.
Iserovich
,
J. S.
Kuskin
,
R. H.
Larson
,
T.
Layman
,
L. S.
Lee
,
A. K.
Lerer
,
C.
Li
,
D.
Killebrew
,
K. M.
Mackenzie
,
S. H.
Mok
,
M. A.
Moraes
,
R.
Mueller
,
L. J.
Nociolo
,
J. L.
Peticolas
,
T.
Quan
,
D.
Ramot
,
J. K.
Salmon
,
D. P.
Scarpazza
,
U. B.
Schafer
,
N.
Siddique
,
C. W.
Snyder
,
J.
Spengler
,
P. T.
Tang
,
M.
Theobald
,
H.
Toma
,
B.
Towles
,
B.
Vitale
,
S. C.
Wang
, and
C.
Young
,
in SC14: Proceedings of the International Conference for High Performance Computing, Networking, Storage and Analysis
,
41
(
2014
).
[3]
L. A.
Zepeda-Ruiz
,
A.
Stukowski
,
T.
Oppelstrup
, and
V. V.
Bulatov
,
Nature
550
,
492
(
2017
).
[4]
J.
Yang
,
R.
Dettori
,
J. P.
Nunes
,
N. H.
List
,
E.
Biasin
,
M.
Centurion
,
Z. J.
Chen
,
A. A.
Cordones
,
D. P.
Deponte
, and
T. F.
Heinz
,
Nature
596
,
531
(
2021
).
[5]
U. R.
Shrestha
,
P.
Juneja
,
Q.
Zhang
,
V.
Gurumoorthy
,
J. M.
Borreguero
,
V.
Urban
,
X. L.
Cheng
,
S. V.
Pingali
, and
J. C.
Smith
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
116
,
20446
(
2019
).
[6]
S.
Ikemura
,
H.
Yasuda
,
S.
Matsumoto
,
M.
Kamada
,
J.
Hamamoto
,
K.
Masuzawa
,
K.
Kobayashi
,
T.
Manabe
,
D.
Arai
, and
I.
Nakachi
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
116
,
10025
(
2019
).
[7]
M. D.
Vivo
,
M.
Masetti
,
G.
Bottegoni
, and
A.
Cavalli
,
J. Med. Chem.
59
,
4035
(
2016
).
[8]
O. M.
Salo-Ahen
,
I.
Alanko
,
R.
Bhadane
,
A. M.
Bonvin
,
R. V.
Honorato
,
S.
Hossain
,
A. H.
Juffer
,
A.
Kabedev
,
M.
Kakkonen
,
A. S.
Larsen
,
E.
Lescrinier
,
P.
Marimuthu
,
M. U.
Mirza
,
G.
Mustafa
,
A. N.
Alves
,
T.
Pantsar
,
A.
Saadabadi
,
K.
Singaravelu
, and
M.
Vanmeert
,
Processes
9
,
1
(
2021
).
[9]
X. W.
Liu
,
D. F.
Shi
,
S. G.
Zhou
,
H. L.
Liu
,
H. X.
Liu
, and
X. J.
Yao
,
Expert. Opin. Drug. Discov
13
,
23
(
2017
).
[10]
T. E.
Cheatham
and
P. A.
Kollman
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
51
,
435
(
2000
).
[11]
S.
Patodia
,
A.
Bagaria
, and
D.
Chopra
,
J. Phys. Chem. B
4
,
1
(
2014
).
[12]
Y.
LeCun
,
Y.
Bengio
, and
G.
Hinton
,
Nature
521
,
436
(
2015
).
[13]
R.
Baraniuk
,
D.
Donoho
, and
M.
Gavish
,
Proc. Natl. Acad. Sci.
117
,
30029
(
2020
).
[15]
K. T.
Butler
,
D. W.
Davies
,
H.
Cartwright
,
O.
Isayev
, and
A.
Walsh
,
Nature
559
,
547
(
2018
).
[16]
O. T.
Unke
,
S.
Chmiela
,
H. E.
Sauceda
,
M.
Gastegger
,
I.
Poltavsky
,
K. T.
Schtt
,
A.
Tkatchenko
, and
K. R.
Müller
,
Chem. Rev.
121
,
10142
(
2021
).
[17]
H.
Wang
,
L. F.
Zhang
, and
J. Q.
Han
,
Comput. Phys. Commun
228
,
178
(
2018
).
[18]
L. F.
Zhang
,
J. Q.
Han
,
H.
Wang
, and
R.
Car
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
14
(
2018
).
[19]
M.
Bu
,
W. S.
Liang
,
G. M.
Lu
, and
J. G.
Yu
,
Sol. Energy Mater. Sol. Cells
,
232
,
111346
(
2021
).
[20]
F. Z.
Dai
,
Y. J.
Sun
,
B.
Wen
,
H. M.
Xiang
, and
Y. C.
Zhou
,
J. Mater. Sci. Technol.
72
,
8
(
2021
).
[21]
D. H.
Lu
,
H.
Wang
,
M. H.
Chen
,
L.
Lin
,
R.
Car
,
W. L.
Jia
, and
L. F.
Zhang
,
Comput. Phys. Commun.
259
,
107624
(
2021
).
[22]
I. A.
Balyakin
and
S. I.
Sadovnikov
,
Comput. Mater. Sci.
202
,
110963
(
2022
).
[23]
K. T.
Schtt
,
F.
Arbabzadah
,
S.
Chmiela
,
K. R.
Müller
, and
A.
Tkatchenko
,
Nat. Commun.
8
,
1
(
2017
).
[24]
Y.
Li
,
G. H.
Li
,
H. Y.
Min
,
Z. B.
Dong
,
T.
Yuan
,
X. Q.
Li
, and
P. J.
Xu
,
Commun. Inf. Syst.
18
,
229
(
2018
).
[25]
Y.
Qi
,
Chin. Chin. J. Chem. Phys.
34
,
112
(
2021
).
[26]
K.
Schütt
,
P. J.
Kindermans
,
H. E.
Felix
,
S.
Chmiela
,
A.
Tkatchenko
, and
K. R.
Mller
,
Adv. Neural. Inf. Process. Syst
,
1
,
991
(
2017
).
[27]
K. T.
Schütt
,
H. E.
Sauceda
,
P. J.
Kindermans
,
A.
Tkatchenko
, and
K. R.
Mller
,
J. Chem. Phys.
148
,
24
(
2018
).
[28]
K. T.
Schütt
,
P.
Kessel
,
M.
Gastegger
,
K.
Nicoli
,
A.
Tkatchenko
, and
K. R.
Müller
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
448
(
2018
).
[29]
K. T.
Schütt
,
M.
Gastegger
,
A.
Tkatchenko
, and
K. R.
Müller
,
Quantum-Chemical Insights from Interpretable Atomistic Neural Networks
,
Springer
,
311
(
2019
).
[30]
A.
Tkatchenko
,
Learning Representations of Molecules and Materials with Atomistic Neural Networks
,
Springer
,
215
(
2020
).
[31]
K.
Yao
,
J. E.
Herr
,
D. W.
Toth
,
R.
McKintyre
, and
J.
Parkhill
,
Chem. Sci.
9
,
2261
(
2018
).
[32]
A.
Khorshidi
and
A. A.
Peterson
,
Comput. Phys. Commun.
207
,
310
(
2016
).
[33]
J. S.
Smith
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
Sci. Data
4
,
1
(
2017
).
[34]
J. S.
Smith
,
B.
Nebgen
,
N.
Lubbers
,
O.
Isayev
, and
A. E.
Roitberg
,
J. Phys. Chem. C
148
,
241733
(
2018
).
[35]
T.
Ueno
,
T. D.
Rhone
,
Z. F.
Hou
,
T.
Mizoguchi
, and
K.
Tsuda
,
Mater. Discovery
4
,
18
(
2016
).
[36]
B.
Ramsundar
,
P.
Eastman
,
P.
Walters
,
V.
Pande
,
K.
Leswing
, and
Z. Q.
Wu
,
Deep Learning for the Life Sciences
,
O’Reilly Media
, (
2019
).
[37]
A. P.
Bartók
and
G.
Csányi
,
Int. J. Quantum. Chem.
115
,
1051
(
2015
).
[38]
L.
Ward
,
A.
Dunn
,
A.
Faghaninia
,
N. E.
Zimmermann
,
S.
Bajaj
,
Q.
Wang
,
J.
Montoya
,
J. M.
Chen
,
K.
Bystrom
,
M.
Dylla
,
K.
Chard
,
M.
Asta
,
K. A.
Persson
,
G. J.
Snyder
,
I.
Foster
, and
A.
Jain
,
Comput. Mater. Sci.
152
,
60
(
2018
).
[39]
B.
Kolb
,
L. C.
Lentz
, and
A. M.
Kolpak
,
Sci. Rep.
7
,
4
(
2017
).
[40]
H.
Stark
,
D.
Beaini
,
G.
Corso
,
P.
Tossou
,
C.
Dallago
,
S.
Gunnemann
, and
P.
Lio
,
3D Infomax Improves Gnns for Molecular Property Prediction
, (
2021
).
[41]
S.
Izvekov
and
G. A.
Voth
,
J. Phys. Chem. B
109
,
2469
(
2005
).
[42]
C.
Clementi
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
18
,
10
(
2008
).
[43]
S. J.
Marrink
and
D. P.
Tieleman
,
Chem. Soc. Rev.
42
,
6801
(
2013
).
[44]
M. G.
Saunders
and
G. A.
Voth
,
Annu. Rev. Biophys.
42
,
73
(
2013
).
[45]
W. G.
Noid
,
J. Chem. Phys.
139
,
090901
(
2013
).
[46]
M. R.
Machado
,
E. E.
Barrera
,
F.
Klein
,
M.
Sóora
,
S.
Silva
, and
S.
Pantano
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
2719
(
2019
).
[47]
F. S.
Cipcigan
,
J.
Crain
,
V. P.
Sokhan
, and
G. J.
Martyna
,
Rev. Mod. Phys.
91
,
025003
(
2019
).
[48]
D. K.
Duvenaud
,
D.
Maclaurin
,
J.
Iparraguirre
,
R.
Bombarell
,
T.
Hirzel
,
A. A.
Guzik
, and
R. P.
Adams
,
Adv. Neural. Inf. Process. Syst.
2
,
2224
(
2015
).
[49]
W.
Wang
and
R. G.
Bombarelli
,
NPJ. Comput. Mater.
5
,
125
(
2019
).
[50]
J.
Wang
,
S.
Olsson
,
C.
Wehmeyer
,
A.
Pérez
,
N. E.
Charron
,
G. D.
Fabritiis
,
F.
Noé
, and
C.
Clementi
,
ACS Central Sci.
5
,
755
(
2019
).
[51]
F.
Nske
,
L.
Boninsegna
, and
C.
Clementi
,
J. Chem. Phys.
151
,
044116
(
2019
).
[52]
J.
Wang
,
S.
Chmiela
,
K. R.
Müller
,
F.
Noé
, and
C.
Clementi
,
J. Chem. Phys.
152
,
194106
(
2020
).
[53]
S.
Thaler
and
J.
Zavadlav
.
Nat Commun.
12
,
6884
(
2021
).
[54]
J.
Ruza
,
W.
Wang
,
D. S.
Koda
,
S.
Axelrod
,
W. H.
Harris
, and
R. G.
Bombarelli
,
J. Chem. Phys.
153
,
164501
(
2020
).
[55]
B.
Cheng
and
D. M.
Titterington
,
Stat. Sci.
9
,
2
(
1994
).
[56]
T.
Lemke
and
C.
Peter
,
J. Chem. Theory Comput.
13
,
6213
(
2017
).
[57]
L. F.
Zhang
,
J. Q.
Han
,
H.
Wang
, and
R.
Car
,
J. Chem. Phys.
149
,
034101
(
2018
).
[58]
J.
Wang
,
S.
Olsson
,
C.
Wehmeyer
,
A.
Pérez
,
N. E.
Charron
,
G. D.
Fabritiis
,
F.
Noé
, and
C.
Clementi
,
ACS Cent. Sci.
5
,
755
(
2019
).
[59]
H.
Chan
,
M. J.
Cherukara
,
B.
Narayanan
,
T. D.
Loeffler
,
C.
Benmore
,
S. K.
Gray
,
Nat. Commun.
10
,
1
(
2019
).
[60]
J. L.
McDonagh
,
A.
Shkurti
,
D. J.
Bray
,
R. L.
Anderson
, and
E. O.
Knapp
,
J. Chem. Inf. Model.
59
,
4278
(
2019
).
[61]
S. T.
John
and
G.
Csányi
,
J. Phys. Chem. B
121
,
10934
(
2017
).
[62]
B. E.
Husic
,
R. T.
McGibbon
,
M.
Sultan
, and
V. S.
Pande
,
J. Chem. Phys.
145
,
194103
(
2016
).
[63]
A.
Laio
and
M.
Parrinello
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
99
,
12562
(
2002
).
[64]
A.
Laio
and
F. L
Gervasio
,
Rep. Prog. Phys.
71
,
126601
(
2008
).
[65]
A.
Barducci
,
M.
Bonomi
, and
M.
Parrinello
,
Comput. Mater. Sci.
1
,
826
(
2011
).
[66]
L.
Sutto
,
S.
Marsili
, and
F. L.
Gervasio
,
Comput. Mater. Sci.
2
,
771
(
2012
).
[67]
A.
Barducci
,
G.
Bussi
, and
M.
Parrinello
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
020603
(
2008
).
[68]
V.
Hornak
,
R.
Abel
,
A.
Okur
,
B.
Strockbine
,
A.
Roitberg
, and
C.
Simmerling
,
Proteins
65
,
712
(
2006
).
[69]
W. L.
Jorgensen
,
J.
Chandrasekhar
,
J. D.
Madura
,
R. W.
Impey
, and
M. L.
Klein
,
J. Phys. Chem. C
79
,
926
(
1983
).
[70]
S.
Doerr
,
M.
Majewski
,
A.
Pérez
,
A.
Krämer
,
C.
Clementi
,
F.
Noé
,
T.
Giorgino
, and
G. D.
Fabritiis
,
J. Chem. Theory Comput.
17
,
2355
(
2021
).
[71]
A.
Paszke
,
S.
Gross
,
F.
Massa
,
A.
Lerer
,
J.
Bradbury
,
G.
Chanan
,
T.
Killeen
, Z.
M
,
Lin
,
N.
Gimelshein
,
L.
Antiga
,
A.
Desmaison
,
A.
Köpf
,
E.
Yang
,
Z.
DeVito
,
M.
Raison
,
A.
Tejani
,
S.
Chilamkurthy
,
B.
Steiner
,
L.
Fang
,
J. J.
Bai
, and
S.
Chintala
.
Adv. Neural. Inf. Process. Syst.
32
,
8026
(
2019
).
[72]
M. J.
Harvey
,
G.
Giupponi
, and
G. D.
Fabritiis
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
1632
(
2009
).
[73]
P.
Virtanen
,
R.
Gommers
,
T. E.
Oliphant
,
M.
Haberland
,
T.
Reddy
,
D.
Cournapeau
,
E.
Burovski
,
P.
Peterson
,
W.
Weckesser
,
J.
Bright
,
S. J.
Walt
,
M.
Brett
,
J.
Wilson
,
K. J.
Millman
,
N.
Mayorov
,
A. R.
Nelson
,
E.
Jones
,
R.
Kern
,
E.
Larson
,
C. J.
Carey
,
I.
Polat
,
Y.
Feng
,
E. W.
Moore
,
J.
VanderPlas
,
D.
Laxalde
,
J.
Perktold
,
R.
Cimrman
,
I.
Henriksen
,
E. A.
Quintero
,
C. R.
Harris
,
A. M.
Archibald
,
A. H.
Ribeiro
,
F.
Pedregosa
, and
P. V.
Mulbregt
,
Nat. Methods
17
,
261
(
2020
).
[74]
M.
Sarich
,
R.
Banisch
,
C.
Hartmann
, and
C.
Schütte
,
Entropy
16
,
258
(
2014
).
[75]
E.
Súarez
,
J. L
Adelman
, and
D. M.
Zuckerman
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
3473
(
2016
).
[76]
A.
Sirur
,
D. D.
Sancho
, and
R. B.
Best
,
J. Chem. Phys.
144
,
75101
(
2016
).
[77]
H.
Wu
,
F.
Nske
,
F.
Paul
,
S.
Klus
,
P.
Koltai
, and
F.
Noé
,
J. Chem. Phys.
146
,
15
(
2017
).
[78]
B. E.
Husic
and
V. S.
Pande
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
2386
(
2018
).
[79]
H.
Wu
,
A.
Mardt
,
L.
Pasquali
, and
F.
Noé
,
Neural. Inf. Process. Syst.
1050
,
19
(
2018
).
[80]
G. Y.
Wang
,
C. J.
Bu
, and
Y. S.
Luo
,
Digit. Signal. Process.
92
,
97
(
2019
).
[81]
V.
Marinova
,
L.
Dodd
,
S. J.
Lee
,
G. P.
Wood
,
I.
Marziano
, and
M.
Salvalaglio
,
J. Chem. Inf. Model.
61
,
2263
(
2021
).
[82]
F.
Sittel
and
G.
Stock
,
J. Chem. Theory Comput.
12
,
2426
(
2016
).
[83]
S.
Liu
,
L. Z.
Zhu
,
F. K.
Sheong
,
W.
Wang
, and
X. H.
Huang
,
J. Comput. Chem.
38
,
152
(
2017
).
[84]
A.
Rodriguez
and
A.
Laio
,
Science
344
,
1492
(
2014
).
[85]
W. Q.
Ren
and
E. V.
Eijnden
,
J. Phys. Chem. B
109
,
6688
(
2005
).
[86]
W. Q.
Ren
and
E. V.
Eijnden
,
Phys. Rev. B
66
,
052301
(
2002
).
[87]
L.
Maragliano
,
A.
Fischer
,
E. V.
Eijnden
, and
G.
Ciccotti
,
J. Chem. Phys.
125
,
2
(
2006
).
[88]
L.
Maragliano
and
E. V.
Eijnden
,
Chem. Phys. Lett.
446
,
182
(
2007
).
[89]
T. F.
Miller
,
E. V.
Eijnden
, and
D.
Chandler
,
Proc. Natl. Acad. Sci. USA
104
,
14559
(
2007
).
[90]
A. C.
Pan
,
D.
Sezer
, and
B.
Roux
,
J. Phys. Chem. B
112
,
3432
(
2008
).
[91]
W. X.
Gan
,
S. C.
Yang
, and
B.
Roux
,
Biophys. J.
97
,
L8
(
2009
).
[92]
D.
Branduardi
and
J. D.
Gómez
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
4140
(
2013
).
[93]
W.
Lechner
,
J.
Rogal
,
J.
Juraszek
,
B.
Ensing
, and
P. G.
Bolhuis
,
J. Chem. Phys.
133
,
174110
(
2010
).
[94]
G. B.
Arfken
,
H. J.
Weber
, and
F. E.
Harris
,
Mathematical Methods for Physicists, Sixth Edition: A Comprehensive Guide
,
Academic Press
, (
2005
).
[95]
G. D.
Leines
and
B.
Ensing
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
20601
(
2012
).
[96]
S. X.
Zhang
,
A.
Ganguly
,
P.
Goyal
,
J. L.
Bingaman
,
P. C.
Bevilacqua
, and
S. H.
Schiffer
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
784
(
2015
).
[97]
F. N.
Fritsch
and
R. E.
Carlson
,
SIAM. J. Numer. Anal.
17
,
238
(
1980
).
[98]
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graph.
14
,
33
(
1996
).
[99]
H. B.
Charron
,
N. E.
Lemm
,
D.
Wang
,
J. A.
Chen
,
Y. Y.
Olsson
,
S. D.
Fabritiis
,
J. Chem. Phys.
153
,
194101
(
2020
).
This content is only available via PDF.

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.