🔬 GROMACS란?

2025년 08월 21일

GROMACS MD 시뮬레이션 분자동역학 포스필드 시뮬레이션 파이프라인 GPU 가속 RMSD 자유에너지

GROMACS는 생체분자와 재료계 모두에 적용 가능한 고성능 오픈소스 분자동역학(MD) 시뮬레이션 도구입니다. 빠른 속도, 다양한 포스필드 지원, 유연한 분석 기능으로 MD 연구의 표준 툴로 자리잡고 있습니다.

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GROMACS(GROningen MAchine for Chemical Simulations) 는 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 위한 대표적인 오픈소스 소프트웨어입니다.

• 단백질, 핵산, 지질, 소분자 등 생체분자 시스템 뿐 아니라, 재료/폴리머 시뮬레이션에도 폭넓게 활용됩니다.
• CPU와 GPU 병렬화 에 최적화되어 대형 시스템 처리 속도 가 탁월합니다.

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⚙️ 작동 원리 및 차별점

🧬 핵심 원리

• 포스필드로 원자 간 상호작용(결합, 각, 비결합)을 정의하고, 뉴턴 방정식을 수치적으로 적분 하여 원자의 시간적 변화를 계산합니다.

• 시뮬레이션 기본 단계:

  • 에너지 최소화 (EM)
  • NVT 등온 등적 조건
  • NPT 등온 등압 조건
  • 생산 런 (Production MD)

🔍 주요 계산 요소

항목	설명
장거리 전기력	PME (Particle Mesh Ewald)
제약 알고리즘	LINCS (H-결합 고정시 dt = 2 fs 가능)
온도/압력 조절	V-rescale, Nosé–Hoover / Parrinello–Rahman
이웃 리스트	rlist, rcoulomb, rvdw, nstlist 등으로 성능/정확도 조정

💡 GROMACS의 강점

• 속도와 효율: 짧은 타임스텝 반복을 빠르게 수행하며, 대형 시스템에서 고성능 발휘
• 다양한 포스필드 지원: AMBER, CHARMM, OPLS-AA, 물 모델 TIP3P/4P 등
• 강력한 분석 기능: gmx rms, gmx sasa, gmx hbond, gmx cluster 등 내장 분석 도구 제공

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📝 사용 방법 안내

A. 입력 파일

• 구조 파일: .pdb, .gro
• 포스필드/물 모델: AMBER, CHARMM, OPLS-AA / TIP3P, TIP4P 등
• 시뮬레이션 파라미터: .mdp 파일 (적분기, 제약, 온도, 압력 등 포함)

B. 전형적인 파이프라인

# 1) 토폴로지/수소 추가/프로톤화 상태 지정
gmx pdb2gmx -f input.pdb -o processed.gro -p topol.top -i posre.itp

# 2) 박스 설정 (여유 1.0 nm)
gmx editconf -f processed.gro -o boxed.gro -c -d 1.0 -bt cubic

# 3) 용매화
gmx solvate -cp boxed.gro -cs spc216.gro -o solvated.gro -p topol.top

# 4) 이온 추가를 위한 사전 grompp
gmx grompp -f ions.mdp -c solvated.gro -p topol.top -o ions.tpr

# 5) 중화 및 이온 농도 설정 (예: 0.15 M NaCl)
echo "SOL" | gmx genion -s ions.tpr -o solv_ions.gro -p topol.top -pname NA -nname CL -neutral -conc 0.15

# 6) 에너지 최소화
gmx grompp -f em.mdp -c solv_ions.gro -p topol.top -o em.tpr
gmx mdrun -deffnm em

# 7) NVT (위치제약 on)
gmx grompp -f nvt.mdp -c em.gro -r em.gro -p topol.top -o nvt.tpr
gmx mdrun -deffnm nvt

# 8) NPT (위치제약 on)
gmx grompp -f npt.mdp -c nvt.gro -r nvt.gro -t nvt.cpt -p topol.top -o npt.tpr
gmx mdrun -deffnm npt

# 9) 생산 런 (제약 해제)
gmx grompp -f md.mdp -c npt.gro -t npt.cpt -p topol.top -o md.tpr
gmx mdrun -deffnm md

C. 기본 MDP 설정 요약

항목	설정 예시
적분기	integrator = md, dt = 0.002
제약	constraints = h-bonds, constraint-algorithm = lincs
전기력	coulombtype = PME
컷오프	rcoulomb = 1.0, rvdw = 1.0
온도/압력	tcoupl = V-rescale, pcoupl = Parrinello-Rahman
이웃리스트	nstlist = 20, rlist = 1.0

D. 분석 명령 예시

gmx rms   -s md.tpr -f md.xtc -o rmsd.xvg
gmx rmsf  -s md.tpr -f md.xtc -o rmsf.xvg -res
gmx hbond -s md.tpr -f md.xtc -num hbond_count.xvg
gmx sasa   -s md.tpr -f md.xtc -o sasa.xvg
gmx cluster -s md.tpr -f noPBC.xtc -o clusters.pdb -method gromos -cutoff 0.2

E. 품질 체크리스트

• EM 수렴: Fmax < 1000 kJ/mol/nm
• NVT: 온도 안정화 확인
• NPT: 밀도 ~1.0 g/cm³ 도달, 상자 크기 안정
• Production: RMSD plateau 확인
• PBC 정리: trjconv -pbc mol -center 등 필수

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🧬 분석 활용 예시

• 리간드 안정성 평가: RMSD/RMSF, 접촉 수, H-bond 지속 시간
• 돌연변이 영향 분석: WT vs Mutant의 구조 변화 비교
• 막단백질-지질 상호작용: 삽입 깊이, 침투성 등 평가
• 수화 네트워크 분석: RDF, 수소결합 히트맵 등
• 자유에너지/친화도 계산: MM/PBSA, FEP/PMF 등 활용
• 재료 물성 시뮬레이션: 확산, 계면 거동, 기계적 특성 등

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🔁 관련 도구 비교 및 연계 분석

도구	특징
NAMD	초대형 시스템, 슈퍼컴 최적화
AMBER	포스필드 다양성, 생물학계 특화
CHARMM	샘플링 기법/분석 도구 다양
OpenMM	Python 기반, GPU에 강함
LAMMPS	재료계, 커스텀 상호작용에 최적

실제 실험에서는 GROMACS와 외부 툴을 혼합 사용하며, 각 목적에 따라 도구 선택이 중요합니다.

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🔗 외부 모듈 연계 예시

• Docking → MD: DiffDock/AutoDock 결과를 NVT/NPT 안정화 후 MD → 포즈 유지 평가
• MD → Interaction Profiling: PLIP/Arpeggio로 상호작용 분석
• MD → 친화도 평가: PRODIGY, MM/PBSA, FEP 등으로 정량 분석
• 자동화 후처리: MDAnalysis, PyEMMA로 대규모 데이터 분석
• 시각화 도구: VMD, PyMOL, ChimeraX 등으로 시각화 최적화

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⚠️ 실무 팁 및 자주 겪는 문제

성능 튜닝

• GPU PME 활성화
• nstlist, verlet-buffer-tolerance 조정
• MPI/Thread 수 미세 조정

자주 겪는 이슈

• 이상한 밀도/압력: 바소스타/시간상수 설정 확인
• PBC 꼬임: trjconv -pbc mol -center -ur compact
• 이온 강도 문제: genion -conc 사용 후 체적 확인
• 메탈 계열: 명시적인 파라미터 및 결합 제약 필요

체크포인트

• 포스필드와 물모형은 세트로 구성
• NVT/NPT 충분히 수행 후 MD 진입
• 덤프 간격은 목적/성능에 맞게 조정
• 분석은 RMSD/RMSF + 접촉 + 에너지 등 복합 해석 필요

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지금 바로 GROMACS 분석 페이지에서 직접 사용해보세요!