2022年11月30日，法国约瑟夫傅立叶大学的研究者在Journal of Chemical Information and Modeling上发表论文pDynamo3 Molecular Modeling and Simulation Program。论文详细介绍了作者开发的基于Python的分子建模与模拟程序--pDynamo3。
pDynamo3是用Python 3编写的Dynamo分子建模和模拟库的第一个正式版本。它源自2007年发布的用Python 2编写的第一个pDynamo版本。 pDynamo及其前身fDynamo的设计目的是，为在原子水平上执行分子模拟提供易于使用和灵活的框架 ，特别强调那些采用量子化学（quantum chemical, QC）和分子力学（molecular mechanical, MM）方法的框架。虽然pDynamo3的使用与pDynamo2非常相似，但它增加了显著的新功能，并进行了广泛的重组，这将使其更易于扩展新功能。
pDynamo3代码根据GNU通用公共许可证的发布网址为：
https://github.com/pdynamo/pDynamo3 https://www.pDynamo.org
Dynamo分子建模和模拟库的开发始于20世纪90年代初。因为在当时这些技术软件的选择非常有限，所以这项工作的主要目标是开发一个程序，使其可以使用混合量子化学和分子力学进行分子模拟。Dynamo的第一个版本（现在称为fDynamo）是用Fortran 90/95编写的，并于20世纪90年代末发布。fDynamo实际上不是一个独立的程序，而是一个Fortran模块库，用户可以使用它为自己想要执行的每个特定模拟编写自己的程序。研究者使用fDynamo进行了许多有用的研究，发现脚本语言更适合Dynamo体系结构。在考虑了许多这样的语言之后，2000年代初开始开发Python版本的Dynamo，pDynamo于2007年首次发布，随后在接下来的几年中又发布了几个增量维护版本。 本文介绍了自2007年以来pDynamo库的第一个主要修订版，称为pDynamo3，这在很大程度上是由Python语言版本2和3之间的转换所推动的。Dynamo的所有版本都是根据开源许可证发布的。 pDynamo3保留了pDynamo2的所有功能。它允许使用QC、MM和QC/MM混合方法在原子系统上进行各种能量和力计算，包含广泛的模拟算法，包括几何优化、分子动力学、简正波分析和反应路径查找，并拥有一套重要的分析算法。该库的用法也与pDynamo2非常相似。通过编写Python脚本来执行模拟，这些脚本使用了pDynamic3库中可用的多种方法，并在必要时将这些方法与第三方Python模块和包的广泛应用相结合。作为一个非常简单的例子，图1展示了一个pDynamo3脚本，该脚本使用三种不同的半经验QC方法计算水分子的能量和性质。图1中的脚本只进行了相对有限的计算，但经验表明， 可以在非常简洁的pDynamic3脚本中直接有效地执行各种甚至在理论上非常复杂的模拟和分析，而无需使用更专业的模拟程序。
图1 pDynamo3的示例脚本，使用三种不同的半经验QC方法计算水分子的能量和性质。 尽管与pDynamo2表面相似，但pDynamo3进行了彻底的内部修改。最重要的变化如下：
A.作者通过引入特定有限任务的子包来重构pDynamo包。图2展示了当前包及其子包以及pDynamic3发行版中其他重要的目录的示意图。
B.开发了一个简化的安装过程，它在目录树中找到具有正确结构的所有包和子包，能够自动安装pDynamo。此外，安装脚本允许部分安装和完全安装，这对于开发和测试特别有用。
C.将所有pDynamo的示例和测试重新组合到一个目录中，并具有一个改进的脚本可以运行所有示例和测试，也可以只运行特定包或主题的子集。
D.pDynamo3和pDynamo2一样，在C和Cython中实现了大量的扩展模块，用于数组、线性代数、积分运算等任务。然而，相比之下，pDynamo2的大部分计算量较小的C代码已经转换为Python。尽管这带来了轻微的性能损失，但它极大地促进了新功能的开发和测试，并增加了可以执行的计算类型的范围。
关于库的另外两个实现细节值得强调：(1) Dynamo的所有版本都经过了设计，使得它们的安装对外部库的依赖最小；(2) Dynamo开发始终优先考虑清晰性和易用性，而不是提高速度和减少内存使用的代码优化。
图2 pDynamo3的目录结构概述。包和子包显示为蓝色，包含示例的目录显示为粉色，参数目录显示为绿色，实用程序目录显示为橙色。对于包目录，红色边框表示包具有C/Cython扩展，而阴影表示存在外部依赖项，对于QCModel是可选的，对于pcetk和pySCF是强制的。 作者介绍了三类第三方包，详细介绍如下。
A.pMolecule。QCModel 子包中的两个模块与DFTB+和ORCA QC程序直接耦合。这些耦合通过与其他内置QC能量模型一致的接口实现，以便它们可以互换用于纯QC和混合QC/MM计算。例如，图1中的脚本可以使用DFTB+或ORCA，方法是将QCModelMNDO替换为QCModelDFTB或QCModelORCA以及适当的可选关键字。
B.由独立开发和维护的第三方包组成。为了方便，这些包作为插件直接包含在发行版中（图2）。目前包括pcetk(它使用pcetk工具包，使用连续静电模型计算蛋白质中的质子结合能和质子化状态)、pyCPR(它用于定位过渡状态和反应路径的共轭峰值细化算法的Python实现)和pyscf(类似于上述DFTB+和ORCA程序的方式提供到pyscf QC程序的接口)。
C.还有其他程序使用pDynamo。pDynamo本身被用于许多程序中，包括用于QC/MM计算的ORCA和GTKDynamo，GTKDynomo为pDynamo提供了一个图形界面，用于分子系统的可视化和促进QC/MM模拟的准备和分析。
Dynamo计划的最初目标之一是建立一个平台，用于开发和应用执行QC/MM模拟的方法。pDynamo3在这方面它尤其强大。 特别是，所有MM、QC和非绑定交互方法(nonbonded interaction methods)都具有一致的接口，因此它们可以在QC/MM计算中组合使用。作者展示了一些示例，基于pDynamo3的状态链反应路径方法使用1个MM、3个QC和7个QC/MM能量模型对丁烷对高切(the butane anti to gauche)和环己烷椅-扭船构象转变(cyclohexane chair to twistboat conformational transitions)进行了反应路径计算。所得能量分布图如图3所示。
图3 使用MM、QC和QC/MM近似值范围确定丁烷对高切(the butane anti to gauche)和环己烷椅-扭船构象转变(cyclohexane chair to twistboat conformational transitions)的反应曲线。 本文介绍了分子建模和模拟库--pDynamo3。该库被设计灵活和可扩展的架构，确保它能够跟上分子建模和模拟领域的最新发展，从而在未来继续成为一个有用且相关的工具。
参考资料
Field M J. pDynamo3 Molecular Modeling and Simulation Program[J]. Journal of Chemical Information and Modeling, 2022.
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