Minimizer: Finding Local Energy Minima （找到局部能量最小值）

蛋白质并不是静态结构，它们的构象会发生波动，并以一个状态集合的形式存在。 蛋白质在这些不同构象中的每一个快照都可以关联一个能量，其中一些构象具有较高的能量，而另一些则具有较低的能量。在分子建模中，通常希望找到能量函数的全局最小值（代表最低能量的构象）。全局最小值几乎是不可能完成的任务，Rosetta 来寻找一个局部最小值。 Rosetta 拥有一个核心算法，称为 minimizer，它能将结构移动到其最近的局部能量最小值。在给定起始结构的构象和能量的基础上，寻找能量函数中最近的局部最小值。

Minimizer 最简单使用

设置 flags 文件

首先，需要指定如何运行最小化器。打开 minimizer_flags 文件，并分析其内容：

 -s 3hon.pdb
 -run:min_type lbfgs_armijo_nonmonotone
 -run:min_tolerance 0.001

• 第一个参数 -s 指定了输入文件，在这里是晶体结构文件 3hon.pdb。
• 第二个参数 -run:min_type 指定要使用的最小化算法类型，此处为 lbfgs_armijo_nonmonotone。（该值是当前默认的算法类型，因此理论上可以省略该行。）
• 第三个参数 -run:min_tolerance 指定最小化算法的收敛容差。Rosetta 中针对函数最小化至少有两种“容差”类型：一种是“常规”容差，另一种是绝对容差。
  • “常规”容差是指目标函数值的相对收敛标准；例如设定容差为 0.01，意味着找到的最小函数值很可能在局部最小值的 1% 以内。
  • 绝对容差则与当前函数值无关；例如设置为 0.01，则表示找到的最小值与真实局部最小值之间的差距最多为 0.01 REU。

运行最小化命令

在终端窗口中，通过输入以下命令来运行最小化器可执行文件：

$> <path_to_Rosetta>/main/source/bin/minimize.default.linuxgccrelease @minimizer_flags

下面是最小化后的结构（绿色）已经与原始结构（青色），最后九个残基所在的 loop 区域发生了显著的构象改变。

带约束的最小化（进阶）

有时并不希望在起始构象中允许发生如此大的变化。为此，可以使用带约束的最小化，使输入结构在最小化过程中对某些原子的移动进行惩罚，从而限制其大幅位移。从实际操作来看，约束是在总能量函数中添加的一个额外的人工势能项（一系列惩罚偏离输入坐标的谐波势能）。

设置 flags 文件和约束文件

需要在 flags 文件中添加额外的选项，以告诉 Rosetta 读取约束文件，从而在最小化过程中固定部分原子的位置。此外，还需要告知 Rosetta：在使用的能量函数中加入额外的约束势能。通过在权重文件中为约束项设置非零权重值来实现这一点。 新的 flags 文件 minwithcsts_flags 如下所示：

-s 3hon.pdb
-run:min_type lbfgs_armijo_nonmonotone
-run:min_toleranace 0.001
-constraints:cst_file cstfile
-score:weights ref2015_cst
-out:suffix _minwithcsts

• 参数 -constraints:cst_file 指定了要使用的约束文件的名称。
• 参数 -score:weights 指定了能量函数中要使用的权重集合。
• 参数 -out:suffix 会在输出文件名的末尾添加 _minwithcsts，以避免覆盖之前的最小化结果。

运行最小化命令

像之前一样运行最小化可执行文件，但这次使用新的 flags 文件：

<path_to_Rosetta>/main/source/bin/minimize.default.linuxgccrelease @minwithcsts_flags

下面是最小化后的结构（绿色）已经与原始结构（紫色），最后九个残基所在的 loop 区域没有发生显著的构象改变。

使用 MoveMap 进行最小化（更高阶使用）

在某些情况下，用户可能希望阻止特定残基的内部几何构型（如键角或构象角）在最小化过程中发生变化，而不仅仅是固定原子的 XYZ 坐标。为了限制主链的 phi/psi 角和/或侧链的 chi 角的变化，可以向最小化器提供一个 MoveMap，它用于指定哪些自由度可以被允许改变。

[!warning] 注意： 即使某个残基在 MoveMap 中关闭了主链和侧链的扭转角自由度，它相对于其他残基的位置仍可能发生变化，这取决于其在 FoldTree 中上游残基的运动。 FoldTree 的作用是建立结构中各个残基之间的层级关系，从而明确自由度变化时的结构响应方式。当一个残基的自由度发生变化时，这种变化会传递给它所有的子节点，但不会影响它的父节点。

[!info] MoveMap 简介 MoveMap 是 Rosetta 最小化中一个非常重要的概念。它允许用户控制哪些自由度（degrees of freedom）在最小化过程中可以改变，哪些则保持固定。 例如，在某些建模应用中，用户可能不希望移动那些高度保守的侧链；又或者在分子设计中，希望保留某些特定相互作用。某些调用 Rosetta 最小化器的协议允许使用用户自定义的 MoveMap 文件。 在最小化器的上下文中，MoveMap 让用户可以指定是否允许主链（BB）扭转角（如 α-氨基酸残基的 φ 和 ψ）以及/或者侧链（CHI）扭转角在最小化能量函数时发生变化。 此外，如果输入结构包含多个链（通过一个或多个 JUMP 或刚体变换分隔），MoveMap 还可以指定是否允许不同链之间的刚体移动。

MoveMap 文件格式说明

MoveMap 文件中的每一行用于定义一个 jump（刚体连接）、一个残基，或一个残基范围，并指定该位置上允许的自由度（degree of freedom）。其语法格式如下：

RESIDUE <#> <BB/CHI/BBCHI/NO>         
# 表示单个残基 <#>，后接一个选项（四选一）
# `BB` （Backbone）：启用该残基的主链扭转角（φ 和 ψ）的优化；
# `CHI` （Sidechain）：启用该残基的侧链旋转角（χ1, χ2, …）的优化；
# `BBCHI` （Backbone + Sidechain）：启用该残基的主链扭转角 **和** 侧链 χ 角；
# `NO`：完全锁定该残基，不允许主链和侧链的自由度发生任何变化；

RESIDUE <#1> <#2> <BB/CHI/BBCHI/NO>   
# 表示残基范围从 <#1> 到 <#2>，后接一个选项（同样四选一）

JUMP <#> <YES/NO>                     
# 表示 jump <#>，后接是否允许移动的选项

例如：

RESIDUE 28 BB        # 允许第 28 个残基的主链（BB）运动
RESIDUE 32 48 BBCHI  # 允许第 32 到 48 个残基的主链和侧链（CHI）运动
JUMP 1 YES           # 允许 jump 1 所连接结构之间的刚体运动

也可以使用星号 * 来表示所有残基或所有 jump：

RESIDUE * CHI    # 允许所有残基的侧链运动
JUMP * YES       # 允许所有 jump 所连接结构之间的刚体运动

设置 movemap 文件和flags 文件，然后运行

根据自己的需求写 movemap 文件，然后在接下来的最小化操作中，需要在 flags 文件中添加一个选项，以告诉 Rosetta 读取 MoveMap 文件。新的 flags 文件 minwithmm_flags 的内容如下：

-s 3hon.pdb
-run:min_type lbfgs_armijo_nonmonotone
-run:min_toleranace 0.001
-movemap movemapfile
-out:suffix _minwithmm

其中，-movemap 参数用于指定将要应用于结构（pose）的 MoveMap 文件。 最后运行最小化命令:

<path_to_Rosetta>/main/source/bin/minimize.default.linuxgccrelease @minwithmm_flags