Молекулярная графика - Molecular graphics

Молекулярная графика (MG) - это дисциплина и философия обучения молекулы и их свойства через графическое представление.[1] ИЮПАК ограничивает определение представлениями на «устройстве графического отображения».[2] С тех пор Далтон атомы и Кекуле с бензол, существует богатая история нарисованных от руки атомов и молекул, и эти изображения оказали важное влияние на современную молекулярную графику. Эта статья посвящена использованию компьютеров для создания молекулярной графики. Обратите внимание, однако, что многие программы и системы молекулярной графики имеют тесную связь между графикой и командами редактирования или вычислениями, такими как молекулярное моделирование.

Связь с молекулярными моделями

Рис. 1. Обозначения: Водород = белый, углерод = серый, азот = синий, кислород = красный, и фосфор = оранжевый.

Существует давняя традиция создания молекулярные модели из физических материалов. Возможно, самым известным является Крик и Ватсона модель ДНК, построенная из стержней и плоских листов, но наиболее широко используемый подход заключается в явном представлении всех атомов и связей с использованием символа "мяч и клюшка Этот подход может продемонстрировать широкий спектр свойств, таких как форма, относительный размер и гибкость. Многие курсы химии предполагают, что студенты будут иметь доступ к моделям мячей и клюшек. Одной из целей основной молекулярной графики было представить "мяч" и приклеить "модель" максимально реалистично и связать это с расчетами молекулярных свойств.

Рисунок 1 показывает небольшую молекулу (NH
3CH
2CH
2С (ОН) (ПО
3H) (PO
3ЧАС)-), как нарисовано Jmol программа. Важно понимать, что цвета и формы являются чисто условными, поскольку отдельные атомы не окрашены и не имеют твердых поверхностей. Облигации между атомами также не имеют стержневой формы.

Сравнение физических моделей с молекулярной графикой

Физические модели и компьютерные модели частично дополняют сильные и слабые стороны. Физические модели могут использоваться теми, у кого нет доступа к компьютеру, и теперь их можно дешево изготавливать из пластиковых материалов. Их тактильные и визуальные аспекты не могут быть легко воспроизведены компьютером (хотя тактильный иногда были построены устройства). На экране компьютера также трудно оценить гибкость молекул; иллюстрируя псевдовращение из циклогексан является хорошим примером ценности механических моделей.

Однако построить большие физические молекулы сложно, а построение полностью атомных физических моделей даже простых белков может занять недели или месяцы. Более того, физические модели не являются надежными и со временем разрушаются. Молекулярная графика особенно полезна для представления глобальных и локальных свойств молекул, таких как электростатический потенциал. Графика также может быть анимирована для представления молекулярных процессов и химических реакций, что нелегко воспроизвести физически.

История

Изначально рендеринг был на раннем Электронно-лучевая трубка экраны или через заговорщики рисунок на бумаге. Молекулярные структуры всегда были привлекательным выбором для разработки новых компьютерная графика инструменты, поскольку входные данные легко создать, а результаты обычно очень привлекательны. Первым примером MG был показ белок молекула (Project MAC, 1966) Сайрус Левинталь и Роберт Лэнгридж. Среди вех в создании высокопроизводительного MG была работа Нельсон Макс в "реалистичном" рендеринге макромолекулы используя отражающий сферы.

Примерно к 1980 году многие лаборатории как в академических кругах, так и в промышленности признали способность компьютера анализировать и предсказывать свойства молекул, особенно в материаловедение и фармацевтическая индустрия. Дисциплину часто называли «молекулярной графикой», и в 1982 году группа ученых и промышленников в Великобритании основала Общество молекулярной графики (MGS). Первоначально большая часть технологий была сосредоточена либо на высокой производительности 3D графика, включая интерактивное вращение или 3D-рендеринг атомов как сфер (иногда с лучезарность ). В 1980-х годах ряд программ для расчета молекулярных свойств (например, молекулярная динамика и квантовая механика ) стали доступными, и термин «молекулярная графика» часто включает их. В результате MGS теперь изменил свое название на Molecular Graphics and Modeling Society (MGMS).

Требования макромолекулярная кристаллография также управлял MG, потому что традиционные методы построения физических моделей не могли масштабироваться. Первые две белковые структуры, решенные с помощью молекулярной графики без помощи ящика Ричардса, были созданы с помощью программы Стэна Свансона FIT на графическом дисплее Vector General в лаборатории Эдгара Мейера в Техасском университете A&M: Первая Мардж Легг в лаборатории Эла Коттона в A&M решил вторую структуру стафилококка с более высоким разрешением. нуклеаза (1975), а затем Джим Хогл решил структуру моноклинного лизоцима в 1976 году. Прошел целый год, прежде чем другие графические системы были использованы для замены ящика Ричардса для моделирования плотности в 3-D. Программа FRODO Алвина Джонса (и позже «O») была разработана для наложения молекулярных электронная плотность определяется с помощью рентгеновской кристаллографии и гипотетической молекулярной структуры.

В 2009 BALLView стал первым программным обеспечением, использующим реальное время Трассировка лучей для молекулярной графики.

Искусство, наука и технологии в молекулярной графике

Рис. 2. Изображение гемагглютинин с альфой спирали изображены в виде цилиндров, а остальная часть цепи - в виде серебряных катушек. Отдельные белковые молекулы (несколько тысяч) были скрыты. Все неводородные атомы в двух лиганды (предположительно сиаловая кислота ) были показаны в верхней части диаграммы. Ключ: Углерод = серый, кислород = красный, азот = синий.

И компьютерные технологии, и графика внесли свой вклад в молекулярную графику. Развитие структурная биология в 1950-х годах потребовалось отображать молекулы с тысячами атомы. Существующие компьютерные технологии были ограничены по мощности, и в любом случае наивное изображение всех атомов оставило зрителей ошеломленным. Поэтому в большинстве систем использовались условные обозначения, в которых информация была неявной или стилистической. Два векторов встреча в точке подразумевает атом или (в макромолекулах) полный остаток (10-20 атомов).

Макромолекулярный подход был популяризирован презентацией белков Дикерсоном и Гейсом и графическими работами Джейн Ричардсон с помощью высококачественных рисованных диаграмм, таких как "Лента" представление. В этом они стремились уловить внутренний «смысл» молекулы. Этот поиск «сообщений в молекуле» всегда сопровождал возрастающую мощность обработки компьютерной графики. Обычно изображение концентрируется на определенных областях молекулы (таких как активный сайт ), и это может иметь разные цвета или более подробную информацию о количестве явных атомов или типе изображения (например, сферы для атомов).

В некоторых случаях ограничения технологии привели к случайным методам рендеринга. Использовались самые ранние графические устройства векторная графика, что означало, что рендеринг сфер и поверхностей был невозможен. Программа Майкла Коннолли "MS" рассчитывала точки на доступной поверхности поверхности молекулы, и эти точки были визуализированы как точки с хорошей видимостью с использованием новой технологии векторной графики, такой как серия Evans and Sutherland PS300. Тонкие секции («плиты») на структурном дисплее очень четко показывали взаимодополняемость поверхностей для связывания молекул с активными центрами, и «поверхность Коннолли» стала универсальной метафорой.

Взаимосвязь между искусством и наукой молекулярной графики демонстрируется на выставках, спонсируемых Общество молекулярной графики.[нужна цитата ] Некоторые экспонаты создаются только с помощью программ молекулярной графики, в то время как другие коллажи, или связаны с физическими материалами. Пример Майка Ханна (1994), вдохновленный Магритта картина Ceci n'est pas une pipe, использует изображение сальметерол молекула. "Ceci n'est pas une молекула, - пишет Майк Ханн, - служит для напоминания нам о том, что все графические изображения, представленные здесь, не являются молекулами и даже не изображениями молекул, а изображениями значков, которые, по нашему мнению, представляют некоторые аспекты свойств молекулы ».[нужна цитата ]

Цветная молекулярная графика часто используется на обложках химических журналов в художественной манере.[3]

Модели, заполняющие пространство

Основная статья: Модель заполнения пространства
Рис. 4. Модель заполнения пространства муравьиной кислоты. Ключ: Водород = белый, углерод = черный, кислород = красный.

Рис. 4 представляет собой "заполняющее" представление муравьиная кислота, где атомы изображены в виде твердых сфер, чтобы обозначить занимаемое ими пространство. Эта и все модели заполнения пространства обязательно являются иконами или абстракциями: атомы - это ядра с электронные "облака" различной плотности, окружающие их, и поэтому не имеют реальных поверхностей. В течение многих лет размеры атомов аппроксимировались физическими моделями (CPK ), в котором объемы пластиковых шаров описывают, где находится большая часть электронной плотности (часто размер радиусы Ван-дер-Ваальса ). То есть поверхность этих моделей предназначена для представления определенного уровень плотность электронного облака, а не любой предполагаемой физической поверхности атома.

Поскольку атомные радиусы (например, на рис. 4) лишь немного меньше расстояния между связанными атомами, пиктограммы сферы пересекаются, и в моделях CPK это было достигнуто за счет плоских усечений вдоль направлений связывания, причем сечение было круглым. Когда растровая графика стали доступными, одним из распространенных подходов было копирование моделей CPK in silico. Относительно просто вычислить круги пересечения, но сложнее представить модель с удалением скрытой поверхности. Полезным побочным продуктом является то, что обычное значение для молекулярный объем можно рассчитать.

Сферы часто используются для удобства, поскольку они ограничены как графическими библиотеками, так и дополнительными усилиями, необходимыми для вычисления полной электронной плотности или других величин, заполняющих пространство. Сейчас довольно часто можно увидеть изображения поверхностей, которые были раскрашены для отображения таких величин, как электростатический потенциал. Общие поверхности в молекулярной визуализации включают: поверхности, доступные для растворителей ("Ли-Ричардс"), поверхности без растворителей ("Коннолли"), и изоповерхности. Изоповерхность на рис. 5, по-видимому, показывает электростатический потенциал, при этом синий цвет является отрицательным, а красный / желтый (рядом с металлом) положительным (нет абсолютного соглашения о окраске, а красный / положительный, синий / отрицательный часто меняются местами). Непрозрачные изоповерхности не позволяют увидеть и идентифицировать атомы, и их нелегко вывести. Из-за этого изоповерхности часто рисуются с определенной степенью прозрачности.

Технологии

Ранние интерактивные системы молекулярной компьютерной графики были векторная графика машины, которые использовали штрих-письма векторные мониторы, иногда даже осциллографы. Электронный луч не перемещается влево и вправо, как на растровом дисплее. Аппаратное обеспечение дисплея следовало за последовательным списком цифровых инструкций по рисованию (список отображения), непосредственно под углом рисовая один штрих для каждой молекулярной связи. Когда список будет завершен, рисование начнется снова с начала списка, поэтому, если список будет длинным (большое количество молекулярных связей), дисплей будет сильно мигать. Более поздние векторные дисплеи могли вращать сложные структуры с плавным движением, поскольку ориентацию всех координат в списке отображения можно было изменить, загрузив всего несколько чисел в регистры вращения в блоке отображения, и блок отображения умножил бы все координаты в отображать список по содержимому этих регистров по мере рисования изображения.

Ранние черно-белые векторные дисплеи могли несколько отличить, например, молекулярную структуру от окружающей ее карты электронной плотности для работы с кристаллографической структурой, нарисовав молекулу ярче, чем карта. Благодаря цветному дисплею их легче отличить. В 1970-е годы двухцветное письмо Пенетрон трубки были доступны, но не использовались в системах молекулярной компьютерной графики. Примерно в 1980 г. Эванс и Сазерленд создали первые практические полноцветные векторные дисплеи для молекулярной графики, обычно присоединяемые к графическому процессору E&S PS-2 или MPS (MPS или Multi-Picture-System относится к нескольким дисплеям, использующим общую стойку графического процессора). Этот ранний цветной дисплей (CSM или Color-Shadow-Mask) был дорогим (около 50 000 долларов), потому что изначально он был спроектирован таким образом, чтобы выдерживать сотрясение движущейся базы авиасимулятора, и потому что векторное сканирование осуществлялось парой (X, Y) усилителей мощностью 1 кВт. Эти системы требовали частого обслуживания, и мудрый пользователь подписал контракт на обслуживание с фиксированной ставкой с E&S. В более новых графических процессорах серии E&S PS-300 использовались менее дорогие цветные дисплеи с технологией растрового сканирования, и вся система могла быть куплена дешевле, чем один только старый дисплей CSM.[4]

Цветное растровое графическое отображение молекулярных моделей началось примерно в 1978 году, как показано в этой статье Портера.[5] по сферической штриховке атомных моделей. Ранние системы растровой молекулярной графики отображали статические изображения, создание которых могло занять около минуты. Динамически вращающийся цветной растровый молекулярный дисплей постепенно внедрялся в 1982–1985 годах с появлением программируемого растрового дисплея Ikonas.

Молекулярная графика всегда раздвигала границы технологий отображения и пережила ряд циклов интеграции и разделения вычислительного хоста и дисплея. Ранние системы, такие как Project MAC, были сделанный на заказ и уникальный, но в 1970-х годах MMS-X и аналогичные системы использовали (относительно) недорогие терминалы, такие как Tektronix 4014 серия, часто заканчивается набрать номер линии к многопользовательским хостам. Устройства могли отображать только статические картинки, но были способны проповедовать MG. В конце 1970-х годов для отделов (таких как кристаллография) было возможно позволить себе собственных хозяев (например, PDP-11 ) и прикрепить дисплей (например, Эванс и Сазерленд PS-1) прямо к автобус. В список отображения хранился на хосте, и интерактивность была хорошей, поскольку обновления быстро отображались на дисплее - за счет сокращения большинства машин до однопользовательской системы.

В начале 1980-х Evans & Sutherland (E&S) отделили свой графический процессор / дисплей PS300, который содержал собственную информацию дисплея, трансформируемую с помощью поток данных архитектура. Сложные графические объекты могут быть загружены через последовательная линия (например, 9600, 56K бод ) или интерфейс Ethernet, а затем манипулировать ими без воздействия на хост. Архитектура превосходна для высокопроизводительных дисплеев, но очень неудобна для расчетов для конкретных областей, таких как подгонка электронной плотности и вычисления энергии. Многие кристаллографы и моделисты потратили напряженные месяцы, пытаясь вписать такие действия в эту архитектуру. Компания E&S разработала карту для PS-300, которая имела несколько алгоритмов расчета с использованием конечного автомата шириной 100 бит в попытке упростить этот процесс, но ее было так сложно программировать, что она быстро устарела.[6]

Преимущества для MG были значительными, но к концу 1980-х гг. UNIX рабочие станции Такие как Вс-3 с растровая графика (первоначально в разрешающая способность 256 на 256) начали появляться. Компьютерная дизайн лекарства в частности, требуется растровая графика для отображения вычисленных свойств, таких как атомарные обвинять и электростатический потенциал. Хотя E&S предлагала высококачественную растровую графику (в первую очередь ориентированную на аэрокосмический промышленность), они не смогли отреагировать на вызов рынка младшего класса, когда рабочие станции покупали отдельные пользователи, а не инженерные подразделения. В результате рынок дисплеев MG перешел к Силиконовая Графика, в сочетании с развитием минисуперкомпьютеры (например., Выпуклый и Alliant ), которые были доступны для хорошо поддерживаемых лабораторий MG. Silicon Graphics предоставила графический язык IrisGL, который был проще в использовании и более производительным, чем архитектура PS300. Коммерческие компании (например, Biosym, Polygen / MSI) перенесли свой код на Silicon Graphics, и к началу 1990-х годов это стало «отраслевым стандартом». Ящики для набора номера часто использовались как устройства управления.

Стереоскопические дисплеи были разработаны на основе жидкокристаллический поляризованный очки, и хотя они были очень дорогими на PS2, теперь они стали предметом массового потребления. Распространенной альтернативой было добавить поляризуемый экран к передней части дисплея и предоставить зрителям очень дешевые очки с ортогональный поляризация для отдельных глаз. С такими проекторами, как Barco, можно было проецировать стереоскопический дисплей на специальные посеребренные экраны и снабжать очками сотни зрителей. Таким образом, молекулярная графика стала широко известна в крупных секторах химической и биохимической науки, особенно в фармацевтической промышленности. Поскольку фон многих дисплеев по умолчанию был черным, на занятиях по моделированию и лекциях было обычным делом проводиться с почти полностью выключенным освещением.

За последнее десятилетие почти вся эта технология превратилась в товар. IrisGL превратилась в OpenGL так что молекулярную графику можно запускать на любой машине. В 1992 году Роджер Сэйл выпустил свой РасМол программа в общественное достояние. РасМол содержал очень высокоэффективный молекулярный рендерер который работал на Unix /X Window, и Сэйл позже перенес это на Windows и Macintosh платформы. Ричардсоны разработали кинемаги и программное обеспечение Mage, которое также было мультиплатформенным. Указав химический Тип MIME молекулярные модели могли обслуживаться через Интернет, так что впервые MG можно было распространять с нулевой стоимостью независимо от платформы. В 1995 г. Биркбек колледж Отдел кристаллографии использовал его для проведения "Принципов структуры белка", первого мультимедийного курса в Интернете, который охватил от 100 до 200 ученых.

Porin.qutemol.dl.png
Porin.qutemol.ao.png
Рис. 6. Молекула Порин (белок) показано без окружающая окклюзия (слева) и с (справа). Расширенные эффекты визуализации могут улучшить понимание трехмерной формы молекулы.

MG продолжает видеть инновации, которые уравновешивают технологии и искусство, и в настоящее время нулевые или Открытый исходный код такие программы как PyMOL и Jmol имеют очень широкое применение и признание.

В последнее время широкое распространение передовых графическое оборудование улучшил возможности визуализации инструментов визуализации. Возможности текущего языки затенения позволяют включать расширенные графические эффекты (например, окружающая окклюзия, отбрасывать тени и нефотореалистичный рендеринг техники) в интерактивная визуализация молекул. Эти графические эффекты, помимо того, что глазная конфета, может улучшить понимание трехмерных форм молекул. Пример эффектов, которые могут быть достигнуты с использованием новейшего графического оборудования, можно увидеть в простой системе визуализации с открытым исходным кодом. QuteMol.

Алгоритмы

Справочные кадры

Рисование молекул требует преобразования между молекулярными координатами (обычно, но не всегда, в Ангстрем ед.) и экран. Потому что многие молекулы хиральный Важно, чтобы сохранялась праворукость системы (почти всегда правосторонняя). В молекулярной графике начало координат (0, 0) обычно находится внизу слева, тогда как во многих компьютерных системах начало координат находится вверху слева. Если координата z находится за пределами экрана (по направлению к наблюдателю), молекула будет отнесена к правой оси, в то время как отображение на экране будет левым.

Молекулярные превращения обычно требуют:

  • масштабирование дисплея (но не молекулы).
  • переводы молекулы и объектов на экране.
  • вращения вокруг точек и линий.

Конформационные изменения (например, вращение вокруг связей) требуют вращения одной части молекулы относительно другой. Программист должен решить, отражает ли преобразование на экране изменение взгляда или изменение молекулы или ее системы отсчета.

Простой

Рис. 7. Стик-модель кофеина, нарисованная в Jmol.

В ранних дисплеях можно было рисовать только векторы, например (Рис. 7), которые легко нарисовать, потому что не требуется визуализация или удаление скрытой поверхности.

На векторных машинах линии были бы плавными, но на растровых. Bresenham's используется алгоритм (обратите внимание на "неровности" на некоторых связях, которые можно в значительной степени удалить с помощью сглаживание программного обеспечения.)

Атомы можно рисовать в виде кругов, но их следует отсортировать так, чтобы атомы с наибольшими z-координатами (ближайшие к экрану) отображались последними. Хотя это несовершенно, это часто дает достаточно привлекательный дисплей. Другие простые приемы, которые не включают алгоритмы скрытых поверхностей:

  • окраска каждого конца связи в тот же цвет, что и атом, к которому она прикреплена (рис. 7).
  • рисунок меньше, чем вся длина скрепления (например, 10–90%), чтобы имитировать скрепление, выходящее из круга.
  • добавление небольшого белого кружка внутри круга для имитации отражения атома.

Типичный псевдокод для создания рис.7 (чтобы молекула точно соответствовала экрану):

// Предположим: // Атомы с координатами x, y, z (Angstrom) и elementSymbol // связываются с указателями / ссылками на атомы на концах // таблица цветов для elementTypes // находим пределы молекулы в координатах молекулы как xMin, yMin , xMax, yMaxscale = min (xScreenMax / (xMax - xMin), yScreenMax / (yMax - yMin)) xOffset = −xMin × scaleyOffset = −yMin × масштабдля каждого связь в облигации делать    atom0 = bond.getAtom (0) atom1 = bond.getAtom (1) x0 = xOffset + atom0.getX () × масштаб y0 = yOffset + atom0.getY () × масштаб // (1) x1 = xOffset + atom1.getX () × масштаб y1 = yOffset + atom1.getY () × scale // (2) x1 = atom1.getX () y1 = atom1.getY () xMid = (x0 + x1) / 2 yMid = (y0 + y1) / 2 color0 = ColorTable.getColor (atom0.getSymbol ()) drawLine (color0, x0, y0, xMid, yMid) color1 = ColorTable.getColor (atom1.getSymbol ()) drawLine (color1, x1, y1, xMid, yMid)

Обратите внимание, что это предполагает, что начало координат находится в нижнем левом углу экрана, а Y вверх по экрану. Многие графические системы имеют начало в верхнем левом углу, где Y вниз по экрану. В этом случае линии (1) и (2) должны иметь генерацию координаты y как:

y0 = yScreenMax - (yOffset + atom0.getY () * scale) // (1) y1 = yScreenMax - (yOffset + atom1.getY () * scale) // (2)

Изменения такого рода изменяют направленность осей, поэтому легко изменить хиральность отображаемой молекулы, если не принять меры.

Передовой

Для большей реалистичности и лучшего понимания трехмерной структуры молекулы многие компьютерная графика алгоритмы могут быть использованы. В течение многих лет молекулярная графика подчеркивала возможности графического оборудования и требовала аппаратно-ориентированных подходов. С увеличением мощности компьютеров на настольных компьютерах переносимость становится все более важной, и такие программы, как Jmol имеют продвинутые алгоритмы, не зависящие от оборудования. С другой стороны, новейшее графическое оборудование способно интерактивно отображать очень сложные формы молекул с качеством, которое было бы невозможно с помощью стандартных программных методов.

Хронология

Разработчики)Примерная датаТехнологииКомментарии
Кристаллографы< 1960Нарисованный от рукиКристаллические структуры со скрытым атомом и удалением связей. Часто клинографические проекции.
Джонсон, Мазервеллок. 1970Перьевой плоттерОРТЕП, ПЛУТО. Очень широко применяется для публикации кристаллических структур.
Сайрус Левинталь, Боб Лэнгридж, Уорд, Стоц[7]1966Система отображения Project MAC, две степени свободы, джойстик скорости с пружинным возвратом для поворота изображения.Первое отображение белка на экране. Система для интерактивного построения белковых структур.
Барри[8]1969Компьютер LINC 300 с дисплеем осциллографа с двумя кривыми.Интерактивная система просмотра молекулярной структуры. Ранние примеры динамического вращения, интенсивности · глубины · cueing и параллельного стерео. Раннее использование аппроксимации малых углов (a = sin a, 1 = cos a) для ускорения графических вычислений вращения.
Ортони[9]1971Разработал программу просмотра стереозвука (патент Великобритании 13844/70) для молекулярной компьютерной графики.Горизонтальное двустороннее (наполовину посеребренное) зеркало объединяет изображения, нарисованные на верхней и нижней половинах ЭЛТ. Скрещенные поляризаторы изолируют изображения для каждого глаза.
Ортони[10]1971Световое перо, ручка.Интерактивная система просмотра молекулярной структуры. Выберите бонд, поворачивая другую ручку до тех пор, пока желаемый бонд не загорится последовательно, метод, который позже будет использован в системе MMS-4 ниже, или взяв световым пером. Точки в пространстве указываются с помощью трехмерной «ошибки» под динамическим контролем.
Барри, Грэссер, Маршалл[11]1971CHEMAST: компьютер LINC 300, управляющий осциллографом. Двухосевой джойстик, аналогичный тому, который использовался позже в ГРИП-75 (внизу).Интерактивная система просмотра молекулярной структуры. Конструкции динамически вращаются с помощью джойстика.
Тунтас и Кац[12]1971Дисплей Adage AGT / 50Интерактивная система просмотра молекулярной структуры. Математика вложенного вращения и вращения лабораторного пространства.
Перкинс, Пайпер, Таттам, Белый[13]1971Компьютер Honeywell DDP 516, аналоговый компьютер EAL TR48, осциллограф Lanelec, 7 линейных потенциометров. Стерео.Интерактивная система просмотра молекулярной структуры.
Райт[14][15][16]1972GRIP-71 на UNC-CH: компьютер IBM System / 360 Model 40 с временным разделением, дисплей IBM 2250, кнопки, световое перо, клавиатура.Дискретное манипулирование и энергетическая релаксация белковых структур. Программный код стал основой системы ГРИП-75 ниже.
Барри и север[17]1972Оксфордский университет: компьютер Ferranti Argus 500, дисплей Ferranti model 30, клавиатура, трекбол, одна ручка. Стерео.Прототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул. Шарик-трекер вращает связку, ручка увеличивает яркость карты молекулярной плотности по сравнению с электронной плотностью.
Норт, Форд, ВатсонНачало 1970-хУниверситет Лидса: компьютер DEC PDP · 11/40, дисплей Hewlett-Packard. 16 ручек, клавиатура, джойстик с пружинным возвратом. Стерео.Прототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул. Шесть ручек вращают и перемещают небольшую молекулу.
Барри, Босхард, Эллис, Маршалл, Фрич, Якоби1974ММС-4:[18][19] Вашингтонский унив. в Сент-Луисе - компьютер LINC 300 и дисплей LDS-1 / LINC 300, настраиваемые модули отображения. Джойстик вращения, ручки. Стерео.Прототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул. Выберите связь для вращения, поворачивая другую ручку, пока нужная связка не загорится по очереди.
Коэн и Фельдманн[20]1974Компьютер DEC PDP-10, дисплей Adage, кнопки, клавиатура, ручкиПрототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул.
Stellman[21]1975Princeton: компьютер PDP-10, дисплей LDS-1, ручкиПрототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул. Карта электронной плотности не показана; вместо этого показатель качества «H-фактор» обновляется по мере изменения молекулярной структуры.
Коллинз, Коттон, Хазен, Мейер, Моримото1975КРИСНЕТ,[22] Texas A&M Univ. Компьютер DEC PDP-11/40, дисплей Vector General Series 3, ручки, клавиатура. Стерео.Прототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул. Разнообразие режимов просмотра: качание, вращение и несколько режимов отображения стерео.
Корнелиус и Краут1976 (приблизительно)Университет Калифорнии в Сан-Диего: эмулятор DEC PDP-11/40 (CalData 135), дисплей Evans and Sutherland Picture System, клавиатура, 6 регуляторов. Стерео.Прототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул.
(Йельский университет)1976 (приблизительно)PIGS: компьютер DEC PDP-11/70, дисплей Evans and Sutherland Picture System 2, планшет с данными, ручки.Прототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул. Планшет использовался для большинства взаимодействий.
Фельдманн и Портер1976NIH: DEC PDP — 11/70 компьютер. Дисплей системы изображения Эванса и Сазерленда 2, ручки. Стерео.Интерактивная система просмотра молекулярной структуры. Предназначен для интерактивного отображения молекулярных данных из AMSOM - Атласа макромолекулярной структуры на микрофишах.[23]
Rosenberger et al.1976MMS-X:[24] Вашингтонский унив. в Сент-Луисе: компьютер TI 980B, дисплей Hewlett-Packard 1321A, видеотерминал Beehive, настраиваемые модули дисплея, пара трехмерных джойстиков с пружинным возвратом, ручки.Прототип (а позже и успешный) система решения кристаллографической структуры больших молекул. Преемник системы MMS-4, описанной выше. Трехмерные джойстики с пружинным возвратом либо перемещают и вращают молекулярную структуру для просмотра, либо молекулярную субструктуру для подгонки, режим регулируется тумблером.
Бриттон, Липскомб, Пике, Райт, Brooks1977GRIP-75[16][25][26][27][28] в UNC-CH: компьютер IBM System / 360 Model 75 с разделением времени, компьютер DEC PDP 11/45, дисплей Vector General Series 3, трехмерный блок перемещения от ЯВЛЯЮСЬ. Нолл и трехмерный джойстик с пружинным возвратом для манипулирования основанием, вложенный джойстик, ручки, ползунки, кнопки, клавиатура, световое перо Measurement Systems.Первое решение кристаллографической структуры больших молекул.[29]
Джонс1978ФРОДО и КОЛЬЦО[30][31] Институт Макса Планка, Германия, RING: компьютеры DEC PDP-11/40 и Siemens 4004, дисплей Vector General 3404, 6 регуляторов.Решение кристаллографической структуры крупных молекул. FRODO мог работать на DEC VAX-780 в качестве дополнения к RING.
Алмаз1978Bilder[32] Кембридж, Англия, компьютер DEC PDP-11/50, дисплей Evans and Sutherland Picture System, планшет.Решение кристаллографической структуры крупных молекул. Все данные вводятся с помощью планшета. Молекулярные структуры, построенные в реальном времени с идеальной геометрией. Позже проходит натяжка с идеализацией.
Лэнгридж, Уайт, МаршаллКонец 1970-хВедомственные системы (PDP-11, Tektronix дисплеи или DEC-VT11, например MMS-X)Смесь массовых вычислений с ранними дисплеями.
Дэвис, ХаббардСередина 1980-х годовХИМ-Х, ГИДРАЛабораторные системы с многоцветными, растровыми и векторными приборами (Sigmex, PS300).
Биосим, ​​Трипос, ПолигенСередина 1980-х годовPS300 и ниже стоимость немые терминалы (VT200, SIGMEX)Коммерческие интегрированные пакеты моделирования и отображения.
Силиконовая Графика, солнцеКонец 1980-хИРИС GL (UNIX) рабочие станцииОднопользовательские рабочие станции по стандартной цене со стереоскопическим дисплеем.
EMBL - ЧТО, ЕСЛИ1989, 2000Независимый от машиныПочти бесплатный, многофункциональный, все еще полностью поддерживаемый, на нем много бесплатных серверов
Сэйл, Ричардсон1992, 1993РасМол, КинемагПлатформенно-независимый MG.
Лей (ван Влит, Маффет, Адлер, Холт)1995–1998Перезвонпроприетарный C ++; бесплатный плагин браузера для Mac (OS9) и ПК
МолСофт1997-ICM-браузерпроприетарный; бесплатно скачать для Windows, Mac и Linux.[33][34]
1998-MarvinSketch и MarvinView. MarvinSpace (2005)проприетарный Ява апплет или же автономный заявление.
Усилия сообщества2000-ДИНО, Jmol, PyMol, Авогадро, PDB, OpenStructureОткрытый исходный код Ява апплет или же автономный заявление.
NOCH2002-NOCИсследователь молекулярной структуры с открытым исходным кодом
LION Bioscience / EMBL2004-SRS 3DБесплатная система с открытым исходным кодом на основе Java3D. Интегрирует трехмерные структуры с данными последовательностей и функций (домены, SNP и т. Д.).
Суперкомпьютерный центр Сан-Диего2006-СириусБесплатно для академических / некоммерческих организаций
Усилия сообщества2009-Программы просмотра HTML5 / JavaScript (веб-компоненты ChemDoodle, GLMol, jolecule, pv, Molmil, iCn3D, 3DMol, NGL, Speck, xtal.js, UglyMol, LiteMol, JSmol)Все с открытым исходным кодом. Требовать WebGL поддержка в браузере (кроме JSmol).

Электронные системы коробки Ричардса

Перед компьютерная графика можно было бы нанять,[когда? ] Для подгонки больших молекул к их картам электронной плотности использовались механические методы. Используя приемы Рентгеновская кристаллография кристалл вещества бомбардировали Рентгеновские лучи, а вышедшие дифрагированные пучки собирались на компьютере с помощью преобразование Фурье в обычно размытое трехмерное изображение молекулы, которое становится видимым путем рисования контурных кругов вокруг высокой электронной плотности для создания контурной карты электронной плотности.[нужна цитата ]

Раньше контурные карты электронной плотности рисовали вручную на больших пластиковых листах. Иногда, фишки бинго были помещены на пластиковые листы, где, как предполагалось, находились атомы.

Это было заменено коробкой Ричардса.[35] в котором регулируемая латунная модель молекулы Кендрю была помещена перед двусторонним зеркалом, за которым были пластиковые листы карты электронной плотности. Это оптически наложило молекулярную модель и карту электронной плотности. Модель была перемещена в пределах контурных линий наложенной карты. Затем атомные координаты были записаны с помощью отвеса и метра. Компьютерная графика давала надежду значительно ускорить этот процесс, а также дать более четкое изображение во многих отношениях.[нужна цитата ]

Заслуживающая внимания попытка преодолеть низкую скорость графических дисплеев того времени.[когда? ] проходил в Вашингтонский университет в Святой Луи, СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ.[нужна цитата ] Группа Дэйва Барри попыталась перескочить через современный уровень графических дисплеев, создав специальное оборудование для отображения изображений, достаточно сложное для решения кристаллографической структуры больших молекул, подгоняя молекулы к их картам электронной плотности. Модули дисплея MMS-4 (таблица выше) были медленными и дорогими, поэтому для системы MMS-X (таблица выше) было произведено второе поколение модулей.

Первая большая молекула, атомная структура которой была частично определено с помощью системы молекулярной компьютерной графики, была РНК переноса Сун-Хоу Ким команда в 1976 году.[36][37] после первоначальной установки на механическую коробку Richards Box. Первая большая молекула, атомная структура которой была полностью Определенный с помощью системы молекулярной компьютерной графики, это нейротоксин А из яда филиппинской морской змеи, Церноглоу, Петско, а вт,[38] с заявлением о том, что он первый[29] в 1977 г. Ричардсон группа опубликовала результаты по частичной атомной структуре[39] протеина супероксиддисмутазы в том же 1977 году. Все это было сделано с использованием системы GRIP-75.

Другие системы арматуры, FRODO, RING, Builder, MMS-X и т. Д. (Таблица выше) также стали успешными в течение трех лет.[когда? ] и стал доминирующим.[нужна цитата ]

Причина, по которой большинство этих систем преуспели именно в те годы,[когда? ] не раньше или позже, а в течение короткого промежутка времени было связано с появлением коммерческого оборудования, которое было достаточно мощным.[нужна цитата ] Две вещи были необходимы и пришли примерно в одно и то же время. Во-первых, карты электронной плотности велики и требуют либо компьютера, по крайней мере, с 24-битным адресным пространством, либо комбинации компьютера с меньшим 16-битным адресным пространством плюс несколько лет, чтобы преодолеть трудности адресного пространства, которое меньше данные. Вторым появлением стали интерактивные компьютерные графические дисплеи, которые были достаточно быстрыми для отображения карт электронной плотности, контурные круги которых требуют отображения множества коротких векторов. Первыми такими дисплеями были Vector General Series 3 и Evans and Sutherland Picture System 2, MultiPicture System и PS-300.[нужна цитата ]

Настоящее время,[когда? ] подгонка молекулярной структуры к карте электронной плотности в значительной степени автоматизирована с помощью алгоритмов с компьютерной графикой как руководство к процессу. Примером может служить XtalView XFit программа.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Dickerson, R.E .; Гейс, И. (1969). Строение и действие белков. Менло-Парк, Калифорния: В.А.Бенджамин.
  2. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (1997) "молекулярная графика ". Дои:10.1351 / goldbook.MT06970
  3. ^ Харрисон, Карл; Боуэн, Джонатан П.; Боуэн, Элис М. (2013). Нг, Киа; Боуэн, Джонатан П .; МакДэйд, Сара (ред.). «Электронная визуализация в химии: от алхимии к искусству». Материалы конференции EVA London 2013. Электронные семинары по вычислительной технике. Британское компьютерное общество. С. 267–274.
  4. ^ Литература по продукту Evans & Sutherland PS-300
  5. ^ Портер Т.К. (август 1978 г.). «Сферическая штриховка». ACM SIGGRAPH Компьютерная графика. 12 (3): 282–5. Дои:10.1145/965139.639789.
  6. ^ Документы полевого обслуживания E&S PS-300
  7. ^ Левинталь, К. (июнь 1966 г.). «Построение молекулярных моделей с помощью компьютера». Scientific American. 214 (6): 42–52. Bibcode:1966SciAm.214f..42L. Дои:10.1038 / scientificamerican0666-42. PMID  5930597.
  8. ^ Барри, К. Д., Эллис, Р. А., Грэссер, С. М., и Маршалл, Г. Р. 1969. Отображение и манипуляции в трех измерениях. Соответствующие понятия в компьютерной графике, Univ. of Ill. Press, 104-153.
  9. ^ Ортони, А. (май 1971 г.). «Система для стерео просмотра». Компьютерный журнал. 14 (2): 140–4. Дои:10.1093 / comjnl / 14.2.140. Также появляется в: Конференция по дисплеям, Институт инженеров-электриков конф. Паб. № 80 (7–10 сентября 1971 г.), C. Baldwin Ltd., 225–232.
  10. ^ Ортони, А. 1971б. Интерактивная стереография Конференция по дисплеям, Институт инженеров-электриков конф. Паб. № 80 (7–10 сентября), C. Baldwin Ltd., 185–193.
  11. ^ Барри, К. Д., Эллис, Р. А., Грэссер, С. М. и Маршалл, Г. Р. 1971. CHEMAST: компьютерная программа для моделирования молекулярных структур. Proc. 1971 ИФИП, 1552-1558.
  12. ^ Тунтас, К. и Кац, Л. 1971. Интерактивная графика в молекулярной биологии. Трехмерное вращение изображений и фрагментов изображений в реальном времени. Proc. Летняя конференция по компьютерному моделированию, 1, 241-247.
  13. ^ Perkins, W.J .; Piper, E.A .; Tattam, F.G .; Уайт, Дж. К. (июнь 1971 г.). «Интерактивные стереоскопические компьютерные дисплеи для биомедицинских исследований». Компьютеры и биомедицинские исследования. 4 (3): 249–261. Дои:10.1016/0010-4809(71)90030-9. PMID  5562569.
  14. ^ Wright, W. V. 1972a. Интерактивная компьютерная графическая система для молекулярных исследований. Докторская диссертация, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина.
  15. ^ Райт, В.В. (Октябрь 1972 г.). «Двумерный интерфейс интерактивной системы молекулярных исследований». Уведомления ACM SIGPLAN. 7 (10): 76–85. Дои:10.1145/942576.807017.
  16. ^ а б Брукс Ф. П. Младший. Компьютерный «Ученый» как инструментальный мастер: Исследования в области интерактивной компьютерной графики. Proc. ИФИП, 625-634 (1977).
  17. ^ Барри CD, Северный AC (1972). «Использование компьютерной системы отображения в изучении молекулярных конформаций». Холодная весна Харб. Symp. Quant. Биол. 36: 577–84. Дои:10.1101 / SQB.1972.036.01.072. PMID  4508170.
  18. ^ Барри С.Д., Босхард Х.Э., Эллис Р.А., Маршалл Г.Р. (декабрь 1974 г.). «Развитие системы макромодульного молекулярного моделирования». Кормили. Proc. 33 (12): 2368–72. PMID  4435239.
  19. ^ Фритч, Дж. М., Эллис, Р. А., Якоби Т. Х. и Маршалл, Г. Р. 1975. Система макромолекулярной графики для исследования структуры белка. Компьютеры и графика, 1, # 2/3 (сентябрь), 271-278.
  20. ^ Коэн, Г. Х. и Фельдманн, Р. Дж. 1974. MAP - компьютерная программа с интерактивной графикой для манипуляции и подгонки белковых молекул к картам электронной плотности. Являюсь. Кристаллография. Доц. Весна 23, (Аннотация).
  21. ^ Стеллман, С. (Сентябрь 1975 г.). «Применение трехмерной интерактивной графики в рентгеноструктурном анализе». Компьютеры и графика. 1 (2–3): 279–288. Дои:10.1016/0097-8493(75)90019-9.
  22. ^ Коллинз Д.М., Коттон Ф.А., Хазен Е.Э., Мейер Е.Ф., Моримото С.Н. (декабрь 1975 г.). «Белковые кристаллические структуры: подходы быстрее и дешевле». Наука. 190 (4219): 1047–53. Bibcode:1975Научный ... 190.1047C. Дои:10.1126 / science.1188383. PMID  1188383. S2CID  44583219.
  23. ^ Фельдманн, Р. Дж. 1976. AMSOM - Атлас структуры макромолекул на микрофишах.. Мэриленд: Tracor Jitco Inc.
  24. ^ Розенбергер, Ф. У. и др. 1976 г. Выдержки из годового отчета NIH за 1976 год. Технический меморандум № 230, Лаборатория компьютерных систем, Вашингтонский университет, Сент-Луис, Миссури.
  25. ^ Lipscomb, JS. Трехмерные подсказки для системы молекулярной компьютерной графики. Докторская диссертация, Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл, Северная Каролина. (1981)
  26. ^ Бриттон Е., Липскомб Дж. С., Пике МЭ, Райт, Западная Вирджиния, Брукс Ф.П. младший, Пике МЭ. Человеко-машинный интерфейс ГРИП-75. Видеообзор ACM SIGGRAPH, (4), (август 1981 г.).
  27. ^ Бриттон, Э. Г. 1977. Методология эргономичного проектирования систем интерактивной компьютерной графики и ее применение в кристаллографии. Докторская диссертация, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина.
  28. ^ Пике М.Э. 1980. Вложенные динамические вращения для компьютерной графики. Тезис М.С., Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина.
  29. ^ а б Церноглова Д., Пецко Г.А., Ту АТ (апрель 1977 г.). «Секвенирование белков с помощью компьютерной графики». Биохим. Биофиз. Acta. 491 (2): 605–8. Дои:10.1016/0005-2795(77)90309-9. PMID  857910.
  30. ^ Джонс, Т. (Август 1978 г.). «Система построения и уточнения графических моделей для макромолекул». Журнал прикладной кристаллографии. 11 (4): 268–272. Дои:10.1107 / S0021889878013308.
  31. ^ Джонс, Т.А. 1978b. Кольцо [руководство пользователя]. Max-Planck-Institut fur Biochemie, 8033 Martinsried bei Muchen, Германия.
  32. ^ Diamond, R. 1978. Bilder. Программа компьютерной графики для биполимеров и ее применение для интерпретации структуры белковых дисков вируса табачной мозаики с разрешением 2-A. Proc. Международный союз чистой и прикладной биохимии: Международный симпозиум по структуре, конформации, функциям и эволюции. Мадрас, Индия, (4 января), Pergamon Press.
  33. ^ Абагян Р., Ли У.Х., Рауш Э. и др. (Февраль 2006 г.). «Распространение данных структурной геномики среди общественности: от свалки данных до анимационного рассказа». Trends Biochem. Наука. 31 (2): 76–8. Дои:10.1016 / j.tibs.2005.12.006. PMID  16406633.
  34. ^ Рауш Э., Тотров М., Марсден Б.Д., Абагян Р. (2009). «Новый метод публикации трехмерного контента». PLOS ONE. 4 (10): e7394. Bibcode:2009PLoSO ... 4.7394R. Дои:10.1371 / journal.pone.0007394. ЧВК  2754609. PMID  19841676.
  35. ^ "Ричардс, Фредерик М." Протопедия. Получено 13 июн 2014.
  36. ^ Суссман JL, Ким SH (январь 1976 г.). «Идеализированные атомные координаты дрожжевой фенилаланин-транспортной РНК». Biochem. Биофиз. Res. Сообщество. 68 (1): 89–96. CiteSeerX  10.1.1.412.9079. Дои:10.1016 / 0006-291X (76) 90014-0. PMID  1108880.
  37. ^ Суссман Дж. Л., Ким С.; Ким (май 1976 г.). «Трехмерная структура трансфертной РНК в двух кристаллических формах». Наука. 192 (4242): 853–8. Bibcode:1976Sci ... 192..853S. Дои:10.1126 / science.775636. PMID  775636.
  38. ^ Церноглова Д., Пецко Г.А.; Пецко (март 1977 г.). «Трехмерная структура нейротоксина А из яда филиппинской морской змеи». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 74 (3): 971–4. Bibcode:1977ПНАС ... 74..971Т. Дои:10.1073 / pnas.74.3.971. ЧВК  430551. PMID  265589.
  39. ^ Ричардсон Д.К., 1977. Трехмерная структура супероксиддисмутазы Cu, Zn. Супероксид и супероксиддисумасы. Эд. Автор A.M. Михельсон, Дж. М. МакКорд, И. Фридойвич. Лондон, Нью-Йорк: Academic Press.

внешняя ссылка