Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Молекулярная графика ( МГ ) - это дисциплина и философия изучения молекул и их свойств посредством графического представления. [1] ИЮПАК ограничивает определение представлениями на «графическом устройстве отображения». [2] С тех пор как Дальтон «S атомов и Кекулы » S бензола, 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. Однако обратите внимание, что многие программы и системы молекулярной графики имеют тесную связь между графикой и командами редактирования или вычислениями, например, в молекулярном моделировании .

Связь с молекулярными моделями [ править ]

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

Создание молекулярных моделей из физических материалов имеет давнюю традицию . Возможно, наиболее известной является модель ДНК Крика и Ватсона, построенная из стержней и плоских листов, но наиболее широко используемый подход - это представление всех атомов и связей в явном виде с использованием подхода « шарик и палка ». Это 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 максимально реалистично представить модель «мяч и клюшка» и связать ее с расчетами молекулярных свойств.

На рисунке 1 показана небольшая молекула ( NH
3CH
2CH
2С (ОН) (ПО
3H) (PO
3H) - ), нарисованный программой Jmol . Важно понимать, что цвета и формы являются чисто условными, поскольку отдельные атомы не окрашены и не имеют твердых поверхностей. Связи между атомами также не имеют стержневой формы.

Сравнение физических моделей с молекулярной графикой [ править ]

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 компьютерами (хотя иногда создаются тактильные устройства). На экране компьютера также трудно оценить гибкость молекул; иллюстрирующее псевдовращение из циклогексана является хорошим примером значения 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 изображения молекулярных процессов и химических реакций, что нелегко воспроизвести физически.

История [ править ]

Первоначально рендеринг выполнялся на экранах ранних электронно-лучевых трубок или с помощью плоттеров, рисовавших на бумаге. Молекулярные структуры всегда были привлекательным выбором для разработки новых инструментов компьютерной графики , поскольку входные данные легко создавать, а результаты обычно очень привлекательны. Первым примером MG была демонстрация белковой молекулы (Project MAC, 1966) Сайрусом Левинталем и Робертом Лэнгриджем. Среди вех в создании высокопроизводительного MG была работа Нельсона Макса по «реалистичному» рендерингу макромолекул с использованием отражающих сфер .

Примерно к 1980 году многие лаборатории как в академических кругах, так и в промышленности признали способность компьютера анализировать и предсказывать свойства молекул, особенно в материаловедении и фармацевтической промышленности . Дисциплину часто называли «молекулярной графикой», и в 1982 году группа ученых и промышленников в Великобритании основала Общество молекулярной графики (MGS). Первоначально большая часть технологии была сосредоточена либо на высокопроизводительной трехмерной графике , включая интерактивное вращение, либо на трехмерной визуализации атомов в виде сфер (иногда с радиацией ). В 1980-х годах ряд программ для расчета молекулярных свойств (таких как 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 макромолекулярной кристаллографии также привели к 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") были разработаны для наложения молекулярной электронной плотности определяется с помощью рентгеновской кристаллографии и гипотетической молекулярной структуры.

В 2009 году BALLView стал первым программным обеспечением, использующим трассировку лучей в реальном времени для молекулярной графики.

Искусство, наука и технологии в молекулярной графике [ править ]

Рис. 2. Изображение гемагглютинина с альфа- спиралями, изображенными в виде цилиндров, а остальная часть цепи - в виде серебряных спиралей. Отдельные белковые молекулы (несколько тысяч) были скрыты. Все неводородные атомы в двух лигандах (предположительно сиаловой кислоты ) показаны в верхней части диаграммы. Обозначения: углерод = серый, кислород = красный, азот = синий.

И компьютерные технологии, и графика внесли свой вклад в молекулярную графику. Развитие структурной биологии в 1950-х годах привело к требованию отображать молекулы с тысячами атомов . 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 вектора, встречающиеся в точке, означают атом или (в макромолекулах) полный остаток (10-20 атомов).

Макромолекулярный подход был популяризирован презентацией белков Дикерсоном и Гейсом и графической работой Джейн Ричардсон с помощью высококачественных нарисованных от руки диаграмм, таких как «ленточное» 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 центр ), и они могут иметь разные цвета или более подробную информацию в количестве явных атомов или типе изображения (например, сферы для атомов).

В некоторых случаях ограничения технологии привели к случайным методам рендеринга. Большинство ранних графических устройств использовали векторную графику , 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 срезы («пластины») на структурном дисплее очень ясно показали комплементарность поверхностей для связывания молекул с активными центрами, и «поверхность Коннолли» стала универсальной метафорой.

Связь между искусством и наукой молекулярной графики демонстрируется на выставках, спонсируемых Обществом молекулярной графики . [ необходима цитата ] Некоторые экспонаты создаются только с помощью программ молекулярной графики, в то время как другие представляют собой коллажи или включают физические материалы. В примере Майка Ханна (1994), вдохновленного картиной Магритта « Ceci n'est pas une pipe» , используется изображение молекулы салметерола . " Ceci n'est pas une молекула, - пишет Майк Ханн, - служит для напоминания нам о том, что все графические изображения, представленные здесь, не являются молекулами, даже не изображениями молекул, а изображениями значков, которые, как мы полагаем, представляют некоторые аспекты свойств молекулы ». [ необходима цитата ]

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

Модели заполнения пространства [ править ]

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

Рис. 4 представляет собой "заполняющее пространство" представление муравьиной кислоты , где атомы нарисованы в виде твердых сфер, что указывает на пространство, которое они занимают. Эта и все модели, заполняющие пространство, обязательно являются иконами или абстракциями: атомы - это ядра с электронными «облаками» различной плотности, окружающими их, и как таковые не имеют реальных поверхностей. В течение многих лет размер атомов был аппроксимирован физическими моделями ( CPK ), в которых объемы пластиковых шаров описывают, где находится большая часть электронной плотности (часто размер которых соответствует радиусу Ван-дер-Ваальса ). То есть поверхность этих моделей предназначена для представления определенного уровня плотности электронного облака, а не какой-либо 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 стала доступной, одним из распространенных подходов стало воспроизведение моделей CPK in silico . Относительно просто вычислить круги пересечения, но сложнее представить модель с удалением скрытой поверхности. Полезным побочным продуктом является то, что можно рассчитать обычное значение молекулярного объема .

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. В настоящее время относительно часто можно увидеть изображения поверхностей, окрашенных для отображения таких величин, как электростатический потенциал . Общие поверхности в молекулярной визуализации включают поверхности , доступные для растворителя («Ли-Ричардс»), поверхности без растворителя («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.

Технология [ править ]

Ранние интерактивные системы молекулярной компьютерной графики были машинами векторной графики , в которых использовались векторные мониторы для записи штрихов., 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 течение 1970-х годов были доступны двухцветные трубки Penetron с штриховым рисунком , но они не использовались в системах молекулярной компьютерной графики. Примерно в 1980 году Evans & Sutherlandсоздали 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] о сферическом затенении 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 технологии отображения и пережила ряд циклов интеграции и разделения вычислительного хоста и дисплея. Ранние системы, такие как Project MAC, были индивидуальными и уникальными, но в 1970-х годах MMS-X и подобные системы использовали (относительно) недорогие терминалы, такие как серия Tektronix 4014 , часто по коммутируемым линиям на многопользовательские хосты. Устройства могли отображать только статические картинки, но были способны проповедовать MG. В конце 1970-х отделы (например, кристаллографии) могли позволить себе собственные хосты (например, PDP-11 ) и подключать дисплей (например, PS-1 Evans & Sutherland ) непосредственно к автобусу . 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 архитектуры потока данных . Сложные графические объекты могут быть загружены по последовательной линии (например, 9600, 56 Кбод) 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 расчет 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 годов начали появляться рабочие станции UNIX, такие как Sun-3 с растровой графикой (изначально с разрешением 256 на 256). Компьютерный дизайн лекарств, в частности, требовал растровой графики для отображения вычисленных свойств, таких как атомный заряд и электростатический потенциал . Хотя у E&S был высококачественный ассортимент растровой графики (в основном предназначенный для аэрокосмической промышленности), они не смогли отреагировать на рыночный вызов низкого уровня, когда рабочие станции покупали отдельные пользователи, а не инженерные подразделения. В результате рынок дисплеев MG перешел кSilicon Graphics в сочетании с разработкой мини- суперкомпьютеров (например, CONVEX 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 в качестве устройств управления.

Стереоскопические дисплеи были разработаны на основе жидкокристаллических поляризованных очков, и, хотя для PS2 это было очень дорого, теперь они стали предметом массового потребления. Распространенной альтернативой было добавить поляризуемый экран к передней части дисплея и предоставить зрителям чрезвычайно дешевые очки с ортогональной поляризацией 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 превратился в OpenGL, поэтому молекулярную графику можно запускать на любой машине. В 1992 году Роджер Сэйл опубликовал свою программу « РасМол ». RasMol содержал очень высокопроизводительный молекулярный рендерер , работавший в Unix / X Window , и Сейл позже перенес его на платформы Windows и Macintosh . Ричардсоны разработали кинемаги и программное обеспечение Mage, которое также было мультиплатформенным. Указав химический тип MIMEмолекулярные модели могли обслуживаться через Интернет, так что впервые MG можно было распространять с нулевой стоимостью независимо от платформы. В 1995 году отделение кристаллографии Биркбек-колледжа использовало его для проведения "Принципов структуры белка", первого мультимедийного курса в Интернете, который охватил от 100 до 200 ученых.

Рис. 6. Молекула порина (белка) показана без окклюзии окружающей среды (слева) и с (справа). Расширенные эффекты визуализации могут улучшить понимание трехмерной формы молекулы.

MG продолжает видеть инновации, которые уравновешивают технологию и искусство, и в настоящее время программы с нулевой стоимостью или с открытым исходным кодом , такие как PyMOL и Jmol, получили очень широкое распространение и признание.

В последнее время широкое распространение передового графического оборудования улучшило возможности визуализации инструментов визуализации. Возможности современных языков затенения позволяют включать расширенные графические эффекты (такие как окклюзия окружающей среды , отбрасывание теней и нефотореалистичные методы рендеринга ) в интерактивную визуализацию молекул. Эти графические эффекты, помимо того, что они радуют глаз , могут 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 [ править ]

Справочные рамки [ править ]

Рисование молекул требует преобразования между координатами молекул (обычно, но не всегда, в единицах Ангстрема ) и экраном. Поскольку многие молекулы хиральны, важно, чтобы сохранялась правосторонность 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 изображение 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 [ править ]

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

В ранних дисплеях можно было рисовать только векторы (рис. 7), которые легко рисовать, потому что не требуется визуализация или удаление скрытых поверхностей.

На векторных машинах линии будут гладкими, но на растровых устройствах используется алгоритм Брезенхема (обратите внимание на «неровности» на некоторых связях, которые можно в значительной степени устранить с помощью программного обеспечения сглаживания ).

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).
  • вытягивание меньше, чем вся длина связки (например, 10–90%), чтобы смоделировать связь, выходящую из круга.
  • добавление небольшого белого кружка внутри круга для имитации отражения атома.

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

// Предполагать:// Атомы с координатами x, y, z (Angstrom) и elementSymbol// связывает указатели / ссылки на атомы на концах// таблица цветов для elementTypes// найти пределы молекулы в координатах молекулы как xMin, yMin, xMax, yMaxscale = min (xScreenMax / (xMax - xMin), yScreenMax / (yMax - yMin))xOffset = −xMin × масштабyOffset = −yMin × масштабдля каждой облигации в облигациях сделать 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 () × масштаб // (2) x1 = atom1.getX () y1 = atom1.getY () xMid = (x0 + x1) / 2 yMid = (y0 + y1) / 2 color0 = ColorTable.getColor (atom0.getSymbol ()) drawLine (цвет0, x0, y0, xMid, yMid) color1 = ColorTable.getColor (atom1.getSymbol ()) drawLine (цвет1, x1, y1, xMid, yMid)

Обратите внимание, что здесь предполагается, что начало координат находится в нижнем левом углу экрана, а Y вверху экрана. Многие графические системы имеют начало координат вверху слева, а Y внизу экрана. 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.

Расширенный [ править ]

Для большей реалистичности и лучшего понимания трехмерной структуры молекулы можно использовать многие алгоритмы компьютерной графики . В течение многих лет молекулярная графика подчеркивала возможности графического оборудования и требовала аппаратно-ориентированных подходов. С ростом мощности компьютеров на настольных компьютерах переносимость становится все более важной, и такие программы, как Jmol, имеют продвинутые алгоритмы, которые не зависят 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 [ править ]

Разработчики)Примерная датаТехнологииКомментарии
Кристаллографы<1960Нарисованный от рукиКристаллические структуры со скрытым атомом и удалением связей. Часто клинографические проекции.
Джонсон, Мазервеллок. 1970Перьевой плоттерОРТЕП, ПЛУТО. Очень широко используется для публикации кристаллических структур.
Сайрус Левинталь , Боб Лэнгридж, Уорд, Стоц [7]1966 г.Система 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]1969 г.Компьютер 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]1971 г.Разработал 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]1971 г.Световое 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]1971 г.CHEMAST: 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]1971 г.Дисплей Adage AGT / 50Интерактивная система просмотра молекулярной структуры. Математика вложенного вращения и вращения лабораторного пространства.
Перкинс, Пайпер, Таттам, Уайт [13]1971 г.Компьютер Honeywell DDP 516, аналоговый компьютер EAL TR48, осциллограф Lanelec, 7 линейных потенциометров. Стерео.Интерактивная система просмотра молекулярной структуры.
Райт [14] [15] [16]1972 г.GRIP-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 Норт [17]1972 г.Оксфордский 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 возвратной пружиной. Стерео.Прототип системы решения кристаллографической структуры больших молекул. Шесть ручек вращают и перемещают небольшую молекулу.
Барри, Босхард, Эллис, Маршалл, Фрич, Якоби1974MMS-4: [18] [19] Вашингтонский университет. 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.
Стеллман [21]1975 г.Princeton: 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, Моримото1975 г.CRYSNET, [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 Портер1976 г.NIH: 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.1976 г.MMS-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, Брукс1977 г.GRIP-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, 3-D коробка движения от AM Noll и трехмерный джойстик с пружинным возвратом для управления основанием, вложенный джойстик Measurement Systems, ручки, ползунки, кнопки, клавиатура, световое перо.Первое решение кристаллографической структуры больших молекул. [29]
Джонс1978 г.FRODO и RING [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.
Алмаз1978 г.Изображение [32] Кембридж, Англия, компьютер DEC PDP-11/50, дисплей системы изображения Эванса и Сазерленда, 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 , дисплеи Tektronix 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 более дешевые немые терминалы (VT200, SIGMEX)Коммерческие интегрированные пакеты моделирования и отображения.
Силиконовая Графика , СолнцеКонец 1980-хРабочие станции IRIS GL (UNIX)Однопользовательские 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, 1993RasMol , KinemageПлатформенно-независимый MG.
MDL (ван Влита, Maffett, Адлер, Holt)1995–1998Перезвонпроприетарный C ++; бесплатный плагин для 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 Java- апплет или отдельное приложение.
Усилия сообщества2000-DINO , Jmol , PyMol , Avogadro , PDB , OpenStructure Апплет Java с открытым исходным кодом или отдельное приложение.
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 о последовательностях и функциях (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 поддержки WebGL в браузере (кроме JSmol).

Электронные системы Ричардса Бокса [ править ]

Прежде чем можно было использовать компьютерную графику , [ когда? ] механические методы были использованы для подгонки больших молекул к их картам электронной плотности. Используя методы рентгеновской кристаллографии, кристалл вещества бомбардировали рентгеновскими лучами , и дифрагированные лучи, которые выходили, собирались с помощью компьютера с помощью преобразования Фурье в обычно размытое трехмерное изображение молекулы, видимое путем рисования контура. кружки вокруг высокой электронной плотности для построения контурной карты электронной плотности. [ необходима цитата ]

Раньше контурные карты электронной плотности рисовали вручную на больших пластиковых листах. Иногда фишки для бинго помещали на пластиковые листы, где интерпретировались атомы.

На смену этому пришел Ричардс Бокс [35], в котором регулируемая латунная молекулярная модель Кендрю была помещена перед двухсторонним зеркалом, за которым находились пластиковые листы карты электронной плотности. Это оптически наложило молекулярную модель и карту электронной плотности. Модель была перемещена в пределах контурных линий наложенной карты. Затем координаты атомов записывались с помощью отвеса и метра. Компьютерная графика давала надежду значительно ускорить этот процесс, а также во многих отношениях дать более четкое представление. [ необходима цитата ]

Заслуживающая внимания попытка преодолеть низкую скорость графических дисплеев того времени [ когда? ] проходил в Вашингтонском университете в Сент-Луисе , США. [ необходимая цитата ] Группа Дэйва Барри попыталась перепрыгнуть через современное состояние графических дисплеев, создав специальное аппаратное обеспечение для отображения изображений, достаточно сложных для решения кристаллографической структуры крупных 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.

Первой большой молекулой, атомная структура которой была частично определена с помощью системы молекулярной компьютерной графики, была РНК Transfer RNA, созданная командой Сунг-Хоу Кима в 1976 году [36] [37] после первоначальной подгонки на механическом боксе Ричардса. Первая большая молекула которого атомной структура была полностью определена на молекулярном системе компьютерной графики называется нейротоксин А из яда морской змеи Филиппины, по Tsernoglou, Petsko , и Те, [38] с утверждением того , чтобы быть первым [29] в 1977 г. Группа Ричардсона опубликовала результаты о частичной структуре атома [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. [ необходима 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. [ необходима 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. [ необходима цитата ]

В наши дни [ 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 программа XtalView XFit . [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • Список систем молекулярной графики
  • Программное обеспечение для молекулярного дизайна
  • Молекулярная модель
  • Молекулярное моделирование
  • Молекулярная геометрия
  • Редактор молекул
  • Программное обеспечение для моделирования молекулярной механики

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дикерсон, RE; Гейс, И. (1969). Строение и действие белков . Менло-Парк, Калифорния: WA Бенджамин.
  2. ^ IUPAC , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (1997) « молекулярная графика ». DOI : 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» . Труды конференции EVA London 2013 . Электронные мастерские по вычислительной технике . Британское компьютерное общество . С. 267–274.
  4. ^ Литература по продукту Evans & Sutherland PS-300
  5. ↑ Porter TK (август 1978 г.). «Сферическая штриховка». ACM SIGGRAPH Компьютерная графика . 12 (3): 282–5. DOI : 10.1145 / 965139.639789 .
  6. ^ Документы полевого обслуживания E&S PS-300
  7. ^ Levinthal, C. (июнь 1966). «Построение молекулярных моделей с помощью компьютера». Scientific American . 214 (6): 42–52. Bibcode : 1966SciAm.214f..42L . DOI : 10.1038 / Scientificamerican0666-42 . PMID 5930597 . 
  8. ^ Барри, CD, Эллис, Р. А., Грэссер, С. М. и Маршалл, Г. Р. 1969. Отображение и манипуляции в трех измерениях. Актуальные понятия в компьютерной графике , Univ. of Ill. Press, 104-153.
  9. ^ Ortony А. (май 1971). «Система стерео просмотра» . Компьютерный журнал . 14 (2): 140–4. DOI : 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. ^ Ortony, А. 1971b. Конференция по интерактивной стереографии на дисплеях , Институт инженеров-электриков, конф. Паб. № 80 (7–10 сентября), C. Baldwin Ltd., 185–193.
  11. ↑ Barry, CD, Ellis, RA, Graesser, SM, and Marshall, GR 1971. CHEMAST: компьютерная программа для моделирования молекулярных структур. Proc. 1971 ИФИП , 1552–1558.
  12. ^ Tountas, С. Кац, Л. 1971. Интерактивная графика вмолекулярной биологии. Трехмерное вращение изображений и фрагментов изображений в реальном времени. Proc. Летняя конференция по компьютерному моделированию, 1 , 241-247.
  13. ^ Перкинс, WJ; Пайпер, EA; Таттам, ФГ; Уайт, JC (июнь 1971 г.). «Интерактивные стереоскопические компьютерные дисплеи для биомедицинских исследований». Компьютеры и биомедицинские исследования . 4 (3): 249–261. DOI : 10.1016 / 0010-4809 (71) 90030-9 . PMID 5562569 . 
  14. ^ Райт, WV 1972a. Интерактивная компьютерная графическая система для молекулярных исследований . Докторская диссертация, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина.
  15. ↑ Райт, Западная Вирджиния (октябрь 1972 г.). «Двумерный интерфейс интерактивной системы молекулярных исследований». Уведомления ACM SIGPLAN . 7 (10): 76–85. DOI : 10.1145 / 942576.807017 .
  16. ^ a b Брукс Ф. П. Младший. Компьютерный "Ученый" как инструментальный мастер: исследования в области интерактивной компьютерной графики. Proc. ИФИП , 625-634 (1977).
  17. ↑ Barry CD, North AC (1972). «Использование компьютерной системы отображения в изучении молекулярных конформаций». Холодная весна Харб. Symp. Quant. Биол . 36 : 577–84. DOI : 10.1101 / SQB.1972.036.01.072 . PMID 4508170 . 
  18. ↑ Barry CD, Bosshard HE, Ellis RA, Marshall GR (декабрь 1974 г.). «Развитие системы макромодульного молекулярного моделирования». Кормили. Proc . 33 (12): 2368–72. PMID 4435239 . 
  19. ^ Фрич, JM, Ellis, RA, Jacobi TH, и Маршалл, GR 1975. высокомолекулярные Графическая система для Protein Structure исследований. Компьютеры и графика, 1 , № 2/3 (сентябрь), 271-278.
  20. ^ Коэн, GH и Фельдманн, RJ 1974. MAP - компьютерная программа с интерактивной графикой для манипуляции и подгонки белковых молекул к картам электронной плотности. Являюсь. Кристаллография. Доц. Весна 23 , (абстракция).
  21. ^ Stellman, SD (сентябрь 1975). «Применение трехмерной интерактивной графики в рентгеноструктурном анализе». Компьютеры и графика . 1 (2–3): 279–288. DOI : 10.1016 / 0097-8493 (75) 90019-9 .
  22. Перейти ↑ Collins DM, Cotton FA, Hazen EE, Meyer EF, Morimoto CN (декабрь 1975 г.). «Белковые кристаллические структуры: подходы быстрее и дешевле». Наука . 190 (4219): 1047–53. Bibcode : 1975Sci ... 190.1047C . DOI : 10.1126 / science.1188383 . PMID 1188383 . S2CID 44583219 .  
  23. ^ Фельдман, RJ 1976. AMSOM - Атлас высокомолекулярных структуры на микрошишу .. Мэриленд: Tracor Jitco Inc.
  24. ^ Розенбергер, Ф.У. и др. 1976. 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 E, Lipscomb JS, Pique ME, Wright, WV, Brooks FP Jr, Pique ME. Человеко-машинный интерфейс ГРИП-75. Видеообзор ACM SIGGRAPH , (4), (август 1981 г.).
  27. ^ Бриттон, EG 1977. Методология эргономичного дизайна интерактивных компьютерных графических систем и ее применение в кристаллографии . Докторская диссертация, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина.
  28. ^ Пике, ME 1980. Вложенные динамические вращения для компьютерной графики . Магистерская диссертация, Университет Северной Каролины, Чапел-Хилл, Северная Каролина.
  29. ^ а б Церноглов Д., Пецко Г.А., Ту АТ (апрель 1977 г.). «Секвенирование белков с помощью компьютерной графики». Биохим. Биофиз. Acta . 491 (2): 605–8. DOI : 10.1016 / 0005-2795 (77) 90309-9 . PMID 857910 . 
  30. ^ Джонс, TA (август 1978). «Система построения и уточнения графических моделей для макромолекул» . Журнал прикладной кристаллографии . 11 (4): 268–272. DOI : 10.1107 / S0021889878013308 .
  31. ^ Джонс, Т. 1978b. КОЛЬЦО [руководство пользователя]. Max-Planck-Institut fur Biochemie, 8033 Martinsried bei Muchen, Германия.
  32. Перейти ↑ 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, функции и эволюции . Мадрас, Индия, (4 января), Pergamon Press.
  33. ^ Abagyan R, Lee WH, Raush E, et al. (Февраль 2006 г.). «Распространение данных структурной геномики среди общественности: от свалки данных до анимационного рассказа». Trends Biochem. Sci . 31 (2): 76–8. DOI : 10.1016 / j.tibs.2005.12.006 . PMID 16406633 . 
  34. ^ Рауш Е, Тотры М, Марсден BD, Абагян R (2009). «Новый метод публикации трехмерного контента» . PLOS ONE . 4 (10): e7394. Bibcode : 2009PLoSO ... 4.7394R . DOI : 10.1371 / journal.pone.0007394 . PMC 2754609 . PMID 19841676 .  
  35. ^ "Ричардс, Фредерик М." Протопедия . Проверено 13 июня 2014 .
  36. ^ Сассмен JL, Ким SH (январь 1976). «Идеализированные атомные координаты дрожжевой фенилаланин-транспортной РНК». Biochem. Биофиз. Res. Commun . 68 (1): 89–96. CiteSeerX 10.1.1.412.9079 . DOI : 10.1016 / 0006-291X (76) 90014-0 . PMID 1108880 .  
  37. ^ Сассман JL, Ким S; Ким (май 1976 г.). «Трехмерная структура трансфертной РНК в двух кристаллических формах». Наука . 192 (4242): 853–8. Bibcode : 1976Sci ... 192..853S . DOI : 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. США . 74 (3): 971–4. Bibcode : 1977PNAS ... 74..971T . DOI : 10.1073 / pnas.74.3.971 . PMC 430551 . PMID 265589 .  
  39. ^ Richardson DC, 1977. Трехмерная структура Cu, Zn супероксиддисмутазы. Супероксид и супероксиддисумасы . Эд. А. М. Михельсон, Дж. М. МакКорд и И. Фридойвич. Лондон, Нью-Йорк: Academic Press.

Внешние ссылки [ править ]

  • Luminary Series Интервью с Робертом Лэнгриджем Интервью Расса Альтмана и исторические слайды.
  • История визуализации биологических макромолекул Эриком Марцем и Эриком Франкоером.