大分子轨迹可视化(Visualization of Large Molecular Trajectories)

分子动力学模拟是对原子和分子的物理运动及其相互运动的计算机模拟。这些模拟可以应用于化学物理、材料科学和生物分子建模等多个领域。在药理学、药物设计和酶催化领域,分子动力学模拟可以预测小分子药物(配体)与生物分子(蛋白质)的结合模式及结合亲和力。本工作对配体与受体蛋白结合的过程中的数据及其轨迹进行可视化,处理的数据为三个配体同时与受体蛋白结合的过程,整个过程持续时间多于80万个时间步。

本工作探索多个配体与受体蛋白相互作用的过程,系统界面如图1所示。左上角为分子体数据的渲染视图;右上角为面板选择区域;下部为不同配体随时间的状态变化情况。

图1 系统界面

首先,需要根据原始数据得到每个时间步中每个配体与受体蛋白的位置关系,以及配体的速度、能量等。位置关系共分为三种:外部、表面、内部。先根据配体分子邻域内的原子数的多少判断配体是否在受体蛋白外部,再根据与配体与受体蛋白中心连线垂直的平面两侧的原子多少判断配体是否在受体蛋白内部。速度则由相邻两个时间步配体位置只差计算得出,并去除反常速度,即速度过高时刻的值。

计算完库伦能与范德华能后,即可生成图2所示的折线图。不同折线图代表不同的配体。其中不同颜色的折线代表不同属性的标量值大小随时间步的变化。每个属性在每个时间步上的值为其在时间步邻域内的平均值。橙色(库伦能)与蓝色(范德华能)上下具有一定透明度的区域表示邻域内的25%值75%的值的范围,方差越大,区域的上下边界越远。背景的颜色代表配体与受体蛋白的位置关系,颜色越深配体越靠近受体蛋白中心。

图2 每个折线图表示一个配体的属性随时间步推移的变化

此外,本工作还支持在分子体渲染结果上选择感兴趣的区域进行进一步探索。用户首先通过修剪(clip),观察到感兴趣的区域,如图3(c)中右下的空腔区域。接着,用户在此区域上设置一个球体,作为感兴趣的区域,如图3(e)所示。

图3 在体渲染视图中选择感兴趣区域的步骤

选取后,用户即可观察到不同时间步不同配体与此区域原子的相互作用的强弱,如图4所示。其中背景颜色越红,代表配体在该时间段内与选取区域的相互作用越强。我们可以看出,第一个配体与受体蛋白中的选中区域的原子在后期有较弱的相互作用;第二个配体与选中区域的原子无相互作用;第三个配体与选中区域的原子有较强的相互作用。

图4 选取感兴趣的区域后折线图背景更换编码为配体与该区域相互作用的强弱

总的来说,本工作提出一种易用的可视分析系统,用于探索大规模、多配体的分子模拟数据。

 

参考文献

[1] David D , Pedro H , Timo R , et al. Visualization of Large Molecular Trajectories[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics, 2018:1-1.

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