rdkconf: ChimeraXでSMILESを扱う方法

ChimeraXでSMILESを扱う

ChimeraXでSMILES等の分子表記から3D構造を生成する方法を紹介します。

ChimeraXの標準機能（open smiles:）

ChimeraXにはSMILESから3D構造を生成する機能が標準で備わっています。

open smiles:CCO
open smiles:c1ccccc1 resName benzene

GUIからは Tools → Structure Editing → Build Structure → Start Structure → SMILES string でも同様のことができます。

ただし、この方法にはいくつかの制約があります。

• NCI（National Cancer Institute）のWebサービスに依存しており、インターネット接続が必須
• 3D座標生成の品質を制御できない
• SMILES以外の分子表記（InChI、配列等）は別コマンドが必要

chimerax-rdkit-conformer（rdkconf）

これらの制約を解決するために、RDKitを使ったChimeraXバンドル chimerax-rdkit-conformer を作りました。

当初はChimeraXの環境を汚さないよう、外部のuvを使ってサブプロセスでRDKitを実行する方式（後述のOption C）を考えていました。しかし実際に試してみると、ChimeraXのPythonにpip installで直接RDKitを入れても問題なく動作したため、シンプルな直接インストール方式（Option A）も用意しています。

特徴:

• ローカル完結 — ネットワーク不要
• RDKit ETKDGv3 による高品質な3D座標生成
• SMILES以外にも InChI、ペプチド配列、DNA/RNA、FASTA、HELM に対応
• 複数コンフォーマーの一括生成
• MMFF最適化、ChimeraXのminimize連携

前提知識: ChimeraXでpip installできる

意外と知られていないのですが、ChimeraXには独自のPython環境が内蔵されており、コマンドラインからpip installでPyPIのパッケージをインストールできます。

# ChimeraXのコマンドラインで
pip install rdkit

これだけでChimeraXのPython内にRDKitが入ります。ターミナルからも実行可能です。

# ターミナルから
chimerax --nogui --exit --cmd 'pip install rdkit'

ターミナルからchimeraxコマンドが使えない場合は、シンボリックリンクかaliasを設定してください。

# シンボリックリンクの場合（バージョンに合わせてパスを変更）
ln -s /Applications/ChimeraX-1.11.1.app/Contents/bin/ChimeraX /usr/local/bin/chimerax

# aliasの場合（.zshrc / .bashrc に追加）
alias chimerax='/Applications/ChimeraX-1.11.1.app/Contents/bin/ChimeraX'

ChimeraXのPython環境にパッケージを追加するため、環境が汚染される点には注意してください。Option B/Cではこの問題を回避できます。

インストール

3つのインストール方法があります。用途に応じて選択してください。

Option A: Direct RDKit（シンプルでおすすめ）

RDKitをChimeraXのPythonに直接インストールする方法です。

# ChimeraXのコマンドラインで
pip install rdkit
cd /path/to/chimerax-rdkit-conformer/bundle-direct
devel install .

Option B: uv subprocess（ChimeraXへの環境汚染を最小限に）

uv をChimeraXにインストールし、RDKitは PEP 723 でスクリプト実装し、これをsubprocessで実行します。
ChimeraXのPython環境にはuvのみが追加されます。

uvとPEP723についてはこちらの記事が参考になります。

# ChimeraXのコマンドラインで
pip install uv
cd /path/to/chimerax-rdkit-conformer/bundle-uv
devel install .

Option C: uv subprocess（ゼロ汚染）

ChimeraXの環境を一切汚染したくない場合、システムにインストール済みのuvを直接指定することで回避できます。

# まずシステムのuvのパスを確認
which uv
# 例: /Users/username/.local/bin/uv

# ChimeraXのコマンドラインで
cd /path/to/chimerax-rdkit-conformer/bundle-uv
devel install .
rdkconf uvPath /Users/username/.local/bin/uv  # which uv で確認したパスを指定

uvPathは一度設定すれば永続化されます。

devel installはバンドルのディレクトリ内で実行する必要があります。cdしてからdevel install .としてください。

使い方

SMILES

rdkconf CCO                        # エタノール
rdkconf c1ccccc1                   # ベンゼン
rdkconf "CC(=O)Oc1ccccc1C(=O)O"   # アスピリン

InChI

InChIはInChI=プレフィクスで自動検出されます。

rdkconf "InChI=1S/C2H6O/c1-2-3/h3H,2H2,1H3"

ペプチド・核酸配列

formatキーワードで配列の種類を指定します。

rdkconf GGG format sequence        # ペプチド配列
rdkconf ACGT format dna            # DNA配列
rdkconf ACGU format rna            # RNA配列
rdkconf ">seq\nGGG" format fasta   # FASTA形式

HELM

rdkconf "PEPTIDE1{G.G.G}$$$$" format helm

オプション

rdkconf CCO name EtOH              # 残基名を指定
rdkconf CCO hydrogen false         # 水素原子を非表示
rdkconf CCO optimize true          # RDKit MMFF最適化
rdkconf CCO minimize true          # ChimeraX minimize（1.11+）
rdkconf CCO optimize true minimize true  # 両方実行
rdkconf c1ccccc1 conformers 5      # 5つのコンフォーマーを生成

optimizeはRDKitのMMFF力場、minimizeはChimeraXのAmber力場でエネルギー最小化を行います。組み合わせることでより安定した構造が得られます。

minimizeはChimeraX 1.11以降でのみ使用可能です。また、詳細なminimizeの設定が必要な場合はrdkconfのminimizeオプションではなく、ChimeraXのminimizeコマンドを別途実行することを推奨します。

複数コンフォーマーの生成例（メラトニン）:

rdkconf "CC(=O)NCCc1c[nH]c2ccc(OC)cc12" conformers 5 name melatonin

キーワード	デフォルト	説明
name	UNK	残基名
hydrogen	true	水素原子の表示
optimize	false	RDKit MMFF力場で最適化
minimize	false	ChimeraXのminimizeで最適化（1.11+）
conformers	1	生成するコンフォーマーの数
format	smiles	入力フォーマット

対応フォーマット一覧

フォーマット	formatキーワード	自動検出
SMILES	smiles（デフォルト）	Yes（フォールバック）
InChI	inchi	Yes（InChI=プレフィクス）
ペプチド配列	sequence	No
DNA配列	dna	No
RNA配列	rna	No
FASTA	fasta	No
HELM	helm	No

標準機能との比較

	open smiles:	rdkconf
ネットワーク	必要（NCI依存）	不要
3D生成エンジン	NCI Web service	RDKit ETKDGv3
対応フォーマット	SMILES, IUPAC	SMILES, InChI, 配列, FASTA, HELM
コンフォーマー	1つのみ	複数対応
力場最適化	なし	MMFF / ChimeraX minimize
オフライン	不可	可能

まとめ

今回紹介したように、ChimeraXではpip installでPyPIのパッケージをインストールできます。意外と知られていませんが、これを活用すればChimeraXの機能を大幅に拡張できます。

rdkconfはその一例で、RDKitを使ってローカルで高品質な3D構造生成を実現しています。ぜひ試してみてください。

また、本記事のOption B/Cで紹介したuvとPEP 723を組み合わせれば、ChimeraXの環境を汚さずにPythonスクリプトから外部ライブラリを利用することも可能です。ChimeraXのrunscriptコマンドと組み合わせると、さらに色々なことができそうですね。