#はじめに
PDB形式のタンパク質立体構造データをもとに、SketchUpを使ってタンパク質の立体モデルを作成するシリーズの最終回です。
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化 その1
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化 その2【アミノ酸の側鎖を描画】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化 その3【アミノ酸の側鎖も含めて描画】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化 その4【主鎖を立体に】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化 その5【玉の描画】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化 その6【ついでにDNAをモデル化】
タンパク質の立体構造をSketchUpでモデル化 その7【最終回】
前回までに、タンパク質の主鎖を細い円柱で、側鎖を細い線(edge)で描くこと、DNAについても、リン酸-デオキシリボースのバックボーンを細い円柱で、それ以外をedgeで描くことができていました。ところがコードがタンパク質用とDNA用に別れてしまい、冗長になってしまいました。
また、メインルーチンが長く、いかにも保守しにくそうであること、各行のデータに何度もsplit処理をするなど、無駄が多くなっていました。
今回は、これらをまとめてすっきりさせ、保守しやすくしたいと思います。なおRNAを含む立体構造データはほとんどないようでしたので、RNAの描画については考えないことにしました。RNAは分解しやすいので立体構造解析が難しいのでしょうね。
立体データはMMDB ID:71816のもので、逆転写酵素と2本鎖DNAの複合体です。
#コード
以下のメソッドを用意しました。
- 主鎖を描画するメソッド
- ポリマーの構成単位(つまりモノマー)を描画するメソッド
- 球を描画するメソッド(ここでは不使用)
- データタイプ(DNA or Protein)の判定メソッド
また、DNAとProteinの原子の結合状態データを1つにまとめ、定数である(変更しない)変数を、スクリプト上部に記述することにしました。
#タンパク質とDNAのPDBデータ形式をSketchUpの立体構造モデルに変換するRuby Scriptです。ご利用、改変は構いませんが、当スクリプトのこの行はそのままにするようお願いします。作者 @yoho at Qiita
#モデルを取得
model = Sketchup.active_model
$entities = model.active_entities
#読み込むファイルへのパス
inputFilePath = "/Users/yoho/Downloads/mmdb_1D0E.pdb"
#描画する主鎖の原子
typesAndMainstrand = {"DNA"=>["P","O5*","C5*","C4*","C3*","O3*","P"],"Protein"=>["C" ,"CA", "N"]}
#描画用結合情報
$monomersAndBonds = {
# DNAはindex 0,1が主鎖。塩基部分は、index 6以降
"A" => [["P","O5*","C5*","C4*","C3*"],["C3*","O3*"],["P","O1P"],["P","O2P"],["C3*","C2*","C1*"],["C4*","O4*","C1*"],["C1*","N9","C8","N7","C5","C6","N1","C2","N3","C4","N9"],["C4","C5"],["C6","N6"]],#A
"G" => [["P","O5*","C5*","C4*","C3*"],["C3*","O3*"],["P","O1P"],["P","O2P"],["C3*","C2*","C1*"],["C4*","O4*","C1*"],["C1*","N9","C8","N7","C5","C6","N1","C2","N3","C4","N9"],["C4","C5"],["C6","O6"],["C2","N2"]],#G
"C" => [["P","O5*","C5*","C4*","C3*"],["C3*","O3*"],["P","O1P"],["P","O2P"],["C3*","C2*","C1*"],["C4*","O4*","C1*"],["C1*","N1","C2","N3","C4","C5","C6","N1"],["C2","O2"],["C4","N4"]],#C
"T" => [["P","O5*","C5*","C4*","C3*"],["C3*","O3*"],["P","O1P"],["P","O2P"],["C3*","C2*","C1*"],["C4*","O4*","C1*"],["C1*","N1","C2","N3","C4","C5","C6","N1"],["C2","O2"],["C4","O4"],["C5","C5M"]],#T
# アミノ酸は、index 0が主鎖。index 1がカルボニル基。それ以降は側鎖。
"ALA" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"]],#A
"CYS" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","SG"]],#C
"ASP" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","OD1"],["CG","OD2"]],#D
"GLU" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD"],["CD","OE1"],["CD","OE2"]],#E
"PHE" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1","CE1","CZ","CE2","CD2","CG"]],#F
"GLY" => [["N","CA","C"],["C","O"] ],#G
"HIS" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","ND1","CE1","NE2","CD2","CG"]],#H
"ILE" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"],["CB","CG1","CD1"],["CB","CG2"]],#I
"LYS" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD","CE","NZ"]],#K
"LEU" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1"],["CG","CD2"]],#L
"MET" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","SD","CE"]],#M
"ASN" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","OD1"],["CG","ND2"]],#N
"PRO" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD","N"]],#P
"GLN" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD"],["CD","OE1"],["CD","NE2"]],#Q
"ARG" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG","CD","NE","CZ"],["CZ","NH1"],["CZ","NH2"]],#R
"SER" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","OG"]],#S
"THR" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"],["CB","OG1"],["CB","CG2"]],#T
"VAL" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB"],["CB","CG1"],["CB","CG2"]],#V
"TRP" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD2","CE2","CZ2","CH2","CZ3","CE3","CD2"],["CG","CD1","NE1","CE2"]],#W
"TYR" => [["N","CA","C"],["C","O"],["CA","CB","CG"],["CG","CD1","CE1","CZ","CE2","CD2","CG"],["CZ","OH"]]#Y
}
#使用する色のリスト
colors = ["SpringGreen","SlateBlue","MediumVioletRed","MediumBlue","Lime","LightSeaGreen","Indigo",
"Green","Gold","DodgerBlue","DarkOrchid","Crimson","Coral","RoyalBlue"]
#関数
# 立体的なエッジ(円柱)を追加するメソッド。ストランドの半径と色を指定
def addStrand(strand,r,color)
strandEdge = $entities.add_edges(strand)
#circleを追加する。
vector = strand[0] - strand[1]
circleEdges = $entities.add_circle(strand[0], vector , r)
#円をfaceに変換。
face = $entities.add_face(circleEdges)
#faceにフォローミーツールを適用
face.followme(strandEdge)
#ストランドに色を付ける。$entitiesの中から、フォローミーに使ったFaceの中心座標を含むFaceを探す。
for x in $entities #監修 @scivola 先生
next unless x.typename == "Face"
result = x.classify_point(strand[0])
next unless result == Sketchup::Face::PointInside
connected_entities = x.all_connected
for y in connected_entities
y.material= color if y.typename == "Face"
end
end
end
def drawMonomers(hash,monomerType)
#monomerTypeによって、主鎖以外の場所は描かないようにするなど変更したい
if monomerType == "DNA"
startIndex = 2
elsif monomerType == "Protein"
startIndex = 1
else
startIndex = 0
end
#monomerTypeはDNAかProteinのどちらか
hash.each{|key,value|
#最初のデータのindex 3からmonomerの種類を取得
symbol = value[0][3]
#それぞれの行にあるATOMの名前と、座標をHashにしまう。
atomsAndCoordinates = Hash.new
for data in value
atomsAndCoordinates[data[2]] = Geom::Point3d.new(data[6].to_f, data[7].to_f, data[8].to_f)
end
#ヌクレオチドごとに、描画すべき結合を、edgeとして追加する。
#原子情報が欠けている場合があるので、bondsから2つずつ取り出して、対応する座標データが両方得られる場合に限って、edgeを追加する。
# DNAの場合はindex = 2から、Proteinの場合はindex 1から描画
list = $monomersAndBonds[symbol][startIndex..-1]
for bonds in list
for index in 0..bonds.size - 2
atomA = atomsAndCoordinates[bonds[index]]
atomB = atomsAndCoordinates[bonds[index+1]]
if atomA != nil and atomB != nil
$entities.add_edges([atomA,atomB])
else
puts "結合情報がありません" + key +" "+ symbol + " "+ bonds[index] + "-" + bonds[index + 1]
end
end
end
}
end
def makeSphere(center,radius)
#第1引数:中心座標 Geom::Point3d あるいは[1,1,5] 3つの値の配列でも良い
#第2引数:半径 数値
#ベクトルを2つ使用。2つが直行していれば何でも良い。
vector1 = Geom::Vector3d.new(1,0,0)
vector2 = Geom::Vector3d.new(0,0,1)
#円1を描く
circleEdges = $entities.add_circle center, vector1, radius
#円1に面をつける
face = $entities.add_face(circleEdges)
#円2を描く
circleEdges2 = $entities.add_circle center, vector2, radius*2
#円1のフェイスに対して、円2をエッジとしてフォローミーツールを適用
face.followme(circleEdges2)
#余計なエッジを消す
for edge in circleEdges2
edge.erase!
end
end
def type(lines)
#最初の1データで判断。
if ["A","C","G","T"].include?(lines[0][3])
return "DNA"
elsif ["ALA" ,"CYS" ,"ASP" ,"GLU" ,"PHE" ,"GLY" ,"HIS" ,"ILE" ,"LYS" ,"LEU" ,"MET" ,"ASN" ,"PRO" ,"GLN" ,"ARG" ,"SER" ,"THR" ,"VAL" ,"TRP" ,"TYR"].include?(lines[0][3])
return "Protein"
else
return "UnKnown Type"
end
end
#ファイルを読み込む
lines = IO.readlines(inputFilePath)
#ストランドごとに行データを分ける。ATOMの書いてある行だけにする。
polymersAndLines = Hash.new{ |hash, key| hash[key] = [] }# 存在しないkeyを指定した時に、そのkeyに関連づけられた空の配列が返るカッコイイhash
for line in lines
dataInLine = line.split
if dataInLine[0] == "ATOM"
key = dataInLine[4]
polymersAndLines[key].push(dataInLine)
end
end
colorIndex = 0
mainStrandThickness = 0.1 # 0なら描画しない
polymersAndLines.each{|key,lines|
#data typeを判別
type = type(lines)
if !["DNA","Protein"].include?(type)
put "unknown polymer type. Polymer: " + key
next
end
mainStrandPoints = []
monomersAndLines = Hash.new{ |hash, key| hash[key] = [] }# 存在しないkeyを指定した時に、そのkeyに関連づけられた空の配列が返るカッコイイhash
for dataInLine in lines
#主鎖情報をkeep
if typesAndMainstrand[type].include?(dataInLine[2])
mainStrandPoints.push(Geom::Point3d.new(dataInLine[6].to_f, dataInLine[7].to_f, dataInLine[8].to_f))
end
#各モノマーの情報をhashでkeep
monomerIdentifier = dataInLine[3..5].join("_")
monomersAndLines[monomerIdentifier].push(dataInLine)
end
#主鎖を描画
if mainStrandThickness != 0
addStrand(mainStrandPoints,mainStrandThickness,colors[colorIndex%14])#立体的にしないなら
else
$entities.add_edges(mainStrandPoints)
end
#各モノマーを描画
drawMonomers(monomersAndLines,type)
#主鎖の色を変更
colorIndex += 1
}
#動作確認
逆転写酵素とDNAの複合体です。下の方にあるのがDNAです。タンパク質分子は2つですが、DNAが付いているのは片方だけのようです。これぐらいのサイズで私のパソコンでは描画まで2分程度でした。
#終わりに
作り始めた当初コロナウィルス のキャプシドタンパク質、スパイクタンパク質をモデリングしてリアルなコロナウィルス を作ろう！と思っていたので、まだゴールには達していません。また、タンパク質の表面を描画しようと思っていたのですが、これは原子のデータから表面データへと変換しなくてはならないので、また別のテーマということで今回は保留です(空間に格子状にたくさんの点を置いて、タンパク質までの距離が一定の範囲内にある点だけを残して、これをつないだら表面になるかしら？？)。
コロナ自粛で家にこもっていたら、楽しくなってきてはかどりました。Rubyはほぼ初めてでしたが @scivola さんからたくさんのアドバイスをいただき、素人ながら、それほど素人っぽくないコードになったと思います(少なくとも素人から見たら素人のコードには見えないかも！)。改めてお礼申し上げます。