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Interaktive Visualisierung dynamischer, komplexer Eigenschaften von Protein-Lösungsmittel-Systemen
Leiter | Technik | ||
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Bearbeiter | weitere Bearbeiter |
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Proteindarstellungen
Verfügbare Werkzeuge zur Visualisierung von Proteinen und anderen Molekülen sind of nicht für die Verwendung mit den Ausgabedaten von Molekulardynamik-Simulation geeignet. Diese (auch als Trajektorien bezeichneten) Datensätze können über 50.000 Zeitschritte einer Simulation enthalten und mehr als 20 GB Speicher benötigen. Eines der Ziele dieses Teilprojekt ist es, herkömmliche Proteindarstellungen mit zeitgemäßer Optik zu implementieren und dabei die Möglichkeiten aktueller Hardware auszunutzen, um die interaktieve Darstellung dieser großen Trajektorien zu ermöglichen. Bei den bisher unterstützten atombasierten Moleküldarstellungen werden punktbasierte Glyphen mittels GPU-Raycasting gerendert, um hohe Darstellungsqualität bei interaktiven Frameraten zu gewährleisten.
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| Spacefill-Darstellung | Ball-and-Stick-Darstellung | Stick-Darstellung |
- Cartoon-Darstellung
Sekundärstruktur-basierte Darstellung (Cartoon-Darstellung)
Die Cartoon-Darstellung hebt die verschiedenen Sekundärstruktur-Elemente (Helix, Sheet, Turn, Random Coil) eines Proteins graphisch hervor und gibt somit einen Überblick über die vorliegenden Faltungsmuster.
Die Implementierung bietet die Möglichkeit, die Geometrie komplett im Geometry Shader der Graphikkarte zu erzeugen, um auch bei großen Trajektorien eine hohe Anzeigegeschwindigkeit zu gewährleisten.
Details sind in GPU-based Visualisation of Protein Secondary Structure zu finden.
Oberflächendarstellungen von Proteinen werden benötigt, wenn die Kontaktfläche zwischen einem Protein und dem umgebenden Medium (Lösungsmittel) bzw. anderen Molekülen untersucht wird. Typische Anwendungen sind docking (die Analyse der Interaktion oder Aggregation des Proteins mit anderen Proteinen oder Liganden) und die Untersuchung spezifischer Merkmale, welche an der Oberfläche auftreten (beispielsweise Bindungsstellen oder hydrophobe/-phile Regionen). Die Solvent Excluded Surface (SES) ist die gebräuchlichste Oberflächendarstellung, da sie für alle oben genannten Anwendungen geeignet ist.
Durch die aufwändige Vorberechnung stellt die interaktive Visualisierung der SES insbesondere für große Trajektorien eine Herausforderung dar. Die im Rahmen des SFB entwickelte Implementierung kombiniert eine abschnittsweise Aktualisierung der Oberfläche mit GPU-Raycasting punktbasierter Glyphen, um dieses Ziel zu erreichen. Des weiteren wurde insbesondere für große Proteine eine semantische Reduktion der Atomdaten vorgeschlagen, welche für höheren Frameraten sorgt.
Die entwickelten Methoden werden in Interactive Visualization of Molecular Surface Dynamics erläutert.
Lösungsmittelpfade
- Molekülpfade innerhalb der Bindungstasche, sowie durch Ein- und Ausgänge der Tasche.
- Aus Molekülpfaden der gesamten Trajektorie extrahierte Hauptpfade.
Lösungsmittel haben einen wichtigen Einfluss auf die Funktion des Proteins. Darum ist es von großem Interesse, das Verhalten des Lösungsmittels zu analysieren. Neben den sogenannten Stellen kondensierten Wassers werden auch die prinzipiellen Pfade untersucht, die die Lösungsmittelmoleküle durch Bindungstaschen nehmen, untersucht.
Im vorliegenden Beispiel wurden 2 Eingänge einer Bindungstasche verglichen, und welcher Anteil an Lösungsmittelmolekülen die Bindungstasche durch die jeweilige Öffnung betritt bzw. verlässt. Hierzu wurde eine Visualisierung konzipiert, die nebenstehend beispielhaft dargestellt ist. Im oberen Bild sind alle Pfade dargestellt, die Lösungsmittel im Laufe der Trajektorie durchlaufen. Der Zeitpunkt innerhalb der Trajektorie ist farblich kodiert, um den Pfad zeitlich grob einordnen zu können. Eine exakte Einordnung ist in den Anwendungsfällen uninteressant. Die Farbsättigung wiederum kodiert die Geschwindigkeit des jeweiligen Moleküls, wobei geringe Sättigung hohe Geschwindigkeit repräsentiert, da das Hauptaugenmerk auf sich langsam bewegenden Lösungsmittelmolekülen liegt.
Im unteren Bild ist die abstrahierte Darstellung der Hauptpfade dargestellt. Hierzu werden die ursprünglichen Einzelpfade gefiltert und abhängig von Geschwindigkeit und Ort geclustert. Der dargestellte Farbverlauf spiegelt die zeitliche Abfolge wider und damit die Richtung. Die Dicke der abstrakten Pfadlinien entspricht der Anzahl der Einzelpfade, die durch die jeweilige abstrakte Pfadlinie repräsentiert werden.
Eine detailierte Beschreibung findet sich in Visual Abstractions of Solvent Pathlines near Protein Cavities.
Publikationen
Artikel
2009
Interactive Visualization of Molecular Surface Dynamics.
In: IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics (Proceedings Visualization / Information Visualization 2009), Ausgabe 15, Nr. 6 (2009), S. 1391-1398.
2008
Visual Abstractions of Solvent Pathlines near Protein Cavities.
In: Computer Graphics Forum (EuroVis 2008 Special Issue), Ausgabe 27, Nr. 3 (2008), S. 935-942.
Konferenzbeiträge
2008
GPU-based Visualisation of Protein Secondary Structure.
In: Proceedings of TP.CG'08, S. 115-122. 2008
2007
Time-Based Haptic Analysis of Protein Dynamics.
In: Proceedings of World Haptics Conference (WHC 2007) , S. 537-542. 2007
