[論文レビュー] BioBlender: Fast and Efficient All Atom Morphing of Proteins Using Blender Game Engine

Maria Francesca Zini, Yuri B. Porozov+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2010

Protein Structure and Dynamics参考文献 6被引用数 24

ひとこと要約

BioBlender は、ブレンドャー・ゲーム・エンジンを活用した、計算的に効率的な全原子モーフィング手法を提示する。この手法により、NMRで得られたタンパク質構造間の滑らかで生体物理学的に妥当な中間的コンformationを生成できる。3次元グラフィックスの高速化とアニメーションツールを活用することで、カムジオニンなどのタンパク質におけるコンformational パスを明らかにする高精度な動的遷移を生成する。これは、分子運動の可視化および解析に実用的なツールを提供する。

ABSTRACT

In this and the associated article 'BioBlender: A Software for Intuitive Representation of Surface Properties of Biomolecules', (Andrei et al) we present BioBlender as a complete instrument for the elaboration of motion (here) and the visualization (Andrei et al) of proteins and other macromolecules, using instruments of computer graphics. A vast number of protein (if not most) exert their function through some extent of motion. Despite recent advances in higly performant methods, it is very difficult to obtain direct information on conformational changes of molecules. However, several systems exist that can shed some light on the variability of conformations of a single peptide chain; among them, NMR methods provide collections of a number of static 'shots' of a moving protein. Starting from this data, and assuming that if a protein exists in more than 1 conformation it must be able to transit between the different states, we have elaborated a system that makes ample use of the computational power of 3D computer graphics technology. Considering information of all (heavy) atoms, we use animation and game engine of Blender to obtain transition states. The model we chose to elaborate our system is Calmodulin, a protein favorite among structural and dynamic studies due to its (relative) simplicity of structure and small dimension. Using Calmodulin we show a procedure that enables the building of a 'navigation map' of NMR models, that can help in the identification of movements. In the process, a number of intermediate conformations is generated, all of which respond to strict bio-physical and bio-chemical criteria. The BioBlender system is available for download from the website www.bioblender.net, together with examples, tutorial and other useful material.

研究の動機と目的

• タンパク質コンformation間の全原子モーフィングを高速かつ効率的に生成する手法の開発。
• 3次元コンピュータグラフィックス技術を活用し、バイオマoleculeのコンformational 遷移を可視化すること。
• NMRで得られたタンパク質構造の間で生体物理学的に整合性のある中間状態を生成すること。
• 研究者がタンパク質のダイナミクスおよびコンformational パスを探索できるユーザーフレンドリーなツールを提供すること。
• 本手法をカムジオニンというモデル系に適用し、構造的および動的解析の有効性を示すこと。

提案手法

• 本手法は、ブレンドャー・ゲーム・エンジンのアニメーションおよび物理レンダリング機能を活用し、2つのタンパク質構造間の間接的コンformationを計算する。
• すべての重い原子が空間的・幾何的制約を用いて追跡され、補間され、物理的妥当性が保証される。
• タンパク質が複数のコンformationをとれるならば、それらの間を遷移できるはずであるという仮定に基づき、遷移状態の生成が可能になる。
• NMRモデルの「ナビゲーションマップ」を構築することで、タンパク質内のコンformational パスを特定・可視化する。
• 本フレームワークは、チュートリアルおよび例題データセットをダウンロード可能にしたソフトウェアツールとして実装されている。
• 本手法は、特にNMR分光法からの既存の構造データと統合され、動的可視化を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一般用途の3次元グラフィックスエンジンを用いて、タンパク質の全原子モーフィングをどのように効率的に実行できるか。
• RQ2 NMRで得られた構造から生成される中間状態の生体物理学的正確性はどの程度達成できるか。
• RQ3 ブレンドャー・ゲーム・エンジンは、高精度なタンパク質コンformational 遷移モデルに効果的に再利用可能か。
• RQ4 静的なNMR構造の集合から、コンformational パスを体系的に探索・可視化する方法は何か。
• RQ5 このようなツールの実用的価値は、タンパク質のダイナミクスおよび機能の理解にどの程度寄与するか。

主な発見

• BioBlender システムは、ブレンドャー・ゲーム・エンジンを用いて、タンパク質コンformation間で滑らかで全原子のモーフィングを成功裏に生成した。
• 本手法は、厳密な生体物理学的および生化学的基準を満たす中間状態を生成し、構造的妥当性を保証した。
• フレームワークは、タンパク質内のコンformational 遷移を特定・探索するのに役立つ「ナビゲーションマップ」の作成を可能にした。
• 本手法は計算的に効率的であり、リアルタイムレンダリングおよびアニメーションに既存の3次元グラフィックスハードウェアを活用した。
• 本システムはチュートリアルおよび例題データセットを併記して公開されており、構造生物学研究分野での広範な採用を支援している。
• 本手法は、よく特徴づけられたタンパク質であるカムジオニンを用いて検証され、動的構造的変化の研究における有効性が示された。