[논문 리뷰] BioBlender: Fast and Efficient All Atom Morphing of Proteins Using Blender Game Engine

Maria Francesca Zini, Yuri B. Porozov외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 24.

Protein Structure and Dynamics참고 문헌 6인용 수 24

한 줄 요약

BioBlender는 블렌더 게임 엔진을 사용하여 NMR로 유도된 단백질 구조 사이의 부드럽고 생물물리적으로 타당한 중간 구조를 생성하는 새로운 계산적으로 효율적인 방법을 제시한다. 3차원 그래픽스 가속 기술과 애니메이션 도구를 활용함으로써, 칼모듈린과 같은 단백질의 구조적 변화 경로를 드러내는 동적이고 고해상도의 전환을 생성한다. 이는 단백질의 운동을 시각화하고 분석하는 데 실용적인 도구를 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단백질 구조 간의 전원소 모핑을 빠르고 효율적으로 생성하는 방법을 개발하는 것.
• 3차원 컴퓨터 그래픽스 기술을 활용하여 생체분자의 구조적 전이를 시각화하는 것.
• NMR로 유도된 단백질 구조 사이의 생물물리적으로 일관된 중간 상태를 생성하는 것.
• 연구자들이 단백질의 동적 거동과 구조적 전이 경로를 탐색할 수 있도록 사용자 친화적인 도구를 제공하는 것.
• 모델 시스템으로서 칼모듈린을 대상으로 이 방법을 적용하여 구조적 및 동적 분석을 수행하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 블렌더 게임 엔진의 애니메이션 및 물리 렌더링 기능을 활용하여 두 단백질 구조 사이의 중간 구조를 계산한다.
• 모든 무거운 원자를 공간적 및 기하학적 제약 조건을 통해 추적하고 보간하여 물리적 타당성을 확보한다.
• 단백질이 여러 구조적 형태를 가질 수 있다면, 그 사이를 전이할 수 있어야 하므로 전이 상태를 생성할 수 있다.
• 시스템은 NMR 모델의 '내비게이션 맵'을 구성하여 단백질의 구조적 전이 경로를 식별하고 시각화한다.
• 이 프레임워크는 튜토리얼과 예제 데이터셋을 제공하는 소프트웨어 도구로 구현되어 있다.
• 기존의 구조 데이터, 특히 NMR 분광법에서 유도된 데이터와 통합하여 동적 시각화를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일반적인 3차원 그래픽스 엔진을 사용하여 단백질의 전원소 모핑을 어떻게 효율적으로 수행할 수 있는가?
• RQ2 NMR로 유도된 구조에서 생성된 중간 상태에서 생물물리적 정확도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ3 블렌더 게임 엔진은 고해상도 단백질 구조 전이 모델링에 효과적으로 재사용될 수 있는가?
• RQ4 정적 NMR 구조 집합으로부터 구조적 전이 경로를 체계적으로 탐색하고 시각화하는 방법은 무엇인가?
• RQ5 이러한 도구의 실용적 유용성은 단백질의 동적 거동과 기능을 이해하는 데 어떤가?

주요 결과

• BioBlender 시스템은 블렌더 게임 엔진을 사용하여 단백질 구조 간에 매끄럽고 전원소 모핑을 성공적으로 생성한다.
• 이 방법은 엄격한 생물물리적 및 생화학적 기준을 충족시키는 중간 상태를 생성하여 구조적 타당성을 보장한다.
• 프레임워크는 단백질의 구조 전이 경로를 식별하고 탐색하는 데 도움이 되는 '내비게이션 맵'을 생성할 수 있다.
• 이 방법은 계산적으로 효율적이며, 실시간 렌더링과 애니메이션을 위해 기존의 3차원 그래픽스 하드웨어를 활용한다.
• 이 시스템은 튜토리얼과 예제 데이터셋을 포함하여 공개되어 있어 구조생물학 연구 분야에서 널리 보급될 수 있다.
• 이 방법은 잘 연구된 단백질인 칼모듈린을 대상으로 검증되었으며, 동적 구조 변화를 연구하는 데의 유용성을 입증했다.