[論文レビュー] Continual Model of Medium II: Universal adaptive algorithm for triangulation of smooth molecular surface

Oleg Kupervasser, N. E. Wanner|arXiv (Cornell University)|Jul 8, 2011

Various Chemistry Research Topics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ローリングプローブ法を用いて生成される溶媒回避（SES）および溶媒可及的（SAS）表面を対象とした、普遍的で適応的な三角形メッシュ化アルゴリズムを提示する。局所的な曲率および活性部位からの距離に応じてメッシュ解像度を動的に調整することで、細かな表面特徴（例えば細いチャネル）をメッシュアーティファクトなしに保持し、溶媒化エネルギーの計算および分子可視化に正確なモデリングを可能にする。

ABSTRACT

In the given paper the algorithm describing original and universal principles of a triangulation of a smooth molecular surface: solvent excluding solvent (SES), received by primary and secondary rolling, and solvent accessible surface (SAS) is presented. These surfaces are a boundary between molecule and solvent. Originality of the given paper consists in creation of the universal and adaptive algorithm of a triangulation. Universality of algorithm of a triangulation consists that it is suitable for not only for a surface, received by rolling and consisting of fragments of torus and sphere, but for any smooth surface, including any level surface. Adaptability of this algorithm consists in facts that the mesh size of a triangulation can vary depending on its location; reflecting even small, but smooth features of a surface; preventing "jump" to close, but not neighbor sites of the surface, excepting "cut off" of narrow necks and channels. It is reached by either decreasing triangulation lattice step to value smaller than two principal radiuses of curvature of the molecular surface or decreasing triangulation lattice step close to the active centre - closed, but not neighbor sites of the surface. The received triangulated surface can be used for the demonstration purposes in molecular editors (the algorithm is applicable for a triangulation of any smooth surface, for example, level surfaces) together with for calculation of solvation energy and its gradients for continual models of solvent.

研究の動機と目的

• 任意の滑らかな分子表面（特にローリングプローブから導出されるSESおよびSASを含む）に適用可能な普遍的な三角形メッシュ化手法の開発。
• 表面離散化の過程で、細い首やチャネルといったトポロジカルな特徴を保持する課題の解決。
• 局所的な表面曲率および活性部位からの距離に応じて、メッシュ解像度を適応的に変更する仕組みの実現。
• 非隣接の表面点への接続（「ジャンプ」）や細部の「カットオフ」といったメッシュアーティファクトを回避する。
• 分子エディタにおける可視化および連続溶媒モデルにおける溶媒化エネルギーとその勾配の定量的計算の両方をサポートする。

提案手法

• アルゴリズムは、球面およびトーラス形状の表面断片を組み合わせることで、ローリングプローブ法を用いてSESおよびSAS表面を生成する。
• 主曲率半径に基づいてメッシュ解像度を適応的に調整し、格子ステップが最小曲率半径の2倍未満に下がる場合には、より細かい解像度を適用する。
• 活性中心付近では、幾何学的に隣接していない場合でも、メッシュを細かくすることで非隣接表面点への接続を回避する。
• 分子表面に限らず、任意の滑らかな等高面に対しても適用可能な普遍的なフレームワークを採用し、広範な適用可能性を確保する。
• 三角形メッシュ化プロセスは、チャネルやクリーフといった細かな特徴を検出・保持することで、トポロジーの忠実性を保証する。
• 分子モデリングソフトウェアへの統合を想定して設計されており、可視化およびエネルギー計算ワークフローの両方をサポートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、SESおよびSAS表面を含む任意の滑らかな分子表面に普遍的に適用可能な三角形メッシュ化アルゴリズムを構築できるか？
• RQ2 どのような適応的基準を設けることで、メッシュ解像度が微細な表面特徴を正確に捉えつつ、アーティファクトを生じさせないか？
• RQ3 細い構造的特徴を保持しつつ、非隣接表面点への接続（「ジャンプ」）を回避するにはどうすればよいか？
• RQ4 曲率に基づく細分化は、溶媒化エネルギー計算の精度をどのように向上させるか？
• RQ5 同様のアルゴリズムを、分子表面に限らず、一般の滑らかな等高面に対しても適用可能か？

主な発見

• 本アルゴリズムは、細いチャネルや高曲率領域を有する複雑な分子表面を、メッシュアーティファクトを生じさせることなく正しく三角形メッシュ化できた。
• 曲率に基づく適応的メッシュ細分化により、微小な滑らかな表面特徴が離散化過程でも保持された。
• 活性部位付近での格子ステップの縮小により、トポロジカルに隣接していないにもかかわらず、細い首やチャネルの「カットオフ」を回避した。
• 本アルゴリズムは普遍的であり、分子表面に限らず、任意の滑らかな表面（等高面を含む）に適用可能である。
• 三角形メッシュ化された表面は、分子エディタにおける可視化および連続溶媒モデルにおける溶媒化エネルギーとその勾配の計算の両方に適している。
• 局所的な表面幾何に応じて解像度を動的に調整することで、表面表現の高精度性を実現した。