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分子グラフィックスは、分子とその特性をグラフィカルな表現を通じて研究する学問と哲学です。[1] IUPAC は、定義を「グラフィカルな表示装置」での表現に限定しています。[2]ドルトンの原子やケクレのベンゼン以来、手描きの原子や分子の豊かな歴史があり、これらの表現は現代の分子グラフィックスに重要な影響を与えてきました。
化学雑誌の表紙には、芸術的にカラー分子グラフィックスがよく使われます。[3]
歴史
分子構造を表現するのにコンピュータグラフィックスが使われる以前、ロバート・コーリーとライナス・ポーリングは、分子構造を維持するためにクランプ装置でつながれた1インチ = 1オングストロームのスケールで、堅い木材から原子または原子群を表現するシステムを開発した。 [4]これらの初期モデルは、分子モデルで異なるタイプの原子を区別するために今日でも使用されているCPKカラースキームも確立した（例：炭素 = 黒、酸素 = 赤、窒素 = 青など）。この初期モデルは1966年にWLコルトゥンによって改良され、現在ではコーリー・ポーリング・コルトゥン（CPK）モデルとして知られている。[5]
分子構造のモデルを作成するための最初の取り組みは、1960年代半ばにプロジェクトMACによって行われたもので、ワイヤーフレームモデルをブラウン管に表示しました。1965年にキャロル・ジョンソンは、原子間の結合を表す線と熱運動の確率を表す楕円体を持つボールと棒のモデルとして分子を視覚化するオークリッジ熱楕円体プロット（ORTEP）を配布しました。 [6]熱楕円体プロットはすぐにX線結晶構造解析データの表示に使用される事実上の標準となり、今日でも広く使用されています。[6]分子グラフィックスの最初の実用的な使用は、プロジェクトMACで働いていたサイラス・レビンサルとロバート・ラングリッジが1966年にワイヤーフレーム表現を使用してタンパク質ミオグロビンを単純に表示したときでした。[7]
高性能分子グラフィックスの画期的な成果の 1 つに、反射球を使用して高分子を「リアルに」レンダリングしたネルソン・マックスの研究があります。
当初、技術の多くは高性能3D グラフィックスに集中していました。[8] 1970 年代には、連続階調コンピュータ グラフィックスと電気光学シャッター表示デバイスを組み合わせて、ブラウン管を使用して 3D グラフィックスを表示する方法が開発されました。 [9]最初のデバイスはアクティブ シャッター 3D システムを使用し、左チャネルと右チャネルに異なる遠近法のビューを生成して、3 次元表示の錯覚を提供しました。立体視表示メガネは、電子制御シャッター要素としてジルコン酸チタン酸ランタン鉛 (PLZT) セラミックを使用して設計されました。[10]アクティブ 3D メガネにはバッテリーが必要で、ディスプレイと連携して、レンズによる着用者の目への表示をアクティブに変更します。現代の 3D メガネの多くは、着用者が自分の知覚に基づいて 3D 効果を視覚化できるようにするパッシブな偏光 3D システムを使用しています。パッシブ 3D メガネは安価なため、今日ではより一般的です。[11]
高分子結晶学の要件も分子グラフィックスの推進要因となった。これは、従来の物理モデル構築技術ではスケールアップできなかったためである。リチャーズ ボックスを使わずに分子グラフィックスで解かれた最初の 2 つのタンパク質構造は、テキサス A&M 大学のエドガー マイヤー研究室の Vector General グラフィックス ディスプレイでスタン スワンソンのプログラム FIT を使用して構築された。まず、A&M 大学のアル コットン研究室のマージ レッグが、ブドウ球菌ヌクレアーゼの 2 番目の高解像度構造を解いた (1975 年)。次に、ジム ホグルが単斜晶系リゾチームの構造を1976 年に解いた。リチャーズ ボックスの代わりに他のグラフィックス システムが使用され、3D での密度モデリングに使用されるまで、丸 1 年が経過した。アルウィン ジョーンズの FRODO プログラム (および後に「O」) は、X 線結晶学から決定された分子の電子密度と仮想分子構造を重ね合わせるために開発された。
タイムライン
種類
ボールとスティックのモデル
球棒モデルでは、原子は、それらの間の化学結合を表す棒でつながれた小さな球体として描かれます。
空間充填モデル
空間充填モデルでは、原子はファンデルワールス半径に比例して占有する空間を示す固体球として描かれます。結合を共有する原子は互いに重なり合います。
表面
いくつかのモデルでは、分子の表面を近似して陰影を付け、電子電荷密度などの分子の物理的特性を表現します。[39] [40]
リボン図
リボン図はタンパク質構造の図式的表現であり、今日使用されているタンパク質描写の最も一般的な方法の 1 つです。リボンはタンパク質バックボーンの全体的な経路と構成を 3D で示し、隣の画像のミオグロビンの活性部位に結合した酸素原子のボールなど、完全な原子構造の詳細を掛けるための視覚的なフレームワークとして機能します。リボン図は、ポリペプチドバックボーンを通る滑らかな曲線を補間することによって生成されます。αヘリックスはコイル状のリボンまたは太いチューブとして、β ストランドは矢印として、非反復コイルまたはループは線または細いチューブとして表示されます。ポリペプチド鎖の方向は、矢印によって局所的に示され、リボンの長さに沿った色の傾斜によって全体的に示される場合があります。[41]
参照
参考文献
- ^ Dickerson, RE; Geis, I. (1969).タンパク質の構造と作用メンロパーク、カリフォルニア州: WA Benjamin.
- ^ IUPAC、化学用語集、第 2 版 ( 「ゴールドブック」) (1997)。オンライン修正版: (1997)「分子グラフィックス」。doi :10.1351/goldbook.MT06970
- ^ ハリソン、カール;ボーエン、ジョナサン P. ; ボーエン、アリス M. (2013)。 ン、キア; ボーエン、ジョナサン P.; マクデイド、サラ (編)。「化学における電子視覚化: 錬金術から芸術へ」。EVA ロンドン 2013 会議議事録。 電子コンピューティングワークショップ。英国コンピュータ協会。 pp. 267–274。
- ^ Corey, Robert B.; Pauling, Linus (1953). 「アミノ酸、ペプチド、タンパク質の分子モデル」. Review of Scientific Instruments . 24 (8): 621. Bibcode :1953RScI...24..621C. doi :10.1063/1.1770803 . 2022年6月13日閲覧。
- ^ Koltun, Walter L. (1965年12月). 「精密空間充填原子モデル」.バイオポリマー. 3 (6): 665–679. doi :10.1002/bip.360030606. PMID 4158989. S2CID 38806627.
- ^ ab Atwood, Jerry L.; Barbour, Leonard J. (2003). 「分子グラフィックス：科学から芸術へ」. Crystal Growth & Design . 3 (1): 3–8. doi :10.1021/cg020063o . 2022年6月13日閲覧。
- ^ Francoeur, Eric (2002). 「Cyrus Levinthal、Kluge、インタラクティブ分子グラフィックスの起源」Endeavour . 26 (4): 127–131. doi :10.1016/S0160-9327(02)01468-0. PMID 12535918 . 2022年6月13日閲覧。
- ^ Porter TK (1978年8月). 「球状シェーディング」. ACM SIGGRAPH コンピュータグラフィックス. 12 (3): 282–5. doi : 10.1145/965139.639789 .
- ^ Ortony, A. (1971年5月). 「ステレオ視聴システム」.コンピュータジャーナル. 14 (2): 140–4. doi : 10.1093/comjnl/14.2.140 .また、Conference on Displays、Institution of Electrical Engineers Conf. Pub. No. 80 (1971 年 9 月 7 ～ 10 日)、C. Baldwin Ltd.、225 ～ 232 ページにも掲載されています。
- ^ Roese, John A.; McCleary, Lawrence E. (1979年8月). 「シミュレーションとモデリングのための立体コンピュータグラフィックス」. ACM SIGGRAPH コンピュータグラフィックス. 13 (2): 41–47. doi :10.1145/965103.807423 . 2022年6月14日閲覧。
- ^ Wiley, Suzanne S. (2022年5月12日). 「パッシブ3Dメガネとは?」 EasyTechJunkie . 2022年6月14日閲覧。
- ^ Levinthal, C. (1966年6月). 「コンピュータによる分子モデル構築」. Scientific American . 214 (6): 42–52. Bibcode :1966SciAm.214f..42L. doi :10.1038/scientificamerican0666-42. PMID 5930597.
- ^ Barry, CD, Ellis, RA, Graesser, SM、および Marshall, GR 1969. 3 次元での表示と操作。コンピュータ グラフィックスの関連概念、Univ. of Ill. Press、104-153。
- ^ Ortony, A. 1971b. Interactive Stereographics Conference on Displays、Institution of Electrical Engineers Conf. Pub. No. 80 (9 月 7 ～ 10 日)、C. Baldwin Ltd.、185 ～ 193。
- ^ Barry, CD, Ellis, RA, Graesser, SM、および Marshall, GR 1971. CHEMAST: 分子構造をモデリングするためのコンピュータプログラム。Proc . 1971 IFIP、1552-1558。
- ^ Tountas, C. および Katz, L. 1971. 分子生物学におけるインタラクティブグラフィックス。画像および画像フラグメントのリアルタイム 3 次元回転。Proc . Summer Computer Simulation Conf.、 1、241-247。
- ^ Perkins, WJ; Piper, EA; Tattam, FG; White , JC (1971 年 6 月)。「生物医学研究のためのインタラクティブ立体コンピュータディスプレイ」。コンピュータと生物医学研究。4 ( 3): 249–261。doi :10.1016/0010-4809(71)90030-9。PMID 5562569。
- ^ Wright, WV 1972a.分子研究のための対話型コンピュータグラフィックシステム。博士論文、ノースカロライナ大学、ノースカロライナ州チャペルヒル。
- ^ Wright, WV (1972年10月). 「分子研究のためのインタラクティブシステムの2次元インターフェース」. ACM SIGPLAN Notices . 7 (10): 76–85. doi : 10.1145/942576.807017 .
- ^ ab Brooks FP Jr. ツール職人としてのコンピュータ「科学者」：インタラクティブコンピュータグラフィックスの研究。Proc . IFIP、625-634（1977）。
- ^ Barry CD、North AC (1972)。「分子構造の研究におけるコンピュータ制御表示システムの使用」。Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol . 36 : 577–84. doi :10.1101/SQB.1972.036.01.072. PMID 4508170。
- ^ Barry CD、Bosshard HE、Ellis RA、Marshall GR (1974 年 12 月) 。「進化するマクロモジュラー分子モデリングシステム」。Fed . Proc . 33 (12): 2368–72。PMID 4435239。
- ^ Fritch, JM, Ellis, RA, Jacobi TH, Marshall, GR 1975. タンパク質構造研究のための高分子グラフィックスシステム。Computers and Graphics、1、#2/3 (9月)、271-278。
- ^ Cohen, GH および Feldmann, RJ 1974. MAP - タンパク質分子の電子密度マップへの操作およびフィッティングのための対話型グラフィックス コンピュータ プログラム。Am . Crystallography. Assoc. Spring 23、(Abstr.)。
- ^ Stellman, SD (1975年9月). 「X線結晶構造解析における3次元インタラクティブグラフィックスの応用」. Computers & Graphics . 1 (2–3): 279–288. doi :10.1016/0097-8493(75)90019-9.
- ^ Collins DM、Cotton FA、Hazen EE、Meyer EF、Morimoto CN (1975 年 12 月)。「タンパク質結晶構造: より迅速で安価なアプローチ」。Science . 190 ( 4219): 1047–53。Bibcode : 1975Sci ...190.1047C。doi : 10.1126/science.11 88383。PMID 1188383。S2CID 44583219 。
- ^ Feldmann, RJ 1976. AMSOM – マイクロフィルム上の高分子構造アトラス.. メリーランド州: Tracor Jitco Inc.
- ^ Rosenberger, FU, et al. 1976. 1976 NIH 年次報告書からの抜粋。技術覚書 No. 230、ミズーリ州セントルイスのワシントン大学コンピュータシステム研究所。
- ^ Lipscomb, JS. 分子コンピュータグラフィックスシステムのための3次元キュー。ノースカロライナ大学チャペルヒル校博士論文。(1981)
- ^ Britton E、Lipscomb JS、Pique ME、Wright、WV、Brooks FP Jr、Pique ME。GRIP-75マンマシンインターフェース。ACM SIGGRAPHビデオレビュー、(4)、(1981年8月)。
- ^ Britton, EG 1977.対話型コンピュータグラフィックスシステムの人間工学的設計の方法論と結晶学への応用。博士論文、ノースカロライナ大学、ノースカロライナ州チャペルヒル。
- ^ Pique, ME 1980.コンピュータグラフィックスのためのネストされた動的回転。修士論文、ノースカロライナ大学、ノースカロライナ州チャペルヒル。
- ^ Tsernoglou D, Petsko GA, Tu AT (1977年4月). 「コンピュータグラフィックスによるタンパク質配列決定」. Biochim. Biophys. Acta . 491 (2): 605–8. doi :10.1016/0005-2795(77)90309-9. PMID 857910.
- ^ Jones, TA (1978 年 8 月). 「高分子のグラフィックス モデル構築および改良システム」. Journal of Applied Crystallography . 11 (4): 268–272. doi :10.1107/S0021889878013308.
- ^ Jones, TA 1978b. RING [ユーザーマニュアル]. Max-Planck-Institut fur Biochemie, 8033 Martinsried bei Muchen, ドイツ.
- ^ Diamond, R. 1978. Bilder. バイポリマー用コンピュータグラフィックスプログラムと、2Å解像度でのタバコモザイクウイルスタンパク質ディスクの構造の解釈へのその応用。国際純正・応用生化学連合会議議事録：構造、コンフォメーション、機能、進化に関する国際シンポジウム。マドラス、インド、（1月4日）、Pergamon Press。
- ^ Abagyan R、Lee WH、Raush E、他 (2006 年 2 月)。「構造ゲノムデータの一般への普及: データダンプからアニメーションストーリーまで」。Trends Biochem. Sci . 31 (2): 76–8. doi :10.1016/j.tibs.2005.12.006. PMID 16406633。
- ^ Raush E、Totrov M、 Marsden BD 、 Abagyan R (2009)。「3次元コンテンツを公開するための新しい方法」。PLOS ONE。4 ( 10): e7394。Bibcode : 2009PLoSO ... 4.7394R。doi : 10.1371 /journal.pone.0007394。PMC 2754609。PMID 19841676。
- ^ Wolfson, Haim; Duhovny, Dina; Tsherniak, Aviad. 「分子表面表現」www.cs.tau.ac.il . 2022年6月14日閲覧。
- ^ O'Donnell, TJ. 「分子表面の科学と芸術」www.cs.uic.edu . 2022年6月14日閲覧。
- ^ Smith, Thomas J. (2005 年 10 月 27 日). 「Macintosh での原子構造の表示と分析」. Danforth Plant Science Center. 2002 年 3 月 28 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
外部リンク
- ルミナリーシリーズ ロバート・ラングリッジ氏へのインタビュー、ラス・アルトマン氏によるインタビュー、および歴史的なスライド。
- Eric Martz と Eric Francoeur による「生体高分子の可視化の歴史」。