Методы и алгоритмы визуализации структурных и динамических данных, характеризующих макромолекулярные структуры

• Автор: Филиппов, Сергей Валерьевич
• Шифр специальности: 03.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Пущино
• Количество страниц: 162 с. : ил.

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ

1 .ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Визуализация в реальном масштабе времени

1.1.1 .Молекулярные модели

1.1.1.1.RasMol и OpenRasMol

1.1.1.2.WebLab ViewerPro

1.1.1.3.Visual Molecular Dynamic (VMD)

1.1.1.4.Программный комплекс PyMol

1.1.1.5.Общие выводы no программам молекулярной графики

1.1.2.Визуализация ЗВ-функцнй
1.1.2.1.Визуализация 3D функций с использованием 3D API
1.1.2.2. Vol Vis
1.1.2.3.AVS/EXPRES S
1.2. Высококачественная (пакетная) визуализация
1.2.1.Высококачественная Визуализация молекулярных моделей
1.2.1.1.PDBImp в среде 3D Studio МАХ
1.2.1.2.Alomic Blender и Bioblender
1.2.1.3.PDB plug-in Jyrki Hokkanen в среде OY Reaisoft 3D
1.2.2.Пассивная организация молекулярных моделей
1.2.3.Визуализация 3D-функций в 3D-рсдакторах общего назначения
1.2.3.1 .Jyrki Hokkanen VolData в среде OY Reaisoft 3D
1.2.3.2.Визуализация ЗО-функций среде Blender
1.3. Выводы по обзору литературы
2. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНФОРМАЦИОННЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ДУПЛЕКСОВ ДНК МЕТОДОМ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КОНФОРМАЦИОННОГО АНАЛИЗА
2.1. Моделирование низкоэнергетических конформаций нативного дуплекса ДНК для исследований изменения конформации и стабильное ги двойной спирали ДНК при генотоксической модификации оснований
3 .МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНЫХ МОДЕЛЕЙ
3.1. Предпосылки для разработки методов и реализующей их программы. Постановка задачи
3.2. Реализация разработанных методов визуализации в программе MolWorld
3.2.[.Практика применения MolWorld для визуализации объектов и процессов молекулярной биологии
3.2.1.1 .Динамическая визуализация переноса заряда в ДИК
3.2.1.2.Динамическая визуализация липопротеиновой частицы
4.МЕТОД «АКТИВНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МОДЕЛИ» И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В ПРОГРАММЕ PDBTools
4.1. Программа построения молекулярных моделей - PDBTools
4.1.1.реализация элементов концепции «Активной молекулярной модели» в первом приближении
4.1.1.1.Alias|wavefront Maya в качестве среды для построения структурированных молекулярных моделей
4.1.1.2.Автономная программа рендеринга - Exluna BMRT
4.1.2.Структура и основные свойства PDBTools
4.1.2.1.Управляющий интерфейс программы PDBTools
4.1.2.2.Возможности программы PDBTools по построению «активных» молекулярных моделей
4.2. Практическое использование программы PDBTools
4.2.[.Визуализация липопротешювоп частицы с помощью PDBTools и системы рендеринга BMRT v.2.
4.2.2.визуализация в среде Alias|wavefront maya конформационной динамики молекулярных моделей, построенных программой PDBTools
4.2.2.[.Визуализация расчега молекулярной динамики ферредоксина Peptococus aerogenes
4.2.2.2.Визуализация коиформациопиых изменений геранил-геранил трансферазы

5.РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ СТЕПЕНИ И ХАРАКТЕРА ГИДРАТАЦИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ МОДЕЛИ С ПОМОЩЬЮ РАСЧЕТОВ ДОСТУПНЫХ
РАСТВОРИТЕЛЮ ОБЪЕМОВ
5.1.1.Программа расчета доступных растворителю объемов - Асе Vol
6. ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ЗО-ФУНКЦИЙ
6.1. Программа построения молекулярных моделей и ЗО-функций - VOXEL
6.1.1 .Алгоритм визуализации трехмерных функций
6.1.2.Цифровая обработка данных дискретных функций трех переменных
6.1.3.Алгоритм визуализации биологических макромолекул
6.1.4.Программпая платформа — Cinema 4D
6.2. Практика применения программы VOXEL для визуализации объектив и процессов физико-химической биологии
6.2.1.Динамическая Визуализация механизма [фотонного транспорта в кристалле гидроксиапатита
6.2.2.Визуализация ЗО-функций программой Voxel
7. ДИНАМИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО
МАГНИТНОЙ ЭНЦЕФАЛОГРАФИИ
8 .ЗАКЛЮЧЕНИЕ
9.ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

1.2.1. ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ
МОДЕЛЕЙ
Система условных обозначений в молекулярной графике устоялась достаточно давно и практически не подвергалась ревизии. Обозначения, появившиеся еще в «докомпьютерную эпоху» по большей части представляют собой простейшие геометрические фигуры: сферы и цилиндры, либо объемные модели символов, обозначающих структурные элементы макромолекул: ленты и стрелки. Такие модели оказались достаточно просты и для визуализации вычислительными машинами. В то же время, из-за необходимости обеспечивать точное позиционирование в пространстве графических элементов, составляющих схематическое изображение молекул, а так же из-за очень большого числа этих элементов (что актуально при визуализации биологических макромолекул), исследователи очень рано задумались о том, чтобы переложить максимум работы по построению изображений молекулярных моделей (имеется в виду растеризация 30 моделей) на плечи вычислительных машин. Таким образом, программное обеспечение для визуализации молекулярных моделей начало развиваться довольно рано и к настоящему времени достигло весьма высокого уровня развития. В силу специфики выполняемых такими программами функций, основной упор в них сделай на визуализацию в реальном масштабе времени и, как следствие, в ущерб качеству получаемого изображения. Однако, некоторые из программ имеют модули экспорта построенных с их помощью молекулярных моделей в программы высококачественного рендеринга, например, РОУ-Кау [10, 44]. Некоторые идут дальше и содержат в себе средства экспорта построенных ими молекулярных моделей в одном или нескольких форматах записи трехмерных моделей [10, 44]. К сожалению,
вышеперечисленные методы получения высококачественных изображений молекулярных моделей малопригодны для широкого использования. Прямая запись трехмерной модели в один из входных форматов программы рендеринга (такой как РОУ-Яау, КепйегМап и т.п.) практически полностью лишает пользователя возможностей создания сколь либо сложной анимации с участием демонстрируемых моделей, а так же не позволяет настраивать графическое представление модели (параметры материалов, степень сглаживания грубой полигональной сетки и т.п.). С другой стороны, запись