شبیه سازی و مدلسازی سه بعدی با نرم افزار PyMOL و نرم افزار Chimera

شبیه سازی و مدلسازی سه بعدی با نرم افزار PyMOL

نرم افزار PyMOL یک سیستم تجسم مولکولی open source است که توسط Warren Lyford DeLano ایجاد شده و در ابتدا توسط DeLano Scientific LLC تجاری شده است. در سال ۲۰۱۰، کمپانی شرودینگر برای خرید PyMOL به توافق رسید. از آن زمان به بعد، کمپانی شرودینگر توسعه و نگهداری و همچنین پشتیبانی و فروش PyMOL، از جمله تمام اشتراک های فعلی را بر عهده گرفت.

نرم افزار PyMOL از GLEW و Freeglut استفاده می کند. نرم افزار PyMOL از پلتفرم TK برای ویجت های رابط کاربری گرافیکی استفاده می کند. نرم افزار PyMOL می‌تواند فیلم‌ها و تصاویر با کیفیت بالا از ماکرومولکول‌ها را در نمایش‌های مختلف تولید کند.

در حال حاضر PyMOL یکی از پرکاربردترین ابزارهای تجسم ماکرومولکولی است. از آنجایی که PyMOL در پایتون، یکی از محبوب ترین زبان های برنامه نویسی نوشته شده است، می توان آن را به راحتی به پلاگین های پایتون گسترش داد. جدا از بحث در مورد تجسم و توابع تجزیه و تحلیل پیشرفته در نرم افزار PyMOL، موضوعات ما همچنین به مدل‌سازی پروتئین-لیگاند، شبیه‌سازی‌های مولکولی یا MS و غربالگری مجازی یا VS در نرم افزار PyMOL گسترس می یابد.

تابع کشف دارو محاسباتی PyMOL با موفقیت برای یافتن کاندیدهای دارویی جدید برای اهداف مختلف استفاده شده است. نرم افزار PyMOL شامل پلاگین های متعددی است که به عنوان یک پلت فرم مهم برای طراحی محاسباتی دارو محسوب می شود.

ای استفاده از PyMOL جهت باز کردن و بررسی ساختار پروتئین، می‌توانید مراحل زیر را دنبال کنید. PyMOL یک نرم‌افزار قدرتمند برای نمایش و تجزیه و تحلیل ساختارهای مولکولی است. در اینجا نحوه استفاده از PyMOL برای باز کردن فایل ساختار پروتئین توضیح داده شده است.

مراحل استفاده از PyMOL

1. نصب PyMOL

ابتدا باید PyMOL را روی کامپیوتر خود نصب کنید. شما می‌توانید نسخه رایگان (Open-Source) یا نسخه تجاری PyMOL را از وبسایت Schrödinger دانلود و نصب کنید.

2. دریافت فایل ساختار پروتئین

فایل‌های ساختار پروتئین معمولاً با فرمت PDB (Protein Data Bank) ذخیره می‌شوند. شما می‌توانید این فایل‌ها را از وبسایت RCSB PDB دانلود کنید. به عنوان مثال، برای دانلود ساختار پروتئین مورد نظر خود:

1. به وبسایت RCSB PDB بروید.
2. در نوار جستجو، کد PDB مربوط به پروتئین خود را وارد کنید (مثلاً “1A2B”).
3. پس از یافتن پروتئین، فایل PDB را دانلود کنید.

3. باز کردن PyMOL و بارگذاری فایل پروتئین

1. PyMOL را باز کنید.
2. برای بارگذاری فایل PDB:
   • از منوی “File” گزینه “Open…” را انتخاب کنید.
   • فایل PDB دانلود شده را انتخاب کنید و روی “Open” کلیک کنید.
   • یا می‌توانید فایل PDB را به سادگی به پنجره PyMOL بکشید و رها کنید.

4. نمایش و تجزیه و تحلیل ساختار پروتئین

پس از بارگذاری فایل PDB، پروتئین شما در پنجره PyMOL نمایش داده می‌شود. در اینجا برخی از اقدامات اولیه برای بررسی و تجزیه و تحلیل ساختار پروتئین آورده شده است:

1. نمایش پروتئین:
   • با استفاده از دکمه‌های چپ، راست و میانی موس می‌توانید ساختار پروتئین را جابجا، چرخانده و زوم کنید.
   • از منوی “Display” می‌توانید نوع نمایش پروتئین را تغییر دهید (مثلاً نمایش به صورت ریبون، کارتون، یا سطح).
2. تغییر رنگ:
   • از منوی “Color” می‌توانید رنگ بخش‌های مختلف پروتئین را تغییر دهید.
   • برای رنگ‌آمیزی زنجیره‌ها یا قسمت‌های مختلف پروتئین، می‌توانید از دستورهای PyMOL استفاده کنید.
3. اندازه‌گیری فواصل و زوایا:
   • از نوار ابزار “Measurement” می‌توانید فواصل بین اتم‌ها، زوایای دی‌هیدرال و سایر ویژگی‌ها را اندازه‌گیری کنید.
4. ذخیره تصویر:
   • برای ذخیره تصویر از ساختار پروتئین، از منوی “File” گزینه “Save Image As…” را انتخاب کنید.

دستورات متداول PyMOL

می‌توانید از دستورات PyMOL در پنجره دستورات (Command Line) برای انجام اقدامات پیشرفته‌تر استفاده کنید:

• load [file.pdb]: بارگذاری فایل PDB.
• show cartoon: نمایش ساختار به صورت کارتون.
• color blue, chain A: رنگ‌آمیزی زنجیره A به رنگ آبی.
• hide everything, all: مخفی کردن تمام نمایش‌ها.
• show sticks, resi 50-100: نمایش زنجیره‌های بین اسیدهای آمینه 50 تا 100 به صورت استیک.

بصری سازی و افزایش تجزیه و تحلیل برای طراحی دارو

طراحی منطقی دارو، فرآیند یافتن ترکیبات جدید بر اساس دانش، یک هدف بیولوژیکی است. امروزه، این فرآیند معمولا به شدت به تجسم و مدل سازی کامپیوتری متکی است و بنابراین به عنوان Computer-Aided drug Design یا به اختصار CADD شناخته می شود.

CADD شامل آماده سازی مولکولی کوچک می باشد که از جمله آنها می توان به موارد زیر اشاره کرد: تولید ساختار سه بعدی از یک طرح دو بعدی، جستجوی ترکیب لیگاند و به حداقل رساندن انرژی، هومولوژی مدلینگ، آماده سازی پروتئین است مانند محاسبه pKa، Asn، Gln و چرخش زنجیره جانبی His، بهینه سازی شبکه پیوند H و کمینه سازی انرژی، طراحی lead مانند داکینگ، مدل فارماکوفور و VS و دینامیک مولکولی، شبیه‌سازی، پیش‌بینی شبکه آب و محاسبه انرژی آزاد.

تجسم ماکرومولکولی

تجسم مولکول ها وظیفه اولیه CADD است. نرم افزار PyMOL به طور گسترده ای برای تجسم سه بعدی ماکرومولکول ها استفاده شده است و به یکی از محبوب ترین ابزارها برای تهیه تصاویر با وضوح بالا از ماکرومولکول ها تبدیل شده است. با این حال، بسیاری از کاربران ممکن است بسیاری از ماژول ها و توابع مفید دیگر را نادیده بگیرند یا از آن آگاه نباشند که CADD را کاملا تسهیل می کند.

به عنوان مثال، PyMOL از ۱۲ حالت مختلف تجسم استریو پشتیبانی می کند که به کاربران امکان می دهد اطلاعات سه بعدی بیشتری را برای موقعیت های اتم در فضا درک کنند. این تابع مفید، الهام بخش ایده های جدید برای اصلاح ترکیبات می باشد که به ندرت استفاده می شود. درعوض، بسیاری از کاربران فقط به حالت دوبعدی پایبند هستند و مدل ها را با موس خود می چرخانند. نمای استریو برای طراحی in situ اهمیت زیادی دارد.

همانطور که اشاره شد، نرم افزار PyMOL یک ابزار گرافیکی مولکولی است و به طور گسترده برای تجسم سه بعدی ماکرومولکول ها استفاده شده است. کاربردهای PyMOL به طور گسترده توسط پلاگین های مختلف، از جمله تجزیه و تحلیل ماکرومولکولی، مدل سازی همسانی، اتصال پروتئین-لیگاند، مدل سازی فارماکوفور، VS، و شبیه سازی MD افزایش یافته است. این ویژگی ها PyMOL را به عنوان یک پلت فرم برای طراحی داروهای محاسباتی مدرن تسهیل می کند.

شبیه سازی و مدلسازی سه بعدی با نرم افزار Chimera

نرم افزار UCSF Chimera که برای راحتی Chimera هم گفته می شود، یک برنامه قابل توسعه برای تجسم و تجزیه و تحلیل تعاملی ساختارهای مولکولی و داده‌های مرتبط از جمله نقشه‌های چگالی، مجموعه‌های فوق مولکولی، ترازهای توالی، نتایج اتصال، مسیرها، و مجموعه‌های ساختاری است. با استفاده از نرم افزار Chimera می توان تصاویر و فیلم های با کیفیت بالا ایجاد کرد. نرم افزار Chimera شامل مستندات کامل است و برای استفاده غیرتجاری به صورت رایگان قابل دانلود است.
نرم افزار Chimera توسط منبع محاسبات زیستی، تجسم و انفورماتیک در دانشگاه کالیفرینا، سانفرانسیسکو (RBVI) توسعه یافته است. توسعه نرم افزار Chimera تا حدودی توسط NIH پشتیبانی می شود. نسل بعدی نرم افزار با نام UCSF ChimeraX شناخته می شود.

آنالیز های ساختاری که می توان با نرم افزار Chimera انجام داد شامل موارد زیر است:

• -شناسایی خودکار اتم
• -افزودن هیدروژن و تخصیص بار جزئی
• -پیوند هیدروژنی، تماس و تشخیص برخوردها با کیفیت بالا
• -اندازه گیری های فواصل، زوایا، مساحت سطح و حجم
• -محاسبه مرکز، محورها، سطوح و اندازه گیری های مرتبط
• -کتابخانه های روتامر اسید آمینه، نمودار پروتئین راماچاندران
• -ساخت سازه و چرخش پیوند
• -تعیین مسیر دینامیک مولکولی بسیاری از فرمت ها، نمودارهای فاصله و زاویه
• -شکل گیری بین ترکیبات یک پروتئین یا حتی پروتئین های مختلف
• -نمایش ویژگی ها مانند آبگریزی و غیره
• -ایجاد آسان ویژگی های سفارشی با ورودی های فایل متنی ساده
• -ابزار ViewDock برای تسهیل غربالگری تعاملی نتایج اتصال
• -بسیاری از فرمت های خوانده شده توسط PDB و Mol2 نوشته شده است.

با شرکت در کارآموزی طراحی دارو ژنیران دانش خود را در مورد شبیه سازی و مدلسازی سه بعدی با نرم افزار PyMOL و نرم افزار Chimera افزایش دهید:

دوره مهارت آموزی طراحی دارو

منبع