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NGL 查看器:分子可视化的网络应用
Alexander S. Rose* and Peter W. Hildebrand
摘要
NGL查看器是一种大分子结构的可视化Web应用。充分利用现代网络浏览器的能力，如WebGL，分子图形，查看器可以交互地显示大分子复合物，也是受退休UNAF的第三方插件如Flash和java小应用程序。一般来说，通过一个图形用户界面，使生命的科学家可以很容易地访问和可用的结构数据的利润提供了全面的分子可视化Web应用程序。它支持常用的结构文件格式（例如PDB，MMCIF）和各种分子的表示（如cartoon，spacefill，licorice）。此外，查看器可以被嵌入在其他网站，以提供专业的可视化的结构数据库或结构相关的计算结果。
简介
生物大分子的三维结构可视化已成为一个共同的任务在生命科学。例如，配体结合口袋或其他细节在大分子组件有助于阐明蛋白质结构与功能之间的关系。该网站的网络化一直是一个平台，提供访问三维结构数据本身，也可以可视化的。在Web浏览器软件的不断进步，推动这一趋势，提供丰富的可视化应用程序的创建。具体而言，基于可视化的浏览器集成简化了访问结构的Web工具相关的计算结果结果，允许在网络结构数据库条目快速描述。因此，浏览器被广泛用于分子结构的可视化。
直到最近，网页浏览器无法显示三维内容，无需额外的插件。因此，程序像“Jmol”或“openastexviewer”需要嵌入java applet的网页内。然而，作为一个应用程序的网络平台的崛起，导致越来越多的功能被添加到网络浏览器本身。这些包括HTML5的功能集和巨大的每个JavaScript在Web浏览器的性能增益，可编程语言。最终，这一进展允许编写“Jmol”成纯JavaScript的版本称为“jsmol”，显示浏览器的可行性为基础的分子图形无追索权的第三方插件如Flash或java小应用程序。除了分子图形的“jsmol”提供了 “Jmol”相同的功能，包括用户脚本和会话。
另一个特点是通过现代的网络浏览器的WebGL应用编程接口访问专门的图形硬件（API）。对于桌面程序，移动计算的图形处理器（GPU）大大提高渲染性能和质量。因此，通过使用网络浏览器的新功能，它有可能提供硬件加速图形，同时应对日益增加的退休的插件。一些图书馆已经开发利用我们BGL可嵌入网页提供分子可视化。著名的图书馆包括“PV”，用在SWISS-MODEL服务器，和“3Dmol JS”。他们为开发人员提供了一个分子可视化的接口。此外，“GLmol”型（tinyurl.com/glmol）“iView”采用GPU加速和提供观看蛋白–配体复合物的界面。
值得注意的是，尽管WebGL是通过Web浏览器的广泛采用，还有安装在WebGL是不可用的，要么是由于缺少软件更新或老，不支持的硬件。为了使这些分子图形的“jsmol”是一种选择，因为它既不依赖于WebGL渲染不需要插件。
在这里，我们介绍“NGL查看器”，它提供了一个丰富的图形用户界面（GUI）除了API的嵌入和控制浏览器开发商分子场景定制。利用现代网络浏览器的功能，“观众”可以提供快速的NGL，硬件加速分子图形和带来了一个熟悉的Web GUI。该网络应用程序提供了通用的分子可视化，因为它不需要安装专门的软件，它可以简化访问的三维结构数据的生命科学家。
图1。不同大小的大分子的各种表示的分子可视化画廊。（一）对Noro病毒衣壳的结构（PDB条目1ihm）形式的病毒外壳，彩色的目的。衣壳的前夹去描绘在病毒衣壳，大小的比较，一个保守的RNA逆转录病毒包装元素来自Moloney小鼠白血病病毒的结构（PDB条目2LiF）。（b）衍生的C-末端的转导的肽系统（蓝色卡通）包围盒的水分子（空格填充表示）为分子动力学模拟的制备。（C）对哺乳动物的80后核糖体结构（PDB条目4ujd）色的目的。（d）在与来自C-末端肽复合物的转导的光活化的视紫红质结构（PDB条目3pqr），彩色的residueindex。（E）HIV-1衣壳结构（PDB条目3j3y）显示骨干有色的目的。（例如）使用的绳子表示（固体管）显示的蛋白质折叠在一个更抽象的方式相比，卡通表示（半透明）。所示的结构是“crambin”（PDB条目1crn）由alpha;螺旋和beta;-链红色黄色二级结构色。（G）的次生结构的铁氧还蛋白”（PDB条目1blu）和它的两个[ 4Fe 4S集群–]突出“球”表示。
实施
“NGL查看器的Web应用程序是用JavaScript，HTML和CSS代码中创建GUI。快速三维图形的GPU加速器可通过WebGL的启用，一个标准的基于OpenGL ES 2 API和直接建立在浏览器无需任何插件。所有主要的浏览器支持WebGL在当前版本通过一个HTML5 canvas元素的3D文字。在转向JavaScript绑定提供基于Web的应用程序的GPU的灵活和低级别的API。
建筑
源代码组织成特定任务模块：解析和分子结构加工；变换的分子结构显示表示如球的原子或管追踪蛋白质骨架；对WebGL GPU渲染显示表示；最后，创造一个互动的GUI。这个组织是一个分层结构有一个清晰的分离的模块，方便重用和重构发展。在执行的中心是阶段类。它提供的类的实例的绘制及观察器的立场包含主机组件，例如，可视化的分子结构。组件实例，该组件实例包含了包含几何图形的主机表示实例。图形用户界面是从舞台上解耦的，只对信号进行反应。例如，一个阶段实例会发出一个“组件加载”信号，图形用户界面与加载组件的接口元件的创建反应。在非图形用户界面中，不需要使用图形用户界面特定的代码。一般来说，这种结构简化了创建和自定义图形用户界面便于嵌入观察器进入其他Web应用程序。
结构
分子结构被解析并转换成内部格式基于共同结构模型链剩余原子层次的生物分子。解析器是目前实施的PDB，GRO和MMCIF文件格式。对于大的结构，每种原子数据如坐标或元素名称存储在一个单一的JavaScript数组类型。这节省了内存相比，数据存储在JavaScript的对象的属性的每一个原子单独。
可视化
减少耗时的CPU和GPU之间的数据交换，分子表示的几何形状被送往少而大的数组的GPU。在每一个阵列的几何结构可以由一个单一的画呈现给WebGL API。
图2。的NGL观者GUI，放大清晰。一个更详细的描述的GUI可以在网上文献发现。（一）顶部的菜单栏，提供一般命令的访问。“文件”菜单包含加载文件或导出图像的命令。但吨改变主题或要全屏显示在“视图”菜单。“例子”菜单包含各种可能的用例。帮助相关的项目，如偏好节和链接到文档中可以找到“帮助”菜单。（乙）分子的可视化呈现在中心的视图端口。这里的crambin”结构（PDB条目1crn）表现突出的三个二硫键。（C）侧边栏主机为每个加载结构界面元素和添加表示。一些按钮可快速访问命令：隐藏/显示（眼睛图标），中心（多头眼睛图标），删除（垃圾桶图标）和参数菜单（堆叠栏图标）。原子选择的输入字段（漏斗图标）重新严格的表示。这里的“球”表示是有限的Cys和sidechainattached。（D）状态栏在BOT汤姆笔记最后挑选的原子，在这种情况下，“SG”原子的半胱氨酸与剩余数 4 链模型 0 。
对球体和圆柱体的渲染，光铸造冒名顶替用来大大减少几何复杂性和使显示非常大的大分子的球和圆柱的陈述（15,16）。老的硬件不支持所需的外景片段深度WebGL的延伸，球体和圆柱体，呈现为三角形网格的几何基元的形成。光线投射的也可以用来提供“超球”表示的实现（17）中的原子是由一个椭圆双曲面光滑连接（图1和2）。
线和点图元可以在WebGL API提供直观简单但很快表示巨大分子或当旧的硬件使用。所有剩余的陈述，如管追踪的背骨原子呈现为三角形网格。
“three.js”库（threejs.org）是用于创建和渲染含有分子表示几何场景。标准库还提供了相机的IM实现鼠标控制。
交互
采摘与像素级精度的原子实现基于GPU的渲染场景的屏幕颜色都可唯一地标识元素。在点击画布上时，鼠标指针下方的像素的颜色读取识别对应的元素，例如一个特定的原子。选择分子结构模型与链部分原子的简明的语言，具有语法受可用原子的表达式中的脚本语言的“jsmol、Jmol”。选择语言编写的字符串被解析和转化为测试函数，可以应用于所有级别的结构模型链残基原子层次结构，有效地确定一个实体属于选择或不。例如，选择字符串和ALA。钙分解为丙氨酸的残留试验和C原子。所有的原子，这两个测试评估为真实的选择。
Web 应用程序
“NGL查看器”Web应用程序的交互式显示大分子发挥和允许的可视化复杂的操作过程通过一个GUI。结构的PDB，mmCIF或格罗格式可以加载到本地和远程数据源中的应用。例如，本地文件可以通过拖放和PDB条目加载重新种从RCSB档案（www.rcsb.org）通过他们的身份证。此外，压缩文件在“gz”或“zip”格式自动解压在加载。
加载到查看器的结构显示使用各种表示，可以结合起来，创造复杂的分子的意见（图1）。多主体类型的支持，包括债券和原子（spacefill圆柱体和球体，球 棒、licorice、线、点）以及基于骨架原子级结构描述（cartoon、管、带、微量、骨干，火箭）。大多数表示有一个颜色和一个半径参数，可以使用数据从底层结构。例如，可以表示颜色一致或根据元素，残留或次级结构类型的原子的表示定理。表示物体的尺寸，如“球 坚持表示球体和圆柱体的半径，设置同样。GUI提供的控件添加新的表现形式到结构和改变参数的存在（图2C）。点击一个表示打印实体的全称（即原子、残留、链、模型、结构），它属于（图2D）。
显示表示容易限于特定的原子，残留或链通过一个简洁的选择语言。这允许详细的控制，生物分子的部分结果突出重要的方面或不显示清晰（图2B、C）。例如，侧链和C原子和脯氨酸的情况下选择骨干氮侧链或Ca或（Pro和N）。为方便起见，速记sidechainattached是可用的。详细描述了选择语言可以在网上文献发现。
大系统的生物分子往往可以作为粗粒结构，只有骨干的原子被解决。在这里，粗粒结构的可视化支持的特殊处理时计算主链和侧链键以及alpha;-螺旋组成的自动检测。因此，表示如“cartoon或丝带”可用于粗粒结构，尽管他们失踪的原子。还提供了一种“绳”像蛋白质折叠的抽象特别适用于粗粒结构。这表示管如下一个局部轴相似什么是“Bendix”。
从PDB文件结构包括生物相关的组件的数据并提供关于晶体对称性的信息。相应的成套件显示可以通过结构和表征参数菜单控制（图2C）。
分子创建视图可以被导出为抗锯齿的高分辨率图像用于其他地方。
嵌入
观察器可以通过包括一个JavaScript文件，然后调用API的方法来创建一个阶段的实例允许加载和分子结构的后续操作嵌入到其他网站。嵌入和控制观察器的说明和实例都可以在线文档的描述随着API方法。
结论
如WebGL利用现代网络技术，“NGL的查看器提供了可扩展的分子图形允许的大型大分子组件的显示包括核糖体和病毒衣壳（图1）。它是通过一个用户友好的图形用户界面访问即可（图2）但也可以嵌入在其他网站作为一个图书馆。观众支持常见结构的文件格式，包括PDB和MMCIF。创建复杂的分子的观点，一个广泛的分子表示可用，包括原子和债券的原子特征显示以及二级结构描述基于骨架原子。此外，我们实现了国家的最先进的代表从桌面应用程序，包括射线铸造原语，“HY perballs”和“Bendix-like”表示。该网络应用程序是免费开放给所有用户，并没有要求登录。此外，完整的源代码可以在一个开源许可证下https://github.com/arose/ngl/。大量的文档，可以发现在http://proteinformatics.charite.de/ngl/doc。
技术知识
我们感谢Heiko Bittner，Johanna Tiemann 和Jochen Ismer对软件的测试和图片的建议。
赞助
德国研究基金会[Sfb740-B6, HI 1502/1-1, BI 893/8 to P.W.H.]
开放存取收费资金：德意志研究联合会[Sfb740-B6, HI 1502/1-1, BI 893/8]
利益冲突。没有宣布。
引用
- Orsquo;Donoghue,S.I., Goodsell,D.S., Frangakis,A.S., Jossinet,F., Laskowski,R.A., Nilges,M., Saibil,H.R., Schafferhans,A., Wade,R.C., Westhof,E. et al. (2010) Visualization of macromolecular structures. Nat. Methods, 7, S42–S55.
-
Mura,C., McCrimmon,C.M., Vertrees,J. and Sawaya,M.R. (2010) An introduction to biomolecular g
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