Работа с PyMOL

Познакомимся с возможностями PyMOL как пакета моделирования на примере работы с молекулой лизоцима (PDB ID: 1LMP).

In [1]:
import __main__
__main__.pymol_argv = [ 'pymol', '-x' ]

import pymol
pymol.finish_launching()
from pymol import cmd,stored

Изобразим структуру белка с лигандом (Рис. 1а).

In [19]:
cmd.fetch("1lmp")
cmd.remove("solvent")
cmd.bg_color("white")
cmd.color("magenta")
cmd.do('''
util.cnc hetatm
set ray_shadows, off
set cartoon_highlight_color, grey50
set field_of_view, 70''')
cmd.cartoon("dumbbell", "ss h")
cmd.zoom()
In [7]:
cmd.png(filename='no_sculpt_1.png',width='10cm',dpi=300,ray=3)

А затем изменим ее с помощью Wizard->Demo->Sculpting (Рис. 1b).

In [20]:
cmd.zoom()
In [21]:
cmd.png(filename='sculpt_2.png',width='10cm',dpi=300,ray=3)
Pиc. 1a. Структура 1LMP до изменения.
Pиc. 1b. Структура 1LMP после изменения с помощью Sculpting.

Теперь найдем подходящий остаток для мутагенеза. Для этого покажем остатки, которые взаимодействуют с лигандами водородными связями.

In [50]:
cmd.reinitialize()
In [51]:
cmd.fetch("1lmp")
cmd.remove("solvent")
cmd.bg_color("white")
cmd.color("lightmagenta")
cmd.do('''
util.cbac hetatm
set ray_shadows, off
set cartoon_highlight_color, grey50
set field_of_view, 70
select bindsite, byres m. 1lmp  and (hetatm around 3.5)
show sticks, bindsite
util.cbap bindsite
''')
cmd.cartoon("dumbbell", "ss h")
cmd.orient("hetatm")
cmd.zoom("hetatm", "10")
In [52]:
cmd.dist("hydrbonds", "m. 1lmp and (not hetatm)", "hetatm", "3.5", "2")
cmd.do('''
label bindsite and n. ca and resi 101, "%s%s" % (resn, resi)
set label_color, black
''')

view = cmd.get_view()

In [53]:
cmd.set_view(view)
In [42]:
cmd.png(filename='bsite1.png',width='10cm',dpi=300,ray=3)

Думаю, что замена остатка ASP101 на аланин приведет к потере водородной связи. На сайте PDB тоже говорится, что этот остаток участвует в связывании лиганда.

Pиc. 2a. Остатки, взаимодействующие с лигандами водородными связями.
Pиc. 2b. Остатки, взаимодействующие с одним из лигандов водородными связями (PDB).

Проведем мутацию.

In [54]:
cmd.hide("labels")
cmd.delete("hydrbonds")
In [55]:
from pymol import wizard
In [56]:
cmd.wizard("mutagenesis")
cmd.do("refresh_wizard")
In [57]:
cmd.get_wizard().set_mode("ALA")
cmd.get_wizard().do_select("resi 101")
# Select the first rotamer, which is most probable
cmd.frame(1)
# Apply the mutation
cmd.get_wizard().apply()
# Close wizard
cmd.set_wizard("done")
In [58]:
cmd.do('''
util.cbag resi 101
label n. ca and resi 101, "%s%s" % (resn, resi)
''')
cmd.dist("hydrbonds2", "m. 1lmp and (not hetatm)", "hetatm", "3.5", "2")
Out[58]:
2.9922642707824707

view2 = cmd.get_view()

In [60]:
cmd.set_view(view2)
In [61]:
cmd.png(filename='mutsite1.png',width='10cm',dpi=300,ray=3)

Водородная связь пропала.

Рис. 3a. Центр связывания до мутации.
Рис. 3b. Центр связывания после мутации. Вместо аспартата зеленый аланин.

Теперь совместим это со структурой исходного белка без мутации и сделаем про это фильм.

In [63]:
cmd.delete("hydrbonds2")
cmd.hide("sticks", "not resi 101")
In [64]:
cmd.fetch("1lmp", "nomut")
cmd.remove("solvent")
In [65]:
cmd.cartoon("dumbbell", "ss h")
In [66]:
cmd.color("silver", "nomut")
cmd.do('''
util.cbac hetatm
show sticks, resi 101
util.cnc nomut and resi 101
''')
In [78]:
cmd.do('''
label resi 101, "%s%s" % (resn, resi)
''')
In [94]:
cmd.hide("labels")
In [107]:
cmd.do('''
set matrix_mode, 1
set movie_panel, 1
set cache_frames, 1
mset 1-200                      
frame 1
zoom nomut, -1
translate [10,0,0], object=1lmp  
mview store                     
mview store, object=nomut         
mview store, object=1lmp 
frame 20
zoom nomut, -1
translate [-5,0,0], object=1lmp  
mview store                     
mview store, object=nomut         
mview store, object=1lmp   
frame 40    
super 1lmp, nomut
mview store                     
mview store, object=nomut         
mview store, object=1lmp 
mview interpolate, object=1lmp
frame 80                        
orient hetatm                  
mview store                     
mview store, object=nomut        
mview store, object=1lmp 
frame 100                        
orient hetatm                  
mview store                     
mview store, object=nomut        
mview store, object=1lmp        
frame 130                      
orient resi 101                        
mview store                     
mview store, object=nomut         
mview store, object=1lmp 
frame 140                      
orient resi 101    
label resi 101 and 1lmp and n. ca, "%s%s" % (resn, resi)
mview store                     
mview store, object=nomut         
mview store, object=1lmp 
frame 160                      
orient resi 101 
label resi 101 and nomut and n. cb, "%s%s" % (resn, resi)
mview store                     
mview store, object=nomut         
mview store, object=1lmp 
frame 165
orient resi 101                        
mview store                     
mview store, object=nomut         
mview store, object=1lmp 
frame 190
mview reinterpolate, object=nomut
mview reinterpolate, object=1lmp
frame 1
mplay                           
''')
In [1]:
import io
import base64
from IPython.display import HTML
In [2]:
video = io.open('ugly_movie1.mp4', 'r+b').read()
encoded = base64.b64encode(video)
HTML(data='''<video alt="test" controls>
                <source src="data:video/mp4;base64,{0}" type="video/mp4" />
             </video>'''.format(encoded.decode('ascii')))
Out[2]:

Теперь присоединим к -ОН группе белка через сложноэфирную связь метку TAMRA. PyMOL RIP у меня на виртуальной машине, поэтому ниже буду записывать скрипты и визуализировать их в PyMOL локально.

In [25]:
%%writefile tamra.pml
cmd.load("tamra.sdf")
cmd.remove('tamra and id 4')
cmd.select('o', 'id 32')
cmd.do('''
util.cbag tamra
''')
cmd.fetch("1lmp")
cmd.remove("solvent")
cmd.color("tellurium", "1lmp")
cmd.do('''
set ray_shadows, off
set cartoon_highlight_color, grey50
set field_of_view, 70
''')
cmd.cartoon("dumbbell", "ss h")
cmd.zoom()
cmd.do('''
select thr, resn thr and resi 85
show sticks, thr
util.cbag thr
select og1, thr and name OG1
''')
cmd.fuse('o', 'og1', 1)
cmd.torsion(-180.0)
set_view (\
    -0.123622522,   -0.752091646,    0.647359014,\
     0.778710246,   -0.477876723,   -0.406487346,\
     0.615074396,    0.453855574,    0.644740224,\
     0.000000000,    0.000000000,  -16.995183945,\
    15.268630981,   36.908187866,   20.766571045,\
     5.474930286,   28.515300751,  -70.000000000 )
cmd.unpick()

Overwriting tamra.pml

Рис. 4. Флуоресцентная метка TAMRA. Присоединена к белку через остаток THR85.

Построим полиаланиновую альфа-спираль длиной 100 аминокислот. Средние значения торсионных углов для полиаланиновой альфа-спирали нашла здесь.

In [9]:
with open("polyala.pml", 'w') as polyala:
    phi = -63.1
    psi = -41.2
    polyala.write("cmd.fragment('ala')\n")
    for i in range (2,101):
        polyala.write("cmd.edit(\"i. " + str(i) + " & n. C\")\n")
        polyala.write("cmd.do('editor.attach_amino_acid(\"pk1\", \"ala\")')\n")
        polyala.write("cmd.set_dihedral(\"i. "+str(i)+" & n. N\", \"i. "+str(i)+" & n. CA\", \"i. "+str(i)+" & n. C\", \"i. "+str(i+1)+" & n.  N\", "+str(phi)+")\n")
        polyala.write("cmd.set_dihedral(\"i. "+str(i)+" & n.  C\", \"i. "+str(i+1)+" & n. N\", \"i. "+str(i+1)+" & n. CA\", \"i. "+str(i+1)+" & n. C\", "+str(psi)+")\n")
    polyala.write("cmd.zoom()\n")
    polyala.write("cmd.unpick()\n")
    polyala.write("cmd.png(filename='polyala.png',width='10cm',dpi=300,ray=3)")

Рис. 5. Полиаланиновая альфа-спираль.