Практикум 1

Задание 1. Знакомство с PyMOL

Импортируем нужное для запуска PyMOL.

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

import pymol
pymol.finish_launching()

from pymol import cmd, stored

Начало

Скачиваем структуру 1cll, показываем линиями белок. Приближаем камеру к остаткам 4 и 5. Сейчас у нас есть одно состояние (state) — 1. Далее mset0 устанавливает соответствие между состояниями и кадрами анимации. mset 1 x1000 "растягивает" состояние 1 на тысячу кадров. Закрепляем это командой mview store.

In [2]:
cmd.do('''
fetch 1cll, async=0
as lines, n. C+O+N+CA
zoom i. 4+5
mset 1 x1000
mview store''')

Исследование итерации по остаткам

Проитерируемся по Cα-атомам остатков и сохраним их номера.

In [3]:
stored.r = []
cmd.iterate('1cll and n. CA','stored.r.append(int(resi))')
Out[3]:
152

colors задает пространство R (от R — red) со 152 точками. Значения R равномерно распределены от 1 до 0.5. G и B константны (0.5 и 0.75 соответственно).

В цикле мы проходим по всем остаткам и каждому задаем новый цвет отображения cartoon по очереди.

Включаем отображение cartoon для всего.

In [4]:
import numpy as np

length = len(stored.r)
colors = np.linspace(1,0.5, length)
for k,i in enumerate(stored.r):
    cmd.set_color('col%d' %k, [colors[k],0.5,0.75])
    print([1,1,colors[k]])
    cmd.set('cartoon_color','col%d' % k ,'resi %d' % i)
cmd.show_as('cartoon','all')

Упражнение с movie

Выбираем каждый 10 кадр и приближаем камеру к остаткам с номерами i и i+7. Получается мини-фильм.

In [5]:
for i in range(length):
    cmd.frame((10*i)+1)
    cmd.zoom( 'n. CA and i. %d+%d' % (i,i+7))
    cmd.mview('store')

А вот и результат!

In [6]:
from IPython import display
In [7]:
display.HTML('<img src="img/movie1.gif">')
Out[7]:

Задание 2. Работа в PyMOL

Пункты 1-3

Подготавливаем PyMOL для создания анимационного ролика посложнее.

In [8]:
cmd.do('''reinitialize
set matrix_mode, 1
set movie_panel, 1
set scene_buttons, 1
set cache_frames, 1
config_mouse three_button_motions, 1''')

Загружаем структры: исходную и предварительно мутированную инструментом Mutagenesis

In [9]:
cmd.do('''bg_color white
set cartoon_side_chain_helper, 1
set cartoon_transparency, 0.1
load files/1lmp.pdb, orig
load files/1lmp_D52A.pdb, mut
translate [0,10,-30], mut
zoom all
center all
select wat, resn HOH
hide everything, wat
select lig_orig, orig and chain B
select lig_mut, mut and chain B
select prot_orig, orig and chain A and not wat
select prot_mut, mut and chain A and not wat
util.cbap prot_orig
util.cbam prot_mut
util.cbas lig*
select r, orig and resi 52
select r_mut, mut and resi 52
show sticks, r
show sticks, r_mut
deselect
''')

Вручную выбираем неплохой ракурс камеры и получаем его параметры через cmd.get_view(). Эти параметры копипастим и передаем далее в cmd.set_view(...)

In [10]:
cmd.set_view ('''\
 0.237, 0.942, 0.238,\
 -0.823, 0.065, 0.565,\
 0.516, -0.329, 0.79,\
 0.0, 0.0, -107.826,\
 16.946, 66.04, 22.63,\
 58.073, 157.58,-20.0''')

Задаем длину ролика в 700 кадров (фреймов). Создаем сцену 1, привязываем ее к фрейму 1, растягиваем на 30 кадров.

In [11]:
cmd.do('''
mset 1 x700
frame 1
mview store, object=orig
mview store, object=mut
scene 001, store, message="Original protein is in purple, mutated — in magenta."
mview store, scene=001
frame 30
mview store, object=orig
mview store, object=mut
mview store, scene=001
''')

На 150 кадре хотим видеть структуры, наложенные друг на друга. Создаем сцену 2, привязываем к кадру 150, интерполируем. Еще 30 кадров для небольшой паузы.

In [12]:
cmd.do('''frame 150
super mut, orig
mview store, object=orig
mview store, object=mut
scene 002, store, message="Now we overlap the two structures"
mview store, scene=002
mview interpolate, object=mut
''')

cmd.do('''frame 180
mview store, object=orig
mview store, object=mut
mview store, scene=002
mview reinterpolate, object=orig
mview reinterpolate, object=mut
''')

Задаем удачный вид, выбрав его вручную. Приближаем интересный нам остаток 52.В оригинальной структуре это аспартат (D, Asp), в мутированной — аланин (A, Ala).

In [13]:
cmd.do('''frame 210
set_view (\
    0.24,    0.94,    0.24,\
    -0.82,  0.07,   0.56,\
    0.52,    -0.33,   0.79,\
    0.00,    0.00, -31.35,\
    20.77,   55.81,   25.53,\
    19.84,  42.86,  -20.00 )
mview store, object=orig
mview store, object=mut
scene 003, store, message="Zoom to residue 52"
mview store, scene=003
mview reinterpolate, object=orig
mview reinterpolate, object=mut
''')

cmd.do('''frame 230
mview store, object=orig
mview store, object=mut
mview store, scene=003
''')

Трижды меняем отображение -- чередуются оригинальный белок и мутированный. В конце плавно возвращаемся в исходное состояние.

In [14]:
for i in range(3):
    frame_scene_orig = 250 + i * 120
    frame_scene_mut = 270 + i * 120
    print(frame_scene_orig, frame_scene_mut)
    cmd.do(f'''frame {frame_scene_orig}
    hide everything, prot_mut
    show cartoon, prot_orig
    show sticks, r
    mview store, object=orig
    mview store, object=mut
    scene 004, store, message="Original structure with Asp52"
    mview store, scene=004
    mview reinterpolate, obj=orig
    ''')

    cmd.do(f'''frame {frame_scene_orig+120}
    mview store, object=orig
    mview store, object=mut
    mview store, scene=004
    mview reinterpolate, object=orig
    mview reinterpolate, object=mut
    ''')

    cmd.do(f'''frame {frame_scene_mut}
    hide everything, prot_orig
    show cartoon, prot_mut
    show sticks, r_mut
    mview store, object=orig
    mview store, object=mut
    scene 005, store, message="Mutated structure with Ala52"
    mview store, scene=005
    ''')

    cmd.do(f'''frame {frame_scene_mut+120}
    mview store, object=orig
    mview store, object=mut
    mview store, scene=005
    mview reinterpolate, object=orig
    mview reinterpolate, object=mut
    ''')

cmd.do(f'''frame {frame_scene_mut+120}
show cartoon, prot_orig
show sticks, r
mview store, object=orig
mview store, object=mut
scene 006, store, message="Going back to initial state"
mview store, scene=006
''')
In [15]:
display.HTML('''
<div align="middle">
<video width="80%" controls>
      <source src="img/movie_2.mp4" type="video/mp4">
</video></div>''')
Out[15]:

Пункт 4. Присоединение метки

Загрузим структуры 1LMP и 6-Tamra. Белок, как обычно, в формате .pdb, метка TAMRA — в .sdf.

In [16]:
cmd.do('''reinitialize
bg_color white
set cartoon_side_chain_helper, 1
set cartoon_transparency, 0.1
load files/1lmp.pdb, 1LMP
load files/6-Tamra_3d.sdf, TAMRA
select wat, resn HOH
hide everything, wat
select lig, 1LMP and chain B
select prot, 1LMP and chain A and not wat
util.cbap prot
util.cbas lig
select r, orig and resi 52
show sticks, r''')

Выберем удачный вид и подпишем интересующие нас атомы метки TAMRA.

In [17]:
cmd.do('''set_view (\
    0.01,    -0.86,    0.5,\
    0.45,  0.45,   0.77,\
    -0.89,    0.22,   0.39,\
    0.00,    0.00, -34.52,\
    -0.34,   0.48,   0.00,\
    25.98,  43.05,  -20.00 )
label TAMRA and idx 54, "idx 54"
label TAMRA and idx 2, "idx 2"
set label_position,(-1.15,-1.05,3)
''')

Вот что получилось:

In [18]:
display.HTML('<img width=50% src="img/tamra.png">')
Out[18]:

Теперь выберем удачный вид, чтобы показать остаток серина, к которому будет произведено прикрепление метки по механизму образования сложноэфирной связи.

In [19]:
cmd.do('''
set_view (\
    -0.13,    -0.43,    0.89,\
    -0.02,  -0.9,   -0.44,\
    0.99,    -0.08,   0.11,\
    0.00,    0.00, -103.14,\
    14.93,   52.33,   21.15,\
    75.44,  130.84,  -20.00 )
select Ser, /1LMP//A/SER`122
show sticks, Ser
label Ser and n. OG, "S122"
deselect
''')

Видим подписанный остаток серина S122 в структуре 1LMP.

In [20]:
display.HTML('<img width=70% src="img/1LMP_S122.png">')
Out[20]:

Присоединяем метку к кислородному атому OG серина 122 через атом углерода (TAMRA, idx 28), используя команды fuse и torsion.

In [21]:
cmd.do('''
remove TAMRA and idx 2+54
''')
cmd.fuse('TAMRA and idx 28', '/1LMP//A/SER`122/OG')
cmd.torsion(30)
cmd.hide('labels')

Получено изображение комплекса: фиолетовым — белок, розовым — его лиганд, бирюзовым — флуоресцентная метка TAMRA.

In [22]:
display.HTML('<img width=70% src="img/1LMP_tamra.png">')
Out[22]:

Пункт 5. Построение полиаланиновой α-спирали

α-спираль обладает характерными значениями торсионов (это определенная область на карте Рамачандрана, построенной без учета специфических случаев -- глицина и пролина):

φ = -64 (± 7)

ψ = -41 (± 7)

In [23]:
phi = -64
psi = -41
In [24]:
cmd.do('''reinitialize
bg_color white
''')
In [25]:
cmd.fragment('ala', 'helix')
In [26]:
for i in range(2, 101):
    cmd.edit(f'helix & i. {i} & n. C')
    cmd.editor.attach_amino_acid('pk1', 'ala')
for i in range(2, 101):
        cmd.set_dihedral(f'i. {i} & n. N',
                         f'i. {i} & n. CA',
                         f'i. {i} & n. C',
                         f'i. {i + 1} & n. N',
                         phi)
        cmd.set_dihedral(f'i. {i} & n.  C',
                         f'i. {i + 1} & n. N',
                         f'i. {i + 1} & n. CA',
                         f'i. {i + 1} & n. C',
                         psi)
In [27]:
cmd.show('cartoon', 'helix')
cmd.set('cartoon_transparency', 0.5)

Результат работы — полиаланиновая α-спираль:

In [28]:
display.HTML('<img width=50% src="img/polyalahelix.png">')
Out[28]:

Пункт 6. Построение B-формы ДНК

Из задания: заготовок для нуклеиновых кислот нет. Cуть подхода состоит в определении матрицы превращения при совмещении одной пары нуклеотидов с последующей. После чего вы можете размножать эту пару и применять к ней матрицу превращения.

Команды: cmd.pair_fit("pair","nextpair"), trans=cmd.get_object_matrix("pair"), create, cmd.transform_selection()

Найдем структуру B-ДНК. В этом поможет сервис Web 3DNA 2.0. PDB ID 355D подходит, в чем можно убедиться в выдаче сервиса.

Выберем из нее две пары нуклеотидов и сохраним в отдельные объекты. Первую пару также запишем в объект pair1, который послужит нам затравкой при генерации ДНК.

In [29]:
cmd.do('''reinitialize
bg_color white
load files/355d.pdb
create pair, /355d//A/DA`6 or /355d//B/DT`19
create pair1, pair
create nextpair, /355d//A/DT`7 or /355d//B/DA`18''')

Сделаем совмещение пар и получим матрицу трансформации trans.

In [30]:
cmd.pair_fit('pair', 'nextpair')
trans = cmd.get_object_matrix('pair')
trans
Out[30]:
(0.8464527130126953,
 0.531788170337677,
 -0.02681821957230568,
 -8.969909287103391,
 -0.530800998210907,
 0.8467156291007996,
 0.03637196868658066,
 10.001599690804227,
 0.0420495867729187,
 -0.016552014276385307,
 0.9989784359931946,
 -3.6183683269433686,
 0.0,
 0.0,
 0.0,
 1.0)

Удаляем ненужное, оставляя только затравку — объект pair1.

In [31]:
cmd.do('''
delete 355d
delete pair
delete nextpair
select pair1
show sticks
orient
deselect
alter chain A & resi 6, resi=1
alter chain B & resi 19, resi=100
''')

Вот наша пара

In [32]:
display.HTML('<img width=30% src="img/pair1.png">')
Out[32]:

Продублируем пару сто раз, применяя к каждой новой паре трансформацию с помощью ранее полученной матрицы.

In [33]:
for i in range(1, 100):
    cmd.create(f'pair{i+1}', f'pair{i}')
    cmd.transform_selection(selection=f'pair{i+1}', matrix=trans)
    cmd.alter(f'pair{i+1} & chain A & resi {i}', f'resi={i+1}')
    cmd.alter(f'pair{i+1} & chain B & resi {100-i+1}', f'resi={100-i}')
cmd.create('B-helix', 'pair*')
cmd.delete('pair*')

Добавим фосфодиэфирные связи остова.

In [34]:
for i in range(1, 100):
    cmd.bond(f"/B-helix//A/DA`{i}/O3'", f"/B-helix//A/DA`{i+1}/P")
    cmd.bond(f"/B-helix//B/DT`{100-i}/O3'", f"/B-helix//B/DT`{100-i+1}/P")

cmd.orient('B-helix')

Такая получается спираль:

In [35]:
display.HTML('<img width=70% src="img/b-helix.png">')
Out[35]: