Beschreibung
Motivation
Ziel dieses Teilprojekts ist die Entwicklung interaktiver Visualisierungen und Analysemethoden für dynamische Protein-Lösungsmittel-Systeme. In der ersten Förderperiode des Projektes (2007-2010) wurden grundlegende Visualisierungen für große, dynamische Moleküldaten entwickelt. Biomoleküle haben jedoch teils komplexe Merkmale, welche sich nicht direkt aus klassischen Molekülmodellen ableiten lassen. Die Extraktion und geeignete Darstellung dieser Eigenschaften ist deshalb einer der Kernpunkte der weiteren Entwicklungen. Neben klassischen Techniken wie Partikel- und Volumen-Rendering sollen verstärkt illustrative Techniken zur Darstellung der dynamischen Strukturen zum Einsatz kommen. Ein zweiter fundamentaler Bestandteil ist die Visualisierung des Lösungsmittels. Neben Methoden zur Abstraktion und Filterung der einzelnen Lösungsmittelmoleküle sollen vor allem Methoden zur Extraktion erweiterter Eigenschaften des Lösungsmittels und deren Darstellung im Vordergrund stehen. Außerdem sollen die bestehenden Interaktionsmöglichkeiten erweitert werden, um dem Benutzer eine umfassende, intuitive Analyse zu ermöglichen. Hierbei ist es wichtig, dass nicht nur die Berechnungen, welche für die Visualisierung nötig sind, sondern auch die Analyse in Echtzeit stattfindet. Somit kann der Benutzer bei der Analyse beliebige Eingabeparameter und Werte ändern und sieht sofort die Auswirkung auf das Analyseergebnis. Durch diese explorative Analyse wird es dem Benutzer erleichtert, bisher unbekannte und unerwartete Phänomene in den Daten zu erkennen.
Stand der Forschung
Der Entwicklungsstand verfügbarer Programme zur Visualisierung von Biomolekülen hat sich während der ersten Förderperiode nur wenig verändert . Zu den gebräuchlichsten, frei verfügbaren Programmen im Bereich Molekularvisualisierung zählen nach wie vor Visual Molecular Dynamics (VMD) [HDS96], PyMOL [DeL02] und UCSF Chimera [PGH+04]. Trotz der kontinuierlichen Weiterentwicklung dieser Programme stellt die interaktive Visualisierung langer Trajektorien von Protein-Lösungsmittel-Systemen weiterhin eine große Herausforderung dar, welche bisher nicht in zufriedenstellender Weise erfüllt wird. Ein wichtiger Punkt hinsichtlich dieser Programme ist, dass sie die individuellen Anforderungen der Projektpartner im SFB oft nicht erfüllen können, da sie für den universellen Einsatz für eine möglichst große Benutzergemeinde entworfen wurden. Insbesondere die Darstellung komplizierter Modelle für Proteine wie die Molecular Skin Surface [Ede99, CLM08] sind - trotz starker technischer Weiterentwicklungen auf Seiten der Hardware - in herkömmlichen Molekularbetrachtern entweder nicht ohne Vorberechnung oder nicht mit interaktiven Frameraten möglich. Diese Problematik wird durch die stark steigenden Größen der MD-Simulationstrajektorien, welche auch im Rahmen des SFB anfallen, in Zukunft noch weiter in den Vordergrund treten.
Abstrahierende Visualisierungsmethoden, wie die von Cipriano und Gleicher vorgestellte Darstellung der Moleküloberfläche [CG07], benötigen meist aufwändige Vorberechnungen und sind deshalb nicht für die interaktive Echtzeitvisualisierung, welche in diesem Teilprojekt verfolgt wird, geeignet. Tarini et. al [TCM06] haben verschiedene Techniken zur Hervorhebung der räumlichen Struktur, beispielsweise tiefenabhängige Silhouetten oder die Beleuchtung mittels Ambient Occlusion, für einfache Molekülmodelle (Stick und Spacefilling) statischer Daten erfolgreich eingesetzt, eine Erweiterung für komplexe Molekülmodelle und die interaktive Berechnung für dynamische Daten konnte bisher allerdings nicht erreicht werden.
Lösungsmittel werden von keinem der gebräuchlichen Programme in gesonderter Form behandelt, sondern für gewöhnlich entweder ohne Anwendung spezifischer Visualisierungstechniken angezeigt oder komplett ausgeblendet.
Literatur
[CG07] G. Cipriano and M. Gleicher. Molecular Surface Abstraction. IEEE Trans. Vis. Comp. Graph., 13(6):1608-1615, 2007.
[CLM08] M. Chavent, B. Lévy, and B. Maigret. MetaMol: High quality visualization of Molecular Skin Surface. J. Mol. Graph. Mod., 27(2):209-216, 2008.
[DeL02] W. L. DeLano. The PyMOL Molecular Graphics System. DeLano Scientific, 2002.
[Ede99] H. Edelsbrunner. Deformable smooth surface design. Discrete & Computational Geometry, 21(1):87-115, 1999.
[HDS96] W. Humphrey, A. Dalke, and K. Schulten. VMD - Visual Molecular Dynamics. J. Mol. Graph., 14:33-38, 1996.
[PGH+04] E. F. Pettersen, T. D. Goddard, C. C. Huang, G. S. Couch, D. M. Greenblatt, E. C. Meng, and T. E. Ferrin. UCSF Chimera - A Visualization System for Exploratory Research and Analysis. J. Comp. Chem., 25(13):16051612, Oct 2004.
[TCM06] M. Tarini, P. Cignoni, and C. Montani. Ambient Occlusion and Edge Cueing for Enhancing Real Time Molecular Visualization. IEEE Trans. Vis. Comp. Graph., 12(5):1237-1244, 2006.