利用VRML显示生物大分子三维结构
作者：周果宏 陈波
单位：(首都医科大学生物医学工程系)
关键词：
首都医科大学学报000122 VRML是英文virtual reality modeling language(虚拟现实建模语言)的缩写。它是一种描述性语言，用于在因特网上发布三维的、多媒体的、交互式虚拟场景。VRML是HTML的延伸，是在因特网上交换三维文件的一种标准格式，它对因特网上三维场景的描述作了有益的探索，并且成功地将文本、二维、三维及多媒体模型集成为一体[1]。
在分子生物学领域，VRML提供面向对象的方法来描述分子模型, 它对于将三维分子结构可视化来说是一个极好工具。对于其他在三维显像具有特定重要性的医学领域，比如，基因数据库的三维显像，人体器官三维解剖影像等，VRML也将成为合作式、交互式应用的标准数据交换格式。我们采用VRML这一有力的新型网络编程语言，尝试对蛋白质大分子结构进行三维动态显示。做这项工作的目的，是建立蛋白质空间结构的可交互操作的三维模型。提供给医学工作者更细致、完全的观察手段。也可在教学演示时使用[2，3]。
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1 VRML源文件编辑以及VRML浏览器
用虚拟现实建模语言VRML编写的源文件是文本格式，可用任何文本编辑器来编辑。VRML的文件扩展名为.wrl ，其MIME类型为model/vrml，或者x-world/x-vrml。
VRML浏览器实际上就是解释器。如果没有特定的浏览器，那么VRML文件对于用户来说只不过是一堆数字和字符。VRML浏览器从源文件中读取程序代码和数据，并转换为三维的图形及声音，使用户获得直观的信息。VRML的浏览器有许多，常用的有Silicon Graphics公司的WebSpace、Cosmo Palyer，Sony公司的Community Place，Intervista公司的World View等等。以Cosmo Palyer 2.0为例，它是一种内嵌于Netscape中的VRML浏览器。当调用.wrl文件时，Cosmo Palyer会自动识别该文件的类型，并在Netscape窗口中建立三维的操作环境。窗口底部有导航控制仪表盘，用来移动、观察三维对象，实现交互操作。Cosmo Palyer 2.0的导航控制仪表盘如图1所示。
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图1 Cosmo Palyer 2.0的导航控制仪表盘
2 构造基本氨基酸的三维模板
蛋白质大分子结构数据来自布鲁克海文蛋白质数据库(The Brook Haven Protein Data Bank-PDB)，从万维网上免费下载(ftp://pdb.pdb.bnl.gov)。在PDB数据库中，生物大分子的结构是通过特定的记录格式，以原子空间坐标值和对于其连接形式、连接顺序等的描述来表示的。根据PDB蛋白质数据库的结构、数据格式以及VRML语法规则，我们的建模步骤如下：首先，用VRML编程，构造22种基本氨基酸的三维模板，把它们分别存放为独立的VRML文件；然后，再利用氨基酸模板组合成蛋白质分子的三维模型。例如，氨基酸SER线状模板的VRML程序代码如下：
＃VRML V2.0 utf8
Group{
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children[
Shape{
appearance Appearance{
material Material{emissiveColor 1 1 1}
}
geometry IndexedLineSet{
coord Coordinate{
point[
＃11SER
7.186 2.582 8.445 ,6.500 1.584 7.565 ,5.382 2.313 6.773 ,5.213 2.016 5.557 ,5.908 .462 8.400 ,6.990 -.272 9.012
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]
}
coordIndex[
0,1,2,3,-1, ＃N-CA-C-O
1,4,5,-1, ＃CA-CB-OG
]
colorPerVertex FALSE
color Color{
color[0 1 0, ＃GREEN
1 0 0, ＃RED
]
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}
}
},Viewpoint{
position 7 1.5 12
}
]
}
把它存为文件p-ser.wrl。用VRML浏览器打开该程序文件所显示的三维图形如图2(a)所示(注：为便于打印，以下各图均作过反色等处理)。氨基酸SER中有6个原子：0 N，1 Cα，2 C，3 O，4 Cβ，5 Oγ。平面连接示意图为：
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图2 氨基酸SER模板
(a)线状模板，(b)球棒模板
对于SER的球棒模板的构建方法如下：先作出6个原子的造型，再用Extrusion节点作出圆柱将各个原子连接起来。球棒模板的程序比线状模板程序要复杂许多，这里不予列出。其显示图像如图2(b)所示。又如，图3(a)和图3(b)示出另一种氨基酸ASP的线状模板与球棒模板显示示例。
图3 氨基酸ASP模板
(a)线状模板，(b)球棒模板
3 蛋白质分子三维模型的建立
把蛋白质分子分解为4个部分：蛋白质骨干、通道残基、活动点和培养基(substrate)。对这些部分分别编写VRML文件，再通过WWWInline节点把它们结合起来。根据实际需要，创建了3种蛋白质模型，以3种不同形式描述蛋白质三维结构。它们是：线状模型、球棒模型和链状模型。
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3.1 建模前的有关约定
(a)线状模型：几何约定：(略)。颜色约定：氨基酸的结构通式可写为：
其中，
部分都同样用绿色线条表示；R中碳主链用红色表示；主链上的侧支用蓝色表示；特殊结构如环用黄色表示；氨基酸之间的连接线用白色表示。 (b)球棒模型：几何约定：原子用圆球表示；原子之间的键均以圆柱来表示。颜色约定如表1所示。
表1 球棒模型的颜色约定 原子
颜色
颜色值(RGB)
O
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红色
1.00
0.00
0.00
C
淡灰色
0.75
0.75
0.75
N
淡蓝色
0.10
0.10
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1.00
S
黄色
1.00
1.00
0.00
H
白色
1.00
1.00
1.00
(c)链状模型：整个肽链用绿色的圆柱依次连接表示，每个氨基酸的位置以Cα的位置来表示。
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3.2 氨基酸模板组合成蛋白质的三维模型
按照上述方法和步骤，对以下几种大分子结构进行了三维可视化研究：(a)次皮蛋白(MINOR COAT PROTEIN，pdb数据库入口代码为1g3p)，(b)基因控制蛋白(GENE REGULATING PROTEIN，pdb数据库入口代码为3cro)，(c)一种植物种子蛋白(CRAMBIN，pdb数据库入口代码为1crn)，分别对它们建立了线状模型、球棒模型和链状模型。
图4(a)、(b)、(c)分别是植物种子蛋白CRAMBIN的线状空间结构模型、球棒模型和链状模型的显示图形。可以通过鼠标操作在空间任意一点以任意角度对蛋白质分子进行观察分析,观察过程中可以改变显示形式。图4(a)、(b)、(c)所示为浏览该模型时从任意一个视角观察，并改变显示形式所抓取到的3个图形。
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图4 CRAMBIN的空间结构模型
(a)线状空间结构模型，(b)球棒状空间结构模型，(c)链状空间结构模型
4 VRML的主要特点
可重复使用性能够允许在一个造型内部定义模块，从而反复使用，构成整个造型。或者可将已有的完整造型放大或缩小后加入到另一个造型中。这样可以大大减少开发者的工作量，也使得一些大的复杂的场景构建起来比较容易。
可扩充性使用script节点扩展VRML的功能，实现各种特殊的要求。使用proto节点还可以定义一个新的节点类型。这些都为用户对VRML的扩充提供了可能和广阔的空间。
多媒体功能VRML的虚拟世界中可以包含声音、纹理图像、电影等，这使得整个场景更加生动、逼真。
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具有网络链接功能VRML可实现虚拟世界之间的链接，从一个虚拟世界可以直接进入到另一个虚拟世界。还可以实现HTML文档与VRML之间的链接或者其他有效MIME类型的对象链接，甚至在HTML文件内部也能插入VRML场景。
正是由于VRML具有以上特点，它正在被日益广泛地应用于各个领域。
参考文献：
[1]施寅,周保芳,赵志勇.VRML2.0使用速成.北京：清华大学出版社，1998
[2]陶慰孙.蛋白质分子基础.北京：高等教育出版社,1995
[3]夏云.Internet实用技术与生物医学应用.北京:军事医学科学出版社,1997
收稿日期：1999-03-24, 百拇医药
单位：(首都医科大学生物医学工程系)
关键词：
首都医科大学学报000122 VRML是英文virtual reality modeling language(虚拟现实建模语言)的缩写。它是一种描述性语言，用于在因特网上发布三维的、多媒体的、交互式虚拟场景。VRML是HTML的延伸，是在因特网上交换三维文件的一种标准格式，它对因特网上三维场景的描述作了有益的探索，并且成功地将文本、二维、三维及多媒体模型集成为一体[1]。
在分子生物学领域，VRML提供面向对象的方法来描述分子模型, 它对于将三维分子结构可视化来说是一个极好工具。对于其他在三维显像具有特定重要性的医学领域，比如，基因数据库的三维显像，人体器官三维解剖影像等，VRML也将成为合作式、交互式应用的标准数据交换格式。我们采用VRML这一有力的新型网络编程语言，尝试对蛋白质大分子结构进行三维动态显示。做这项工作的目的，是建立蛋白质空间结构的可交互操作的三维模型。提供给医学工作者更细致、完全的观察手段。也可在教学演示时使用[2，3]。
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1 VRML源文件编辑以及VRML浏览器
用虚拟现实建模语言VRML编写的源文件是文本格式，可用任何文本编辑器来编辑。VRML的文件扩展名为.wrl ，其MIME类型为model/vrml，或者x-world/x-vrml。
VRML浏览器实际上就是解释器。如果没有特定的浏览器，那么VRML文件对于用户来说只不过是一堆数字和字符。VRML浏览器从源文件中读取程序代码和数据，并转换为三维的图形及声音，使用户获得直观的信息。VRML的浏览器有许多，常用的有Silicon Graphics公司的WebSpace、Cosmo Palyer，Sony公司的Community Place，Intervista公司的World View等等。以Cosmo Palyer 2.0为例，它是一种内嵌于Netscape中的VRML浏览器。当调用.wrl文件时，Cosmo Palyer会自动识别该文件的类型，并在Netscape窗口中建立三维的操作环境。窗口底部有导航控制仪表盘，用来移动、观察三维对象，实现交互操作。Cosmo Palyer 2.0的导航控制仪表盘如图1所示。
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图1 Cosmo Palyer 2.0的导航控制仪表盘
2 构造基本氨基酸的三维模板
蛋白质大分子结构数据来自布鲁克海文蛋白质数据库(The Brook Haven Protein Data Bank-PDB)，从万维网上免费下载(ftp://pdb.pdb.bnl.gov)。在PDB数据库中，生物大分子的结构是通过特定的记录格式，以原子空间坐标值和对于其连接形式、连接顺序等的描述来表示的。根据PDB蛋白质数据库的结构、数据格式以及VRML语法规则，我们的建模步骤如下：首先，用VRML编程，构造22种基本氨基酸的三维模板，把它们分别存放为独立的VRML文件；然后，再利用氨基酸模板组合成蛋白质分子的三维模型。例如，氨基酸SER线状模板的VRML程序代码如下：
＃VRML V2.0 utf8
Group{
, http://www.100md.com
children[
Shape{
appearance Appearance{
material Material{emissiveColor 1 1 1}
}
geometry IndexedLineSet{
coord Coordinate{
point[
＃11SER
7.186 2.582 8.445 ,6.500 1.584 7.565 ,5.382 2.313 6.773 ,5.213 2.016 5.557 ,5.908 .462 8.400 ,6.990 -.272 9.012
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]
}
coordIndex[
0,1,2,3,-1, ＃N-CA-C-O
1,4,5,-1, ＃CA-CB-OG
]
colorPerVertex FALSE
color Color{
color[0 1 0, ＃GREEN
1 0 0, ＃RED
]
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}
}
},Viewpoint{
position 7 1.5 12
}
]
}
把它存为文件p-ser.wrl。用VRML浏览器打开该程序文件所显示的三维图形如图2(a)所示(注：为便于打印，以下各图均作过反色等处理)。氨基酸SER中有6个原子：0 N，1 Cα，2 C，3 O，4 Cβ，5 Oγ。平面连接示意图为：
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图2 氨基酸SER模板
(a)线状模板，(b)球棒模板
对于SER的球棒模板的构建方法如下：先作出6个原子的造型，再用Extrusion节点作出圆柱将各个原子连接起来。球棒模板的程序比线状模板程序要复杂许多，这里不予列出。其显示图像如图2(b)所示。又如，图3(a)和图3(b)示出另一种氨基酸ASP的线状模板与球棒模板显示示例。
图3 氨基酸ASP模板
(a)线状模板，(b)球棒模板
3 蛋白质分子三维模型的建立
把蛋白质分子分解为4个部分：蛋白质骨干、通道残基、活动点和培养基(substrate)。对这些部分分别编写VRML文件，再通过WWWInline节点把它们结合起来。根据实际需要，创建了3种蛋白质模型，以3种不同形式描述蛋白质三维结构。它们是：线状模型、球棒模型和链状模型。
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3.1 建模前的有关约定
(a)线状模型：几何约定：(略)。颜色约定：氨基酸的结构通式可写为：
其中，
部分都同样用绿色线条表示；R中碳主链用红色表示；主链上的侧支用蓝色表示；特殊结构如环用黄色表示；氨基酸之间的连接线用白色表示。 (b)球棒模型：几何约定：原子用圆球表示；原子之间的键均以圆柱来表示。颜色约定如表1所示。表1 球棒模型的颜色约定 原子
颜色
颜色值(RGB)
O
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红色
1.00
0.00
0.00
C
淡灰色
0.75
0.75
0.75
N
淡蓝色
0.10
0.10
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1.00
S
黄色
1.00
1.00
0.00
H
白色
1.00
1.00
1.00
(c)链状模型：整个肽链用绿色的圆柱依次连接表示，每个氨基酸的位置以Cα的位置来表示。
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3.2 氨基酸模板组合成蛋白质的三维模型
按照上述方法和步骤，对以下几种大分子结构进行了三维可视化研究：(a)次皮蛋白(MINOR COAT PROTEIN，pdb数据库入口代码为1g3p)，(b)基因控制蛋白(GENE REGULATING PROTEIN，pdb数据库入口代码为3cro)，(c)一种植物种子蛋白(CRAMBIN，pdb数据库入口代码为1crn)，分别对它们建立了线状模型、球棒模型和链状模型。
图4(a)、(b)、(c)分别是植物种子蛋白CRAMBIN的线状空间结构模型、球棒模型和链状模型的显示图形。可以通过鼠标操作在空间任意一点以任意角度对蛋白质分子进行观察分析,观察过程中可以改变显示形式。图4(a)、(b)、(c)所示为浏览该模型时从任意一个视角观察，并改变显示形式所抓取到的3个图形。
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图4 CRAMBIN的空间结构模型
(a)线状空间结构模型，(b)球棒状空间结构模型，(c)链状空间结构模型
4 VRML的主要特点
可重复使用性能够允许在一个造型内部定义模块，从而反复使用，构成整个造型。或者可将已有的完整造型放大或缩小后加入到另一个造型中。这样可以大大减少开发者的工作量，也使得一些大的复杂的场景构建起来比较容易。
可扩充性使用script节点扩展VRML的功能，实现各种特殊的要求。使用proto节点还可以定义一个新的节点类型。这些都为用户对VRML的扩充提供了可能和广阔的空间。
多媒体功能VRML的虚拟世界中可以包含声音、纹理图像、电影等，这使得整个场景更加生动、逼真。
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具有网络链接功能VRML可实现虚拟世界之间的链接，从一个虚拟世界可以直接进入到另一个虚拟世界。还可以实现HTML文档与VRML之间的链接或者其他有效MIME类型的对象链接，甚至在HTML文件内部也能插入VRML场景。
正是由于VRML具有以上特点，它正在被日益广泛地应用于各个领域。
参考文献：
[1]施寅,周保芳,赵志勇.VRML2.0使用速成.北京：清华大学出版社，1998
[2]陶慰孙.蛋白质分子基础.北京：高等教育出版社,1995
[3]夏云.Internet实用技术与生物医学应用.北京:军事医学科学出版社,1997
收稿日期：1999-03-24, 百拇医药