分子構造を 3D で観察しよう (1)

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一般的な話題

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こんにちは、アセトアミノフェンです。今回から数回にわたり、さまざまな方法で分子の 3 次元構造を観察する方法をご紹介しようと思います。もちろん簡単な分子であれば手で分子模型を組み立てることもできますが、複雑なタンパク質のような分子になるとそうはいきません。そこで、コンピュータを使って 3D モデルを作成する方法を、いろいろと紹介してみます。第1回は、Protein Data Bank に公開されているタンパク質や核酸の構造を表示し、画像として保存するまでの手順です。

Protein Data Bank について

はじめに、タンパク質や核酸の 3 次元構造のデータを集めた国際的なデータベースである Protein Data Bank にアクセスしてみましょう。このデータベースは米国の構造バイオインフォマティクス研究共同体 (RCSB) によって管理されています。日本では大阪大学が管理するミラーサイトがあり、こちらでも全く同じデータベースにアクセスすることができます。

日本語サイトのほうはアクセスすればすぐに情報を見つけることができると思いますので、今回は米国のサイトにアクセスしてみます。本記事のテーマは 3D モデルの表示なので、サイトの内容の詳細は省略します。

ページの一番上に検索窓がありますので、試しに「1bna」と入力して検索してみてください。すると、以下のようなページに移動します。

右のほうに Download Files という項目がありますので、今回は PDB File (Text) をクリックします。これで 1bna.pdb というファイルをダウンロードできます。1bna というのは、PDB に登録された構造ひとつひとつに割り当てられた固有な番号のひとつで、この場合は B 型の DNA の構造が保存されています。どのような構造なのかは、あとで表示したときに確認することにしましょう。

PDB ファイルを表示しよう

PDB ファイルというのは分子の 3 次元構造を保持しているのですが、実は中身はテキストファイルです。メモ帳やテキストエディットで中身を表示すれば、PDB ファイルの作成者の情報とともに、元素の種類や座標が事細かに記述されていることが分かります。ここでは PDB ファイルの情報を解釈して美麗な 3D モデルを表示してくれるソフトウェアを使います。

多数のフリーソフトがありますが、ここでは Windows, Mac, Linux などでまったく同じ操作性の Jmol というソフトウェアを使います。Jmol を使うにはあらかじめ Java をインストールしている必要がありますので、もしインストールされていない場合は先にインストールを済ませておきましょう。Java は Jmol を使わない場合にも、例えば無料で利用できる Marvin Sketch のような化学構造式エディタなど、ほかのソフトウェアでもよく利用されますので、インストールしておいて損は無いと思います。

Marvin Sketch のダウンロード
Marvin Sketch の使いかたは例えばこちら：日本語版公式サイト
私も少しだけ以前に解説を書いたことがあります：こちら

Jmol のダウンロード

それでは、Jmol をダウンロードしましょう。

Jmol 公式サイト

少し下に Obtain Jmol という項目が見つかります。どんな OS を使っていても、donwload link から直接ダウンロードできる zip ファイルで問題ありません。

解凍してみると、中に入っている Jmol.jar がメインのアプリケーションです。普通にダブルクリックで起動できます。

起動すると、黒い画面と一緒にスクリプト・コンソールという画面が出てきます。Jmol は直感的な操作ができる黒い GUI ウィンドウのほかにコマンドで操作するウィンドウを持ち、コマンドのほうがより細かい調節に向いています。今回はなるべく日本語版の GUI を使うようにします。

さて、先ほどダウンロードした PDB ファイルを黒いウィンドウにドラッグアンドドロップしてみましょう。すると、図 A のように表示されるはずです（見やすいようにドラッグして少し回転してあります）。

らせん状の構造の周りに浮いている赤い点は水分子で、水素原子はかかれていません。というのも、構造を決定するために用いられた X 線回折法では、原理的に水素原子の位置を決定することができないからです。今回は水分子を表示せず、メインの DNA 分子だけを表示してみましょう。

Jmol の上部のメニューから「表示 > 選択 > 水」と進みます。特に画面では変化しませんが、これで水分子全てが選択されます。そこで「表示 > 原子 > なし」をクリックすると、水分子の赤い点が消えます。これで図 B のように DNA の核酸分子だけが残りました。

モデル化された図を見てみると、2 本の鎖が右巻きらせんの形をしています。この構造が、生体内の DNA 分子がとる最も一般的な構造で、B 型 DNA と呼ばれます。2 本の鎖の間に平行に向き合って生えている五角形や六角形は塩基対です。

少しモデルのスタイルを変更してみます。まだ今は水分子を選択した状態ですので、今度は核酸分子に切り替えましょう。「表示 > 選択 > 核酸」と進みます。続いて黒い部分を右クリックすると、またメニューが現れます。ここで「スタイル > モデルの表示方法 > CPK 空間充填」とクリックすると、図 C のような元素の種類によって色分けされた空間充填モデルに変化します。赤が酸素、青が窒素、オレンジがリン、グレーが炭素です。

画像として保存

モデルを画像として保存してみましょう。こうすると、プレゼン用資料に貼り付けるのに便利です。

上部のメニューから「ファイル > エクスポート > 画像として書き出し」を選択すると、ファイル名と保存先を聞かれますので、適当に指定して保存しましょう。画像の種類は PNG が劣化しづらいのでお勧めしたいのですが、Jmol 14.2.12 では保存に失敗するようでした（おそらくバグです）。でも、PNG で保存したい場合は、Jmol の機能ではなくスクリーンショット機能を使えば大丈夫です。