Лаборатория кристаллографии макромолекул

• ЛКМ Главная страница
• Библиотека публикаций

Данные заметки содержат обзор работ, выполненных в ЛКМ ИМПБ РАН. Информация об исследованиях других авторов по данной тематике может быть найдена в указанных ниже оригинальных статьях.

Разработка программного обеспечения для задач кристаллографии макромолекул

(1979-2002)

      Разработка и поддержка программного обеспечения для задач кристаллографии макромолекул является одним из основных направлений деятельности ЛКМ. Эта деятельность началась с постановки двух стандартных пакетов программ для белковой кристаллографии [1,2], обеспечивающих два первых шага в расшифровке структуры - расчет значений фаз структурных факторов и расчет синтезов Фурье. Следует заметить, что для тех лет эта задача не была простой. Приспособление полученных от зарубежных коллег программ к имеющейся в НИВЦ АН СССР вычислительной технике потребовало существенных усилий, причем как программистов, так и персонала, обслуживавшего эту технику.

      Следующий программный проект был связан с постановкой программ для уточнения атомных моделей макромолекул. Эта деятельность началась с постановки программы уточнения Агарвала (Agarwal). Эта программа была построена на наиболее перспективных (на тот момент времени) принципах, в частности, включала эффективный алгоритм расчета структурных факторов. Однако эта программа не позволяла контролировать стереохимические параметры уточняемой модели. Поэтому для реальной работы ([4]) ее приходилось использовать попеременно с другими программами, "восстанавливающими" правильную стереохимию. В связи с этим в лаборатории стартовал проект по модернизации этой программы и, в частности, включению в нее возможности контроля стереохимических параметров модели. Этому проекту не суждено было закончиться. Приезд в Пущино на годовую конференцию НИВЦ АН СССР сотрудника ЦЭМИ АН СССР К.М.Кима и его рассказ об идеях быстрого дифференцирования коренным образом изменили ход событий. Стало ясно, что предложенный Агарвалом алгоритм расчета градиента для конкретного "рентгеновского" критерия является лишь частным случаем совершенно общей ситуации: для любой функции любого числа переменных вектор ее градиента может быть рассчитан за то же время, что и одно значение функции. Эта идея привела к выработке общего подхода к построению программ уточнения, работающих с любыми типами параметров модели и любыми контролируемыми критериями. Результатом такого осмысления ситуации стали разработка и создание программного комплекса FROG, обладавшего уникальными (на момент его создания) функциональными возможностями и скоростью работы [3, 5-11, 17, 19]. В частности, этот комплекс позволил работать с моделями вирусов на весьма слабых компьютерах [12]. К сожалению, в начале 90-х годов работы по развитию этого комплекса были свернуты.

      Появление в лаборатории персональных компьютеров создало принципиально новые потенциальные возможности по визуализации изучаемых объектов. Однако эти возможности не поддерживались существующим на то время "кристаллографическим" программным обеспечением. В связи с эти в лаборатории были разработаны программы, обеспечивающие возможности расчета на PC синтезов Фурье и их визуальный анализ [13-16]. Несмотря на прошедшие с тех пор 10 лет, колоссальный рост производительности компьютеров и появление большого количества разнообразных графических программ в кристаллографии, эти программы не до конца утратили свое значение и сейчас. Хотя первоначально эти программы предназначались для работы на PC AT 286 без математического копроцессора.

      Некоторые результаты работы по созданию программного обеспечения суммированы в диссертации Е.А.Вернословой [20-21].

      В конце 90-х годов сотрудниками лаборатории была начата разработка серии вспомогательных кристаллографических программ с интерфейсом, построенным на основе стандартов Tcl/Tk [25-27].

      Упомянутые выше программы никоим образом не исчерпывают список программ, разработанных и созданных в ЛКМ. Как правило, разработка всех ведущихся в лаборатории проектов завершалась созданием соответствующего программного обеспечения разрабатываемого метода.

24 марта 2003
В.Ю.Лунин

Публикации

Полные тексты публикаций

Лунин В.Ю. (1979). "Комплекс программ "Быстрое преобразование Фурье". Материалы по математическому обеспечению ЭВМ, ФОРТРАН, 3, НЦБИ АН СССР, Пущино


Лунин В.Ю. (1979). "Фазовая программа Тен Эйка". Материалы по математическому обеспечению ЭВМ, ФОРТРАН, 4, НЦБИ АН СССР, Пущино


Лунин В.Ю. (1982). "Оптимизация расчета структурных факторов в кристаллографии белка". Препринт, НЦБИ АН СССР, Пущино.


Кузин А.П., Уржумцев А.Г. (1983). "Уточнение кристаллической структуры актиноксантина при разрешении 1,8Å МНК в обратном пространстве". VI Всесоюзный симпозиум по химии белков и пептидов, Рига, ноябрь 1983, Тезисы докладов, 186.


Лунин В.Ю., Уржумцев А.Г. (1983). "Конструирование программ для уточнения атомной структуры макромолекул на базе алгоритмов быстрого преобразования Фурье и быстрого дифференцирования". Препринт, НЦБИ АН СССР,Пущино.


Lunin, V.Yu. & Urzhumtsev, A.G. (1985). "Program construction for macromolecule atomic model refinement based on the fast Fourier transform and fast differentiation algorithms". Acta Cryst., A41, 327-333.


Уржумцев А.Г., Лунин В.Ю., Вернослова Е.А. (1988). "Комплекс программ FROG". Материалы по математическому обеспечению ЭВМ, ФОРТРАН, 10, НЦБИ АН СССР, Пущино.


Уржумцев А.Г., Лунин В.Ю., Вернослова Е.А. (1989). "FROG - комплекс программ для локального уточнения атомной структуры макромолекул". В сб. "Компьютерные методы белковой инженерии", Программное обеспечение ЭВМ, Институт математики АН БССР, Институт биоорганической химии, 86, 86-97, Минск..


Urzhumtsev, A.G., Lunin, V.Yu. & Vernoslova, E.A. (1989). "FROG - high-speed restraint-constraint refinement program for macromolecular structure". J.Appl.Cryst., 22, 500-506.


Urzhumtsev, A.G., Lunin, V.Yu. & Vernoslova, E.A. (1990). "New refinement program FROG gives new possibilities to study macromolecular models". Proc.of the First Intern. Meeting on Structure and Chemistry of Ribonuclease, Moscow, USSR, December 1989, 410-415.


Urzhumtsev, A.G. (1991). "How to calculate planarity restraints". Acta Crys. A47, 723-727.


Моргунова Е.Ю., Михайлов А.М., Уржумцев А.Г., Вайнштейн Б.К. (1992). "Строение капсида CMtV при разрешении 6Å в кристаллическом состоянии". Кристаллография, 37, 2, 396-404.


Vernoslova, E. & Lunin, V. (1992). "FAN Scalar Field Analysis", Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallograph, 27, 35.


Vernoslova, E. (1992). "FFT Discrete Three-Dimensional Fourier transform". Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallography, 27, 36.


Vernoslova, E. & Lunin, V. (1992). "CAN Comparative Analysis of three-dimensional Functions". Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallograph, 27, 37.


Vernoslova, E.A. & Lunin, V.Yu. (1993). "The FROG PC series: programs for electron-density and model investigation for proteins", J.Appl.Cryst., 26, 291-294.


Vernoslova, E.A. & Urzhumtsev, A.G. (1994). "Current development in the program package FROG for atomic model refinement". Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallograph, 30, 27-28.


Urzhumtsev, A.G. & Podjarny, A.D. (1994). "Programs for translation searches with two independent models simultaneously". J.Appl.Cryst., 27, 122-124.


Ivanov, M.E. & Urzhumtsev, A.G. (1995). "FROG PC - a menu-based environment for atomic model refinement program on a personal computer". Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallograph, 31, 20-22.


Вернослова Е.А. (1996). "Разработка и применение программного обеспечения для задач белковой кристаллографии". Автореферат диссертации на соискание ученой степени к.ф.-м.н., ОНТИ ПНЦ РАН, Пущино.


Вернослова Е.А. (1996). "Разработка и применение программного обеспечения для задач белковой кристаллографии". Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н., Институт Кристаллографии РАН, Москва.


Urzhumtsev, A.G. (1996). "Relations between some rotation descriptions for molecular replacement procedure". Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallograph, 32b, 43-46.


Urzhumtseva, L.M. & Urzhumtsev, A.G. (1996). "Tcl/Tk-based programs. I. CONFOR - user-friendly converter for crystallographic data files". Joint CCP4 and ESF-EACBM Newsletter on Protein Crystallograph, 32b, 40-42.


Urzhumtsev, A.G., Skovoroda, T.P. & Lunin, V.Yu. (1996). "A procedure compatible with X-PLOR for the calculation of electron-density maps weighted using an R-free-likelihood-based approach". J.Appl.Cryst., 29, 741-744.


Urzhumtseva, L.M. & Urzhumtsev, A.G. (1997). "Tcl/Tk-based programs. II. CONVROT: a program to recalculate different rotation descriptions". J.Appl.Cryst., 30, 402-410.


Urzhumtseva, L.M. & Urzhumtsev, A.G. (1998). "Programs Tcl/Tk based crystallographic software : current state and new programs". CCP4 Newsletter on Protein Crystallograph, 35, 22-24.


Urzhumtseva, L.M. & Urzhumtsev, A.G. (1999). "Tcl/Tk based programs. III. CRITXPL: graphical analysis of the X-PLOR refinement log-files". J.Appl. Cryst., 32, 376-377.