Protein-Ligand-Bindung und MD-Simulation
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Ligand: kleines Molekül, das sich in die Bindetasche eines Proteins einlagert
- gehalten von vielen schwachen Wechselwirkungen
- Wasserstoffbrücken, hydrophobe Kontakte, ionische Wechselwirkungen, π-Stacking
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MD-Simulation: berechnet über ein Kraftfeld die Bewegung aller Atome über die Zeit
- Ergebnis: eine Trajektorie aus Einzelbildern (Frames)
- Wechselwirkungen bilden sich, lösen sich, verschieben sich
- Frage: welche Wechselwirkungen bestehen stabil, welche nur kurzzeitig?
t0
t1
tn
Von MD zu IFP via ProLIF
| IFP | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 |
|---|
Zwei Aggregationsformen: zeitbasiert und strukturbasiert
Aufeinanderfolgende identische Fingerprints werden zu einem Eintrag zusammengefasst, die Zahl der Frames bleibt als Häufigkeit erhalten.
Wie lange besteht ein Bindungszustand am Stück? Die Reihenfolge bleibt.
Identische Bitmuster werden unabhängig von ihrer zeitlichen Lage gruppiert. Jede Gruppe ist ein wiederkehrendes Bindungsmuster, in dieser Arbeit Structural IFP genannt.
Welche Muster gibt es und wie dominant sind sie? Die Zeitachse geht verloren.
Das Bachelorprojekt: ein erster Dashboard-Prototyp
- Konzept: Analyse-Dashboard in drei Spalten, Kontrollpanel, Visualisierungstabs, 3D-Viewer
- Architektur: FastAPI-Backend mit IFPSession, React-Frontend, REST dazwischen
- Visualisierungen: serverseitig mit Matplotlib gerendert, als Bilder übertragen
- 3D-Viewer: einzelner Trajektorie-Frame als PDB, dargestellt mit 3Dmol.js
- Linked-View: Residue im Netzwerk wählen, Hervorhebung im 3D-Viewer
Datenfluss und gemeinsamer Auswahlzustand
Rund 26 Endpunkte in vier Gruppen: Sitzung und Dateien, Berechnung, Daten der Einzelansichten, Daten der Vergleichsansichten.
Hervorgehobene Residues, aktiver aggregierter Fingerprint (bestimmt den Frame im 3D-Viewer), ausgewählte Structural IFPs.
Jede Ansicht erhält den Zustand als Eigenschaft und meldet Änderungen zurück. Antworten des Backends werden im Browser zwischengespeichert, ein Tab-Wechsel löst keine Anfrage aus.
Structural IFPs und Farbsystem
Exakte Gruppierung identischer Bitmuster, sortiert nach Häufigkeit. Der Rang ist der Name, der häufigste Fingerprint der Gruppe ist der Referenzframe für den 3D-Viewer. Beantwortet T3.
Die häufigsten Structural IFPs erhalten je eine Farbe, höchstens zwölf. Jeder weitere bekommt die Farbe seines nächsten Nachbarn, mit wachsender Hamming-Distanz blasser und dunkler. Residues werden nach chemischer Klasse gefärbt.
Automatisch erzeugte weitere Farbtöne (nicht unterscheidbar) und zyklische Wiederholung der Palette (zwei verschiedene Muster, eine Farbe). Die Deckelung macht die Wahrnehmungsgrenze sichtbar, ein Regler stellt sie ein.
Neue Ansichten: Structural-IFP-Tabelle und UMAP-Karte
T3 Rang, Musterstreifen, abgedeckte Frames, Anteil als Balken, Residues in Klassenfarben. Wenige Structural IFPs decken den Großteil ab, dann eine lange Reihe seltener Muster.
Limitierung Eine Liste sagt nichts darüber, welche Muster einander ähneln.
T4 UMAP sucht eine 2D-Anordnung, in der die nächsten Nachbarn im Hamming-Raum benachbart bleiben. Radius = Frames, Farbe = Structural IFP, optional der zeitliche Pfad.
Limitierung Die Achsen tragen keine Bedeutung, nur lokale Nachbarschaft ist verlässlich. Welche Interaktion zwei Nachbarn trennt, bleibt offen.
Verlaufsansichten jetzt interaktiv und gekoppelt
T2, T3 Häufigkeit je zeitbasiert aggregiertem Fingerprint. Das Farbband darunter bringt beide Aggregationsformen in eine Darstellung: wenige dominante Structural IFPs, zu bestimmten Zeiten eingenommen.
Interaktion Ziehen setzt einen Bereichsfilter, der Distanzmatrix, Frame-Regler und Tabelle mit einschränkt. Kennzahlen werden neu berechnet, nicht nur abgeblendet.
T4, T2 Paarweise Hamming-Distanzen, Zellen auf Canvas, Achsen und Fadenkreuz als SVG darüber. Zoom verändert Zeilen und Spalten stets gemeinsam, damit die Diagonale ihre Lesart behält.
Entfernt Die automatische Residue-Auswahl beim Klick auf einen Structural IFP. Sie erzeugte systematisch falsche Treffer, weil zwei Auswahlachsen vermischt wurden.
Vergleich zweier Liganden: sechs Kodierungen auf drei Ebenen
Six-Lane Fingerprint-Ebene
Welche Zustände teilen beide Liganden, und an welchen Stellen der jeweiligen Trajektorie liegen die Übereinstimmungen?
Sechs Spuren, drei je Ligand, Fingerprints in zeitlicher Reihenfolge. Eine Linie verbindet Paare unterhalb der Schwelle, die Farbe kodiert identisch oder ähnlich sowie innerhalb oder zwischen den Liganden. Layout des Basispapers, Interaktivität ergänzt.
Von rund 36.700 Verbindungen entfallen etwa 34.900 auf ähnliche Paare innerhalb eines Liganden. Sie würden die rund 830 Verbindungen zwischen den Liganden überdecken und sind daher zu Beginn ausgeblendet.
Kreuzmatrix Structural-IFP-Ebene
Welcher Structural IFP des einen Liganden entspricht welchem des anderen?
Zeilen: häufigste Structural IFPs von MC-LR, Spalten: die von MC-LF. Zellfarbe kodiert die Ähnlichkeit, Rahmen markieren identische und ähnliche Paare nach den Schwellen der Analyse.
Wechsel von der Fingerprint- auf die Structural-IFP-Ebene. Mehrere hundert Fingerprints je Ligand ergäben ein unlesbares Geflecht.
Voreingestellt dreißig je Ligand, vorhanden sind 322 und 249. Ein Regler macht die Auswahl sichtbar. Und wie die Distanzmatrix zeigt sie, wie ähnlich, nicht worin.
Bipartiter Graph Structural-IFP-Ebene
Welche Structural IFPs haben beim anderen Liganden überhaupt einen Partner? Ein Knoten ohne Kante hat keine Entsprechung, das ist ein unmittelbarer Befund.
Dieselbe Matrix als Graph. Linke Spalte MC-LR, rechte MC-LF, Radius nach Verweildauer. Eine Kante nur unterhalb eines einstellbaren Schwellwerts, Deckkraft nach Ähnlichkeit.
Eine Kante ist eine Ja-Nein-Entscheidung, die Abstandsverteilung geht verloren. Ein isolierter Knoten sagt nicht, welche Interaktion ihm fehlt. Das beantwortet erst der Belegungs-Scatter.
Geteiltes Embedding Structural-IFP-Ebene
Die kompakteste Gesamtaussage: wo sich beide Farben mischen, nehmen beide Liganden denselben Bereich ein. Einfarbige Bereiche gehören einem Liganden allein.
UMAP auf der Vereinigung der Muster beider Liganden, dadurch sind die Abstände über beide hinweg vergleichbar. Farbe = Ligand, Radius = Verweildauer.
Die Vorbehalte der Einzelkarte wiegen hier schwerer. Ob zwei Punktwolken überlappen, hängt auch von der Verteilung durch das Verfahren ab. Die Karte gibt einen ersten Eindruck, den Kreuzmatrix oder bipartiter Graph bestätigen müssen.
Residue-Belegungs-Scatter Interaktionsebene
Welche einzelne Interaktion unterscheidet einen Liganden vom anderen?
Je Interaktion die frame-gewichtete Belegung: x für MC-LR, y für MC-LF. Punkte auf der Diagonale nutzen beide gleich stark, der Abstand zur Diagonale misst den Unterschied. Beschriftet werden die acht größten Abstände, einstellbar per Regler.
Jede Interaktion steht für sich. Zwei Liganden können in jeder Interaktion ähnlich belegt sein und trotzdem völlig verschiedene Kombinationen bilden. Das zeigt erst das Chord-Diagramm.
Chord-Diagramm Interaktionsebene
Welche Residues haben gleichzeitig Kontakt zum Liganden?
Residues auf einem Kreis, ein Bogen je Paar mit gemeinsamem Auftreten, Stärke nach frame-gewichtetem Anteil je Ligand. Vier Modi: der größere Wert, Ligand 1, Ligand 2 oder der Betrag der Differenz. Voreingestellt die 600 stärksten Bögen.
Radiale Balken je Residue. Sie zeigten die Kontakthäufigkeit, aber nicht die Paarbeziehung, um deretwillen die Ansicht existiert.
Der Interaktionstyp geht verloren, nur paarweises Auftreten, Zeitbezug vollständig aggregiert.
Beidseitiger 3D-Viewer und räumliche Differenzkarte
An welchen Stellen der Bindetasche unterscheiden sich die Liganden? Die sechs Kodierungen benennen Unterschiede, der Viewer verortet sie.
Zwei Bereiche übereinander, oben MC-LR, unten MC-LF. Je Residue die Summe der Belegungsdifferenzen: Vorzeichen = stärker nutzender Ligand, Betrag = Stärke. Färbung vom neutralen Grau zur Identitätsfarbe. Drei Kopplungen: Differenzkarte, Hover-Linking, Sprung auf den Referenzframe.
Divergierende Skala Rot-Weiß-Blau wie in Surfaces. Die Identitätsfarben halten die Bedeutung über alle Vergleichsansichten gleich. Ebenso verworfen: nur den aktiven Liganden zeigen und umschalten.
Die Summe verdeckt gegenläufige Beiträge: Wasserstoffbrücke bei einem, hydrophober Kontakt beim anderen Liganden, gleich häufig, erscheint unauffällig. Keine Superposition beider Posen.
Backup: Gesamtoberfläche des Prototyps
