Alcuni di questi programmi producono direttamente i videoclip (in genere in formato AVI, MP4 o GIF animato), altri producono i singoli frames (immagini-fotogramma in genere in formato BMP, JPEG, PNG o GIF), i quali devono essere poi convertiti in un videoclip.

In realtà, anche quando il programma produce direttamente il videoclip, genera sempre i frames che poi cancella e, a mio modo di vedere conviene, se possibile, fare in modo che i frames non vengano cancellati e procedere sempre ed in ogni caso alla conversione manuale che ci permette di avere un maggior controllo sulla qualità finale del videoclip (ad esempio ci permette di settare il bitrate).

La prima cosa di cui abbiamo bisogno è ovviamente di una molecola. Vi sono molti modi diversi per procurarsi una molecola ed è per questo che inizieremo dal programma UCSF Chimera 1.14 il quale è estremamente versatile nell’ottenere molecole.

I dati che descrivono la struttura di una molecola sono contenuti in un file di testo che, nella maggior parte dei casi, riporta le coordinate cartesiane (x, y, z) degli atomi che compongono la struttura molecolare.

I formati sono moltissimi. Tra i più semplici vi è il formato XYZ (con estensione .xyz) di cui vediamo di seguito il contenuto relativo ad una molecola d’acqua H₂O

O -0.56829 0.83952 0.00000

H 0.40171 0.83952 0.00000

H -0.89162 1.22612 0.82879

e ad una di ammoniaca NH₃

N -2.65759 1.10817 0.00000

H -1.63759 1.10817 0.00000

H -2.99759 1.19832 0.95743

H -2.99760 0.23393 -0.40064

Chimera

Chimera legge un numero enorme di formati molecolari. Se dunque ci siamo procurati o abbiamo creato un file molecolare ci sono buone probabilità che Chimera sia in grado di aprirlo. In caso contrario possiamo utilizzare il programma OpenBabel capace di convertire uno nell’altro un numero impressionante di diversi formati molecolari.

Chimera ci permette inoltre di scaricare molecole da numerosi database chimici presenti in Rete, a patto ovviamente di conoscere la sigla con cui la molecola è classificata in quel determinato database.

Se la molecola è una proteina il formato del file è tipicamente PDB (Protein Data Bank). Proviamo ad esempio a caricare il Lisozima, un enzima che digerisce la capsula batterica e che si trova anche nella saliva umana, dove agisce come un blando disinfettante. Una veloce ricerca sul WEB inserendo la voce “Lisozima PDB” ci fornisce per il lisozima umano il codice PDB = 1REX.

In Chimera clicchiamo il menù “File > Fetch by ID..”, selezioniamo la voce “PDB”, inseriamo il codice “1REX”, clicchiamo su “Set download directory” per definire la cartella nella quale verrà scaricato il file PDB” e infine clicchiamo su “Fetch”.

Ed ecco il risultato

Coloriamo le strutture secondarie cliccando su “Tools > Depiction > Color Secondary Structure”

Se invece la molecola non è una proteina possiamo scaricarla dal database PubChem, a patto di conoscere il numero identificativo CID della molecola di nostro interesse. Proviamo ad esempio a caricare il Paracetamolo (Tachipirina). Una veloce ricerca sul WEB inserendo la voce “Paracetamolo PubChem CID” ci fornisce il codice PubChem CID = 1983.

Usiamo sempre il menù “File > Fetch by ID..”, ma selezioniamo la voce “PubChem”, inseriamo il codice “1983” e clicchiamo su “Fetch”.

Ed ecco il risultato

*****

Un altro modo per ottenere una molecola in Chimera è conoscerne il codice SMILES (Simplified Molecular Input Line Entry System) una breve stringa di testo in grado di descrivere la struttura molecolare. Anche le stringhe SMILES delle molecole sono facilmente recuperabili in internet.

Proviamo ad esempio a caricare la Caffeina. Una veloce ricerca sul WEB inserendo la voce “Caffeina SMILES” ci fornisce la stringa SMILES CN1C=NC2=C1C(=O)N(C(=O)N2C)C.

Usiamo il menù “Tools > Structure Editing > Build Structure”.

e sulla finestra che compare selezioniamo la voce “SMILES string”, incolliamo la stringa SMILES che abbiamo trovato e clicchiamo su “Apply”.

Ed ecco il risultato

Una volta ottenuta la molecola è ovviamente possibile salvarla nel formato PDB tramite il menù “File > Save PDB..” o nel formato Tripos-Sybyl tramite il menu “File > save mol2…” in modo da poterla utilizzare con altri programmi.

*****

In alternativa Chimera ci permette di costruire la molecola ex novo. In realtà, come vedremo, esistono programmi che presentano Editor molecolari più semplici che permettono di costruire molecole in modo decisamente più agevole di quanto non faccia Chimera.

Per costruire una proteina ex novo usiamo ancora il menù “Tools > Structure Editing > Build Structure” e nella finestra che compare selezioniamo la voce “peptide”. Nella finestra “Peptide sequence” dobbiamo inserire una sequenza di amminoacidi usando per ciascuno di essi la corrispondente sigla.

Amminoacido	Lettera
Alanina	A
Arginina	R
Asparagina	N
Acido aspartico	D
Cisteina	C
Acido glutammico	E
Glutammina	Q
Glicina	G
Istidina	H
Isoleucina	I
Leucina	L
Lisina	K
Metionina	M
Fenilalanina	F
Prolina	P
Serina	S
Treonina	T
Triptofano	W
Tirosina	Y
Valina	V

Ad esempio, per una sequenza Alanina-Cisteina-Glicina-Metionina-Istidina dovremo inserire la sequenza ACGMH e poi cliccare su “Apply”.

Si aprirà un’ulteriore finestra che ci permetterà di regolare gli angoli Φ e Ψ che caratterizzano le diverse strutture secondarie (alfa elica, foglietto beta etc). Di “defoult” gli angoli sono quelli dell’alfa elica.

Clicchiamo su “Apply” ed il risultato è il seguente peptide avvolto ad alfa elica

In modo simile è possibile costruire un DNA o un RNA. Sempre dal menù “Tools > Structure Editing > Build Structure” nella finestra che compare selezioniamo la voce “Helical DNA/RNA”. Nella finestra “Sequence” dobbiamo inserire una sequenza di Nucleotidi usando per ciascuno di essi la corrispondente sigla.

DNA → Adenina (A) Timina (T) Guanina (G) Citosina (C)

RNA → Adenina (A) Uracile (U) Guanina (G) Citosina (C)

Proviamo infine a costruire una molecola disegnandola pezzo per pezzo. In questo caso l’editor di Chimera non è dei più semplici e richiede la conoscenza da parte dell’utente della geometria (tetraedrica, trigonale, lineare) e del numero di legami che i diversi elementi chimici devono presentare all’interno di una certa molecola. Clicchiamo sempre il menù “Tools > Structure Editing > Build Structure” e nella finestra che compare selezioniamo “Atom” e clicchiamo su “Apply”.

Nella finestra di visualizzazione comparirà un atomo di He, già selezionato, che rappresenta l’inizio della nostra nuova molecola e che noi andremo a cambiare.

Ritorniamo alla finestra “Build Structure” e, lasciando selezionata la voce “atom” cambiamo il menù in alto da “Start structure” a “Modify Structure” che ci permette di cambiare l’atomo (o gli atomi selezionati) in altri tipi di atomi (altri elementi chimici).

Nella Casella “Change selected atoms to…” ci viene proposto il Carbonio (C) con 4 legami (4 bonds) e una geometria tetraedrica. Accettiamo la proposta e clicchiamo su “Apply”. L’atomo di He si trasforma in un atomo di C con 4 legami già saturati da Idrogeno: una molecola di metano CH₄.

Selezioniamo uno degli atomi di Idrogeno con un “ctrl + clic sinistro” (clicchiamo sull’idrogeno col il tasto sinistro del mouse mentre teniamo premuto il tasto Control della tastiera). L’idrogeno selezionato si illumina di verde. Nella finestra “Build Structure” clicchiamo ancora “Apply” per sostituire l’idrogeno selezionato con un atomo di C con 4 legami già saturati da Idrogeno: una molecola di etano CH₃ CH₃

Selezioniamo un altro atomo di idrogeno e sostituiamolo con un atomo di Carbonio con 3 legami ed una geometria Trigonale planare. Nella Casella “Change selected atoms to…” cambiamo il tipo di atomo di C e poi clicchiamo “Apply”.

La molecola ottenuta non è corretta. Un Carbonio trigonale deve necessariamente essere impegnato in un doppio legame (ad esempio con un atomo di Ossigeno o con un altro atomo di Carbonio Trigonale). Selezioniamo dunque uno dei suoi idrogeni e sostituiamolo con un altro atomo Trigonale. La molecola ottenuta è l’1-butene (un alchene).

Purtroppo Chimera non mostra i legami multipli (doppi e tripli).

Ora sostituiamo uno degli idrogeni terminali dell’alchene con un ossidrile (-OH). L’Ossigeno ossidrilico è Tetraedrico ma ha solo due legami. Modifichiamo quindi la casella “Change selected atoms to..” selezionando “Element = O” “Bonds = 2” e “Geometry = Tetrahedral” e, dopo aver selezionato l’atomo di Idrogeno da sostituire, clicchiamo su “Apply”.

Ora sostituiamo due degli idrogeni terminali dell’alchene con due gruppi amminici (-NH₂). L’Azoto amminico è Tetraedrico ma ha solo tre legami. Modifichiamo quindi la casella “Change selected atoms to..” selezionando “Element = N” “Bonds = 3” “Geometry = Tetrahedral”.

Per selezionare due atomi di idrogeno clicchiamoci sopra con il tasto sinistro, prima su uno e poi sull’altro, tenendo contemporaneamente premuto i tasti Control-Shift e, dopo aver selezionato i due atomi di idrogeno da sostituire, clicchiamo su “Apply”.

Trasformiamo infine uno dei due gruppi amminici in un gruppo nitro (-NO₂). Selezioniamo entrambi gli atomi di idrogeno legati all’Azoto e sostituiamoli con un Ossigeno con un solo legame.

Salviamo la molecola in formato Sybyl (mol2) tramite il menù “File > save mol2..” e riapriamola con un altro programma per vedere se viene letta correttamente. Possiamo usare ad esempio ArgusLab 4.01 che è in grado di visualizzare i legami multipli e persino la risonanza all’interno del gruppo nitro.

Ora che abbiamo visto come procurarci una molecola proviamo ad animarla e a trasformarla in un videoclip.

*****

Tuttavia, prima di iniziare a lavorare con l’animazione è opportuno regolare la dimensione della finestra che determinerà la dimensione in pixel (larghezza e altezza) del videoclip. In generale sarebbe opportuno che larghezza e altezza fossero entrambe multiple di 2 per non dare problemi ad alcuni codec video (in particolare per il formato mp4). Nell’immagine che segue abbiamo ricaricato il Lisozima e la finestra è stata ridimensionata a 416 x 328 pixels (i valori appaiono alla base della finestra mentre si ridimensiona).

Nel caso in cui il ridimensionamento manuale sia difficoltoso è possibile aprire la Console a Linea di Comando cliccando sul menù “Tools > General Controls > Command Line” e digitare il comando “windowsize” seguito dai valori desiderati di larghezza e altezza in pixels e dal tasto “invio” da tastiera.

Usando il mouse disponiamo ora la molecola nella posizione che desideriamo:

- Clic sinistro + trascina = rotazione

- Clic destro + trascina = zoom (movimento asse z)

- Clic centrale + trascina = traslazione (movimento piano xy)

Ora possiamo aprire la finestra “Animazione” cliccando sul menù “Tools > Utilities > Animation”

Clicchiamo sul bottone verde in alto a sinistra con il segno + per aggiungere la prima scena (un’immagine della molecola come si presenta nella finestra del programma).

Clic destro sulla scena per aggiungerla alla Timeline

Clic sinistro sull’icona “Roll” per selezionare la rotazione come tipo di animazione e poi clic sinistro sul segno + in basso a sinistra per aggiungere l’animazione Roll alla Timeline

Tasto destro sull’icona della rotazione nella Timeline e dal menù pop-up selezionare “Property” per far comparire la finestra che ci permetterà di definire le caratteristiche della rotazione.

Nella casella “Duration in frames” dobbiamo inserire il numero di frames utilizzati dall’animazione per effettuare una rotazione completa di 360°. Poiché il videoclip avrà un framerate di 25 fps (frame per secondo), se impostiamo 25 frames la rotazione completa avverrà in 1 secondo, se impostiamo 50 frames la rotazione avverrà in 2 secondi, con 75 frames avverrà in 3 secondi e così via. Per molecole non troppo grandi possiamo impostare 75 frames (3 secondi per una rotazione completa).

Nella Scheda “Parameters” possiamo stabilire l’angolo di rotazione (lasciamo 360°) e l’asse intorno al quale la rotazione avverrà (x, y, z). Clicchiamo su “Okay” e ritorniamo alla finestra “Animation”.

Qui clicchiamo prima su “Play” per controllare che l’animazione avvenga correttamente e poi su “Record”.

Nella finestra “Record Animation” che si apre:

1) Su “Folder” scegliamo la cartella in cui salvare il videoclip

2) In “File name” scriviamo il nome del file che verrà salvato come videoclip

3) In “File type” scegliamo il formato video

4) In “Rendering” decidiamo se i fotogrammi verranno generati da Chimera o da Povray (un software per il raytracing)

5) Clicchiamo infine su “Advanced Options” per accedere ad ulteriori opzioni

In “Advanced Options”

1) In “Quality” scegliamo la qualità del videoclip che stiamo per produrre. A maggior qualità corrisponde naturalmente una maggior dimensione del file. Una qualità “Good” o addirittura “Medium” può dare dei buoni risultati, paragonabili ai livelli di qualità più elevati, ma generando file decisamente meno ingombranti.

2) In “Image format” scegliamo il formato grafico dei frames che verranno generati. È consigliabile il formato PNG

3) In “Additional encoding options” scriviamo “resetMode keep”. Questo fa in modo che alla fine del lavoro Chimera non cancelli tutti I singoli frames che ha generato nella cartella “C:\Temp”. In questo modo potremo eventualmente utilizzarli per ottenere un video clip con le caratteristiche da noi desiderate.

4) clicchiamo infine su “Record” per avviare il lavoro

Ed ecco il risultato, un file MP4 di 570 kB codificato in qualità “highest” (bitrate = 1531 kps)

Mentre il seguente è un file MP4 di 306 kB codificato in qualità “medium” (bitrate = 820 kbs) utilizzando Povray

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VirtualDub2: dai frames ai videoclip

Se vogliamo un maggior controllo sul risultato finale dobbiamo utilizzare I frames in formato PNG che Chimera ha lasciato nella cartella c:\Temp. Per trasformarli in un video utilizziamo il programma VirtualDub2. I frames sono numerati da 00000 a 00075. I frames 00000 e 00001 sono uguali ed il frame 00000 va cancellato. Sarà sufficiente caricare con Virtualdub2 il frame 00001 e tutti i successivi verranno automaticamente caricati.

Dal menù “Video” selezioniamo “Full processing Mode”

Dallo stesso menù clicchiamo su “Frame rate…” e impostiamo a 25 fps

Dallo stesso menù clicchiamo su “Compression…” e scegliamo ed impostiamo il codec. Selezioniamo il codec “x264 8 bit” (si noti che nella finestra a destra si avvisa che larghezza e altezza del video devono essere multipli di 2) e poi clicchiamo su “Configure”.

Dopo aver impostato il “Tuning” su “Animation”, abbiamo due opzioni: impostare il livello di qualità o impostare il bitrate

1) se impostiamo il livello di qualità allora lasciamo che il codec scelga il bitrate più opportuno. In tal caso in “Rate control” selezioniamo “Single pass – quantizer-based” e decidiamo il valore del “Quantizer” che può andare da 1 (ottimo) a 51 (pessimo). Un valore consigliato è di solito 23 (che corrisponde al livello “Medium” di Chimera)

2) possiamo decidere noi il bitrate. In tal caso in “Rate control” selezioniamo “Single pass – bitrate-based” e decidiamo il valore del Bitrate medio. Il calcolo del miglior bitrate per un certo video dipende dalle dimensioni grafiche del video (larghezza x altezza), dal tipo di video (animazione, film con scene veloci o lente etc) e dall’efficienza del Codec. Ogni codec video utilizza tipicamente un certo numero di bit per ciascun pixel che deve codificare (bpp = bit per pixel), a volte detto fattore di qualità. Ad esempio il codec x264-AVC lavora bene tra 0.1 e 0,3 bpp (in relazione al tipo di video). Utilizzando un valore medio pari a 0,2 il calcolo del bitrate è il seguente

Bitrate = larghezza x altezza x framerate x 0.2

Bitrate = 416 x 328 x 25 x 02 = 682.240 bit/s ≈ 680 kbit/s

Nel caso i frames abbiano larghezza e/o altezza con valori dispari è necessario “ritagliarli” togliendo loro un pixel. Clicchiamo sul menù “Video>Filters..” e nella scheda che si apre clicchiamo su “Add..”

Nella finestra che si apre scegliamo il filtro “Crop”. Si aprirà un’altra finestra in cui sarà possibile indicare di quanti pixel ritagliare il video a destra, sinistra, sotto e sopra. Nel nostro caso non è necessario poiché entrambe le dimensioni sono pari (416 x 238). Nel caso la larghezza fosse dispari sarebbe necessario inserire 1 o su Left o su Right. Nel caso l’altezza fosse dispari sarebbe necessario inserire 1 o su Top o su Bottom. E poi dare OK.

A questo punto clicchiamo sul menù “File>Save video..” e nella finestra che si apre scegliamo in “salva come..” il formato “MP4 MPEG-4 part 14”

Ed ecco il risultato, un file MP4 di 253 kB codificato a bitrate = 690 kps.

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PhotoScape e le GIF animate

I frames PNG possono essere utilizzati anche per creare una Gif animata che, rispetto ai file mp4, si integra con più facilità in una pagina HTML per la visualizzazione in Internet, anche se ovviamente la qualità è decisamente inferiore e le dimensioni del file maggiori.

Per trasformare i frames in una gif animata usiamo Photoscape 3.7. Apriamo la scheda “Tutto per Gif”

Selezioniamo tutti i frames PNG e trasciniamoli in Photoscape all’interno della scheda “Tutto per Gif”.

Per avere un’animazione fluida clicchiamo su “Cambia tempi” e impostiamo un delay (intervallo tra un frame a l’altro) pari a 5 centesimi di secondo. Clicchiamo su “OK” e poi su “Salva”.

Ed ecco il risultato, un file molto pesante delle dimensioni di 1,2 MB

Se vogliamo un file più piccolo possiamo ridurne le dimensioni su Photoscape al 50%.

Ed ecco il risultato, un file delle dimensioni di 420 kB

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IrfanView e la conversione a lotti (Batch) dei frames

Per ottenere GIF animate più leggere è necessario diminuire il numero di colori dei frames da 256 a 16, utilizzando IrfanView 4.54. Clicchiamo sul menù “File > Batch Conversion/Rename…” di IrfanView.

All’interno della finestra “Batch Conversion”:

1) selezioniamo la voce “GIF – Compuserve GIF” in “Output format”

2) selezioniamo “Use Advanced option” e Clicchiamo sul pulsante “Advanced”. Nella finestra che si aprirà selezioniamo “16 Colors” “use Floyd-Steinberg dithering” e “Use best color quality”

3) Individuiamo e selezioniamo i file PNG da convertire in GIF

4) Clicchiamo sul pulsante “Add” per aggiungere i file PNG selezionati alla finestra di Input

5) Selezioniamo la cartella in cui verranno salvati i file GIF generati

6) Avviamo la conversione con diminuzione del numero dei colori cliccando su “Start Batch”

Carichiamo in Photoscape i file GIF generati e convertiamoli in GIF Animate a 16 colori come abbiamo fatto in precedenza per i frames PNG. Il risultato è un file da 742 kB (invece che da 1,2 MB) e un file di dimensioni grafiche ridotte del 50% di 265 kB (invece che 420 kB).

Per avere file ancor più contenuti nelle dimensioni è necessario effettuare l’animazione in Chimera con un minor numero di frames. Ovviamente in tal caso l’animazione può risultare poco fluida ( a scatti). Si veda ad esempio la GIF animata seguente ottenuta con 36 frames (invece che con 75) con un delay di 8 centesimi di secondo (invece che 5) a 16 colori del peso di 340 kB

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Chimera (ancora)

Proviamo ora a costruire con Chimera un’animazione più complessa. Cerchiamo una proteina che contenga un gruppo non proteico (cofattore o gruppo prostetico), come ad esempio la Mioglobina, che contiene all’interno del suo avvolgimento il gruppo Eme, responsabile del trasporto dell’ossigeno.

Una ricerca in Rete inserendo la voce “Myoglobin PDB” ci fornisce il codice PDB = 1MBN. Lo inseriamo nella ricerca “Fetch” di Chimera. Il risultato è il seguente (dopo aver colorato la struttura secondaria con “Tools > Depiction > Color Secondary Structure”)

Apriamo la finestra “Animation (menu “Tools > Utilities > Animation”) e aggiungiamo la scena iniziale (clic sul segno + in alto a sinistra), aggiungendola anche alla Timeline (clic destro sulla scena “Add to Timeline”). Gli assegniamo una durata di 10 frames (clic destro > properties > 10 frames).

Ora aggiungiamo alla Timeline una rotazione (Roll) assegnadogli una durata di 50 frames.

Ora torniamo alla molecola, ruotiamola (clic sinistro + trascina) e zoomiamo sul gruppo Eme (clic destro + trascina)

Visualizziamo il gruppo Eme in “Ball&Stick”. Prima lo selezioniamo, cliccando su “Select > Residue > Hem” e poi “Actions > Atoms/Bonds > Ball & Stick”. Infine per deselezionarlo “CTRL+Clic sinistro” fuori dalla molecola. Ora selezioniamo (CTRL+clic sinistro) l’atomo di Ferro al centro del gruppo Eme e lo visualizziamo in “spacefill” cliccando su “Actions > Atoms/Bonds > Sphere”

Ora torniamo alla finestra “Animation” e aggiungiamo anche questa scena. Chimera provvederà a passare, dopo la rotazione, dalla prima scena alla seconda scena in modo fluido. Aggiungiamo alla Timeline la seconda scena un’altra volta in modo che una volta avvenuta la transizione dalla scena 1 alla scena 2, la scena 2 rimanga ferma per il numero di frames che gli assegniamo (clic destro > properties > 30 frames). Infine aggiungiamo alla Timeline nuovamente la scena 1 in modo che la molecola ritorni alla posizione iniziale e sia possibile farla girare in loop. L’animazione è composta da 130 frames: 10 per l’immagine iniziale, 50 per la rotazione, 20 per passare dall’immagine iniziale allo zoom sul gruppo Eme, 30 per il gruppo Eme fermo, altri 20 per ritornare dal gruppo Eme all’immagine iniziale.

Questo è il risultato (580 kB) utilizzando in Chimera un livello di qualità “Medium”

Possiamo usare i frames PNG per ottenere una GIF animata con Irfanview (per convertire i PNG in GIF e diminuire a 16 il numero di colori) e PhotoScape (per convertire i frames GIF in GIF Animata). In questo caso è possibile diminuire ulteriormente le dimensioni della gif animata poiché i 30 frames in cui l’animazione si ferma sul gruppo Eme sono tutti uguali. In Photoscape è possibile tenerne 1 e aumentarne il delay da 5 centesimi di secondo a 150 centesimi di secondo.

Il risultato (con un resize del 50%) è il seguente (528 kB). Praticamente un file delle stesse dimensioni dell’MP4 con una qualità decisamente inferiore.

*****

Chimera permette di generare animazioni anche registrando “in diretta” le operazioni che l’utente effettua sulla molecola. Clicchiamo su “Tools > Utilities > Movie Recorder”. Si apre la finestra “Movie Recorder” dove possiamo settare alcuni parametri prima di iniziare la registrazione.

1) In “Output format” il formato video con cui verrà codificata l’animazione

2) In “Output file” il nome del file video che verrà generato e la cartella di destinazione

3) In “Frame Options” possiamo definire la cartella in cui verranno registrati i frames, il loro formato grafico (PNG, JPEG etc)

4) Se Impostiamo “true” in “Save images on Reset” alla fine della codifica I frames non verranno cancellati e potremo riutilizzarli.

5) In “Movie Option” possiamo definire la qualità dell’animazione scegliendo tra un bitrate variabile in cui viene definito il livello di qualità desiderato e un bitrate costante.

6) A questo punto possiamo registrare, cliccando su “Record”, ciò che accade alla nostra molecola mentre la manipoliamo. È possibile anche interrompere la registrazione, cambiare molecola e riprendere la registrazione.

7) Una volta terminata la registrazione clicchiamo su “”Make movie”

Nel video clip successivo (127 kB) ho iniziato a manipolare una molecola di acido fosforico di cui ho trovato la stringa SMILES → OP(=O)(O)O in Rete inserendo la voce “Fosforico smiles”. Poi ho interrotto la registrazione ed ho ripreso costruendo una molecola di Metano, poi trasformata in Etano e poi in 1,2 etandiolo, sostituendo due atomi di idrogeno con due ossidrili.

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Chimera è infine in grado di generare animazioni a partire da traiettorie generate da simulazioni di dinamica molecolare prodotte da Chimera o da altri programmi. Tipicamente le simulazioni di dinamica molecolare studiano sia transizioni conformazionali (traiettorie) che vibrazioni locali.

Il calcolo della traiettoria di un sistema molecolare, ossia delle transizioni conformazionali della molecola in funzione del tempo, determina come variano nel tempo le posizioni, le velocità e le accelerazioni degli atomi della molecola, trattati secondo un campo di forze (Force Field) che ne descrive le energie di legame.

Chimera permette di eseguire simulazioni di Dinamica molecolare (e quindi di calcolare e animare traiettorie) utilizzando il campo di forze AMBER, formulato specificamente per descrivere proteine e acidi nucleici.

Per calcolare una traiettoria con Chimera, procuriamoci una proteina di piccole dimensioni (i calcoli di Dinamica molecolare sono piuttosto impegnativi per l’hardware), ad esempio la Crambina, una proteina presente nel Cavolo abissino. La solita ricerca in Rete inserendo la voce “Crambina PDB” ci restituisce un codice PDB = 1CRN. Lo inseriamo nella ricerca “Fetch” di Chimera. Il risultato è il seguente (dopo aver colorato la struttura secondaria con “Tools > Depiction > Color Secondary Structure”)

Clicchiamo su “Tools > MD/Ensemble Analysis > Molecolar Dynamics Simulation”. Per effettuare una simulazione di Dinamica Molecolare corretta andrebbero settati tutta una serie di parametri presenti nelle schede “Prep Structure” “Solvation” “Constrains” e “Run Parameters”. Qui noi accettiamo tutti i valori di default e clicchiamo direttamente sul pulsante “Run” presente sull’ultima scheda “Run Parameters”.

Si apriranno altre finestre alle quali daremo l’OK. La simulazione può impiegare parecchi minuti. Alla fine, se tutto va bene, comparirà la finestra “MD Movie: Dynamics Trajectory”

Spostando con il mouse il cursore triangolare si vedrà la molecola contorcersi percorrendo la sua traiettoria. Cliccando sul menu “File > Record movie…” si aprirà una finestra simile a quella già vista per la registrazione delle animazioni. Sarà sufficiente inserire il nome del file mp4 che vogliamo produrre e cliccare su “Record”. Si noti che essendo i frames di una traiettoria dell’ordine delle migliaia Chimera propone di registrarne (in “step size”) 1 ogni 4 (la proposta è diversa a seconda del numero di frames ottenuti).

La creazione del videoclip può essere fatta sia con la proteina in rappresentazione “Ribbon”, sia con la proteina in altra rappresentazione. Qui di seguito i due videoclip ottenuti in rappresentazione “Ribbon” (211 kB) e in rappresentazione “Stick” (423 kB).

Ritorniamo ora alla finestra “MD Movie: Dynamics Trajectory” e clicchiamo sul menu “File > save PDB..”. Si aprirà una finestra che ci permetterà di salvare la traiettoria sotto forma di un file PDB multiplo, contenente in sequenza tutte le conformazioni della molecola che si succedono nella traiettoria. Sarà sufficiente inserire il nome del file da salvare, attivare l’opzione “save all frames” e cliccare su “Save.

Il file PDB multiplo così salvato può essere riaperto da Chimera attraverso il menù “Tools > MD/Ensemble Analysis > MD Movie”. Nella finestra “Get Ensemble info” che si aprirà selezioniamo PDB in “Trajectory format” tra i diversi tipi di traiettorie che Chimera può leggere e andiamo poi a caricare il file cliccando su “Browse”

Ci ritroveremo con la proteina caricata e la finestra “MD Movie: PDB trajectory” aperta e pronta a generare un videoclip dal menù “File > Record movie…” come abbiamo già visto.

Il file PDB multiplo così salvato può essere riaperto e trasformato in un videoclip anche da JMol, VMD e Sirius (come vedremo più avanti). VMD può inoltre salvare la traiettoria in altri formati (DCD, CRD, TRR, XYZ), rendendola in tal modo disponibile per altri programmi.

*****

Chimera è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie in formato DCD, come ad esempio quelle prodotte da VMD-NAMD. Vedremo tra poco come utilizzare VMD per eseguire una simulazione di Dinamica molecolare che ci consentirà di generare i file DCD e PSF che usiamo qui con Chimera.

Apriamo Chimera e clicchiamo su menù "Tools > MD/Ensemble > MD Movie" e alla voce “Trajectory Format” selezioniamo "NAMD (PSF/DCD)”

Per la voce voce “PSF” clicchiamo su “Browse” e carichiamo il file “1pgb_autopsf.psf” generato da VMD/NAMD. Per la voce “DCD” clicchiamo su “Add..” e carichiamo il file “1pgb_autopsf.dcd” e clicchiamo infine su “OK”.

Ci ritroveremo con la proteina caricata e la finestra “MD Movie: PDB trajectory” aperta e pronta a generare un videoclip dal menù “File > Record movie…” come abbiamo già visto.

Il risultato è il seguente

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Jmol

In Jmol 14.30.2 apriamo il file PDB multiplo (salvato con Chimera) utilizzando il menù “File > Apri”. Nella finestra che si apre mettiamo un segno di spunta sulla voce “Accoda modelli” e apriamo il PDB multiplo.

Jmol non produce videoclip, ma i singoli frames. Creiamo all’interno della cartella di installazione di Jmol una cartella “frames” dove verranno memorizzati i frames della traiettoria generati da Jmol.

Ridimensioniamo la finestra di visualizzazione regolandola su valori pari di larghezza e altezza (per evitare problemi con il codec mp4).

Centriamo la molecola nella finestra di visualizzazione tramite “SHIFT+ doppio clic sinistro”. Per eventuali altri spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (Clic sinistro + trascina)

- Rotazione in z (Shift + clic sinistro + trascina destra/sinistra),

- Zoom (Shift + clic sinistro + trascina alto/basso)

- Traslazione (ctrl+ clic destro + trascina)

Definiamo l’aspetto della molecola (ad esempio “ball&stick”) con un clic destro all’interno della finestra di visualizzazione e clic su “Stile > Schema > Sferette e Bastoni”.

Se la Console di linea di comando non è già aperta, apriamola con un clic destro all’interno della finestra di visualizzazione e clic su “Console”.

All’interno della Console scriviamo la seguente stringa, seguita dal tasto “Invio”.

write frames {*} 350 280 "frames/all.jpg"

Nella cartella “frames” verranno scritti I fotogrammi come file all0001.jpg, all0002.jpg, all0003.jpg etc.

350 e 250 sono le dimensioni (larghezza x altezza) che abbiamo dato alla finestra di visualizzazione e che avranno i fotogrammi (ma possiamo dare qualsiasi valore).

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto.

È possibile ridefinire l’aspetto della molecola (ad esempio “Cartoon”) con un clic destro all’interno della finestra di visualizzazione e clic su “Stile > Schema > Fumetto” e rieseguire tutte le operazioni.

Il risultato è il seguente

Volendo è possibile generare anche fotogrammi in formato GIF con il comando

write frames {*} 350 280 "frames/all.gif"

e poi caricarli in PhotoScape per trasformarli in una GIF animata. Tuttavia le traiettorie presentano in genere un numero di frames così elevato che la GIF animata avrebbe dimensioni proibitive (decine di MB).

*****

Jmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie in formato DCD, come ad esempio quelle prodotte da VMD. Vedremo tra poco come utilizzare VMD per eseguire una simulazione di Dinamica molecolare che ci consentirà di generare i file DCD e PDB che usiamo qui con Jmol.

Apriamo Jmol e, come al solito, creiamo all’interno della cartella di installazione di Jmol una cartella “frames” dove verranno memorizzati i frames della traiettoria generati da Jmol. Se la Console di linea di comando non è già aperta, apriamola con un clic destro all’interno della finestra di visualizzazione e clic su “Console”.

Supponendo che i file PDB e DCD siano nella cartella “C:/PDB” all’interno della Console scriviamo la seguente stringa, seguita dal tasto “Invio”.

load trajectory "C:/PDB/1pgb_autopsf.pdb" coord "C:/PDB/1PGB_autopsf.dcd"

Definiamo l’aspetto della molecola e poi, sempre da Console, scriviamo

write frames {*} 350 246 "frames/all.jpg"

dove 350 e 246 sono le dimensioni (larghezza x altezza) che avranno i frames (ma possiamo dare qualsiasi valore).

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

*****

Allo stesso modo Jmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie in formato ARC, come ad esempio quelle prodotte, come vedremo in seguito, da Force Field Explorer tramite il programma di dinamica molecolare Tinker.

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Jmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie di ottimizzazione in formato XYZ come quelle generate, come vedremo in seguito, da MoCalc (tramite i programmi di Dinamica molecolare Mopac, Firefly e NWChem).

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Jmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche vibrazioni come ad esempio quelle generate da IQmol (tramite il programma di Dinamica molecolare Q-Chem). Più avanti vedremo come generare con IQmol il file OUT contenente le vibrazioni del Mercaptopropanone che usiamo qui con Jmol.

Avviamo Jmol e apriamo il file OUT utilizzando il menù “File > Apri”. Creiamo all’interno della cartella di installazione di Jmol una cartella “frames” dove verranno memorizzati i frames generati da Jmol. All’interno della “Console” appaiono le 28 frequenze (28 models).

Clicchiamo sul menu “Strumenti > Vibra > Inizia vibrazione”. Clicchiamo quindi sui tasti con le frecce blu in alto a destra della finestra di visualizzazione per passare da una vibrazione all’altra (il numero d’ordine della vibrazione e la sua frequenza sono mostrati sia nella parte alta che nella parte bassa della finestra di visualizzazione). Quando decidiamo di registrare su frames la vibrazione che stiamo visualizzando, scriviamo all’interno della Console la seguente stringa, seguita dal tasto “Invio”.

write vibration 1 470 290 frames/all.jpg

Se vogliamo registrare i frames relativi a due cicli completi di vibrazione il comando sarà

write vibration 2 470 290 frames/all.jpg

Tuttavia i frames di un ciclo dovrebbero essere sufficienti se mandiamo poi in loop il videoclip.

470 e 290 sono le dimensioni (larghezza x altezza) che avranno i fotogrammi (ma possiamo dare qualsiasi valore). Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

Mercaptopropanone_freq_Jmol.mp4 (11 kB)

*****

Jmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche le vibrazioni generate da MoCalc tramite Firefly o NWChem. Più avanti vedremo come generare con Firefly il file GAM (o con NWCHem il file NWO) contenente le vibrazioni del’Etanolo che usiamo qui con Jmol. Il procedimento è uguale a quello che abbiamo appena visto e il risultato è il seguente

Etanolo_Firefly(Jmol_freq).mp4 (7 kB)

Il file GAM contiene anche 39 Orbitali molecolari nel primo dei 27 modelli (mentre il file NWO contiene 20 orbitali molecolari nel primo di 26 modelli) . Per visualizzarne uno selezioniamo il primo modello con un “clic destro” sulla molecola e dal menu a comparsa scegliamo la voce “modello…” e poi “Superfici > Orbitale molecolare > n orbitale”.

Per sostituire la retinatura con una superficie solida, scriviamo il seguente comando in Console

mo fill nomesh

per rendere la superficie trasparente scriviamo il seguente comando in Console

mo translucent

Una volta visualizzato l’orbitale possiamo utilizzare lo script “movie.jmol” (che vedremo tra poco) per ottenere una rotazione della struttura. Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato per il 12° orbitale è il seguente

Etanolo_Firefly(Jmol_orb).mp4 (25 kB)

*****

Con Jmol possiamo creare frames per videoclip anche usando script. Carichiamo una molecola, ad esempio il file 1CRN.pdb della Crambina. Creiamo un file di testo e scriviamo all’interno la seguente serie di comandi

for (var i=0; i<36; i=i+1)

write image 320 240 @{"frames/movie" + ("0000" + i)[-3][0] + ".jpg"}

rotate axisangle {1 1 0} 10

end for

Lo script salva nella cartella “frames” (che deve essere stata creata all’interno della cartella di installazione di Jmol) 36 frames in formato PNG delle dimensioni di 320 x 240 pixel. È possibile cambiare, la cartella di destinazione, le dimensioni dei frames e il loro formato (è sufficiente sostituire “.jpg” con “.GIF” o “.JPG”). E’ inoltre possibile cambiare il tipo di rotazione, modificando il comando “rotate axisangle {1 1 0} 10”

Per avere una rotazione intorno all’asse X

rotate axisangle {1 0 0} 10

Per avere una rotazione intorno all’asse Y

rotate axisangle {0 1 0} 10

Per avere una rotazione intorno all’asse Z

rotate axisangle {0 0 1} 10

Per avere una rotazione intorno agli assi X e Y

rotate axisangle {1 1 0} 10

Una volta creato il file di testo contenente lo script rinominiamolo “movie.jmol”, salviamolo nella cartella di Jmol e nella Console scriviamo

script "movie.jmol"

e diamo “Invio”. Il risultato, per una rotazione attorno a X e Y, è il seguente

Crambina_Jmol_rot.mp4 (113kB)

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Jmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche vibrazioni come quelle generate da MoCalc (tramite il programma di Dinamica molecolare Mopac). Più avanti vedremo come generare con MoCalc il file MNO contenente le vibrazioni e il file MGF contenente gli orbitali molecolari dell’Urea che usiamo qui con Jmol.

Apriamo Jmol e carichiamo il file MNO (che contiene le vibrazioni) utilizzando il menù “File > Apri”. Creiamo all’interno della cartella di installazione di Jmol una cartella “frames” dove verranno memorizzati i frames generati da Jmol. All’interno della “Console” appaiono le 22 frequenze (22 models) che sono state calcolate.

Clicchiamo sul menu “Strumenti > Vibra > Inizia vibrazione”. Clicchiamo quindi sui tasti con le frecce blu in alto a destra della finestra di visualizzazione per passare da una vibrazione all’altra. Quando decidiamo di registrare su frames la vibrazione che stiamo visualizzando, scriviamo all’interno della Console la seguente stringa, seguita dal tasto “Invio”.

write vibration 1 400 246 frames/all.jpg

400 e 246 sono le dimensioni (larghezza x altezza) che avranno i fotogrammi (ma possiamo dare qualsiasi valore). Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato per la 12^ma frequenza è il seguente

Urea_freq_Jmol.mp4 (5 kB)

Sempre con Jmol carichiamo ora il file MGF (che contiene gli orbitali). La console ci informa che sono stati caricati 16 orbitali molecolari. Per visualizzare uno dei 16 orbitali, facciamo un “clic destro” sulla molecola e dal menu a comparsa scegliamo “Superfici > Orbitale molecolare > n orbitale”.

Una volta visualizzato l’orbitale possiamo utilizzare lo script “movie.jmol” che abbiamo già visto in precedenza per ottenere una rotazione della struttura. Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato per il 1° orbitale è il seguente

Urea_orbit_Jmol.mp4 (98 kB)

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VMD

Vediamo ora come VMD 1.9.3 può trasformare in un videoclip il file PDB multiplo generato da Chimera. Apriamo VMD e carichiamo il file PDB-traiettoria da menu “File > New molecule…”

Definiamo l’aspetto della molecola cliccando da menù “Graphics > Representations”. Nella finestra che si aprirà selezioniamo “Coloring Method > Secondary Structure” e “Drawing Method > New Cartoon”

Per eventuali spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (tasto R da tastiera + Clic sinistro + trascina)

- Rotazione in z (tasto R da tastiera + Clic destro + trascina),

- Zoom (tasto T da tastiera + Clic destro + trascina destra/sinistra)

- Traslazione (tasto T da tastiera + Clic sinistro + trascina)

Per ridimensionare la finestra in modo preciso, apriamo la console cliccando sul menu “Extensions > Tk Console..” e inseriamo (ad esempio) il comando

display resize 350 280

Ora clicchiamo il menu "Extensions > Visualization > Movie maker". Si aprirà la finestra “VMD Movie Generator”. Qui impostiamo la cartella di lavoro (“Set working directory”) dove VMC scriverà i frames in formato BMP dell’animazione e assegniamo un nome (“Name of movie”) al videoclip che verrà generato.

Poi clicchiamo il menu “Renderer” e selezioniamo il motore del rendering (PovRay dà i migliori risultati, ma è piuttosto laborioso, un buon compromesso è “Internal Tachyon”). In “Movie Setting” mettiamo un segno di spunta su “Trajectory” e deselezioniamo “Delete image files” in modo che al termine della creazione del videoclip i singoli frames non vengano cancellati e si possa usarli con VirtualDub2.

Dal menù “Format” è possibile scegliere il framerate e il formato (AVI o MPEG). Tuttavia VMD si appoggia per la creazione del videoclip ad un programma esterno (VideoMACH) che va installato, non sempre funziona a dovere e, non essendo freeware, mette il suo logo sul video. Meglio dunque tenere i frames e convertirli con Virtualdub2.

A questo punto clicchiamo su “Make Movie”. Al termine della creazione dei frames VMD ci avviserà che non trova VideoMACH e ci chiederà se vogliamo dirgli dove è installato. Gli diremo di NO.

Di seguito i videoclip prodotti con Virtualdub2 a partire dai frame con rappresentazione “New Cartoon” (236 kB) e “Licorice” (488 kB)

Crambina_VMD_NewCartoon.mp4

Crambina_VMD_Licorice.mp4

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VMD può caricare anche traiettorie in formato CRD (come quelle prodotte prodotte da Molby) e trasformarla in un videoclip. Come vedremo in seguito Molby genera (a partire da un file PDB) un file PSF e un file CRD. Apriamo dunque VMD e, da menu “File > New molecule…”, carichiamo il file PSF (o il file PDB) salvato da Molby. Poi carichiamo la traiettoria CRD sempre con lo stesso menu.

Definiamo l’aspetto della molecola cliccando da menù “Graphics > Representations”. Nella finestra che si aprirà selezioniamo “Coloring Method > Type” e “Drawing Method > CPK”

Ora clicchiamo il menu "Extensions > Visualization > Movie maker". Si aprirà la finestra “VMD Movie Generator”. Qui seguiamo le istruzioni che abbiamo già visto per creare un’animazione con VMD a partire da un file traiettoria in formato PDB multiplo.

Di seguito il videoclip prodotto con Virtualdub2 a partire dai frames con rappresentazione “Ball&stick”

2-amminobutanoico_VMD.mp4 (234 kB)

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Allo stesso modo VMD è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie di ottimizzazione in formato XYZ come quelle generate, come vedremo in seguito, da MoCalc (tramite i programmi di Dinamica molecolare Mopac, Firefly e NWChem). Il videoclip ottenuto è visualizzabile nella sezione dedicata a Mocalc.

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VMD è in grado di eseguire semplici simulazioni di dinamica molecolare e di produrre traiettorie in formato DCD trasformabili in animazioni sia da VMD che da BallView e Sirius.

VMD non possiede un editor molecolare, ma può solo caricare file molecolari già esistenti. Ci procuriamo dal WEB (ad esempio con la funzione Fetch di Chimera) la proteina con codice PDB = 1PGB (si tratta del dominio di legame della Proteina G dello streptococco) e la carichiamo in VMD da menu “File > New molecule…”. VMD in realtà non esegue simulazioni di dinamica molecolare ma si appoggia al programma NAMD di cui costituisce una sorta di GUI (Graphical User Interface). NAMD e tutti i suoi file devono trovarsi all’interno della cartella di installazione di VMD.

Per eseguire sul file 1pgb.pdb la simulazione di dinamica molecolare è necessario creare un file PSF per NAMD. Un file PSF (protein structure file) contiene tutte le informazioni specifiche sulla molecola necessarie per applicare un particolare campo di forza a un sistema molecolare.

Clicchiamo sul menù "Extensions > Modeling > automatic PSF Builder". Nella finestra che si aprirà aggiungiamo alla lista di “Topology Files” (cliccando su “Add”) il file "par_all36_prot.prm" che si trova nella cartella "plugins/noarch/tcl/readcharmpar1.3/" di VMD. Una volta aggiunto alla lista, selezioniamolo e clicchiamo su "Load input files".

Ora clicchiamo in sequenza su "Guess and split chains..", su "Create chains" e infine su "Apply patches..".

Ora clicchiamo sul menù "Extensions > Simulation > NAMD Grahical interface" e aggiungiamo nuovamente, cliccando su “Add” come abbiamo fatto in precedenza, il file "par_all36_prot.prm" alla lista "Parameters files".

Selezioniamo la voce "Molecolar dynamics" e clicchiamo su "Run NAMD"

Se la simulazione va a buon fine la voce “Status: Running” in fondo alla finestra “NAMDgui” diventerà “Status: ready” e all’interno della cartella “VMD” troveremo il file “1pgb_autopsf.pdb”, il file “1pgb_autopsf.psf” e il file traiettoria “1pgb_autopsf.dcd” che utilizzeremo per le animazioni.

In VMD carichiamo per primo il file traiettoria “1pgb_autopsf.dcd” e poi il file “1pgb_autopsf.pdb” entrambi tramite menu “File > New molecule…”. Trascinando il cursore che si trova alla base della finestra principale (“VMD Main”) sarà possibile visualizzare la molecola in movimento lungo la sua traiettoria.

A questo punto clicchiamo sul menu "Extensions > Visualization > Movie maker" e generiamo i frames da convertire in un videoclip, con le modalità che abbiamo già visto. Ricordiamoci in “Movie Setting” di mettere un segno di spunta su “Trajectory” e di deselezionare “Delete image files” in modo che al termine della creazione del videoclip i singoli frames non vengano cancellati e si possa usarli con VirtualDub2.

Ed ecco il risultato

1pgb_VMD.mp4 (280 kB)

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Un’altra interessante caratteristica di VMD è quella di poter convertire una traiettoria da un formato all’altro. In particolare, una volta caricata una qualsiasi traiettoria, può salvarla (tramite menu “File > Save Coordinates..”) nei formati PDB multiplo, DCD, CRD, TRR e XYZ multiplo.

Le traiettorie in formato XYZ generate tramite conversione da VMD non sempre sono corrette e compatibili con altri programmi. Per essere certi di ottenere una traiettoria XYZ corretta è necessario seguire una via un po’ tortuosa. Usiamo VMD per salvare la traiettoria in formato DCD. Carichiamo il file DCD con Chimera tramite menu “Tools > MD/Ensemble Analysis > MD Movie”. Nella finestra “Get Ensemble info” che si aprirà selezioniamo CHARMM in “Trajectory format” e andiamo poi a caricare i file DCD e PSF cliccando su “Browse” (Nel caso non si disponga del file PSF può essere creato usando Molby, come vedremo più avanti). Dalla finestra “MD Movie” di Chimera usiamo il menu “File > Save PDB…” per salvare la traiettoria in formato PDB multiplo, avendo l’accortezza di selezionare la voce “Save all frames”. Ora carichiamo il PDB multiplo con VMD e salviamolo in formato XYZ multiplo tramite menu “File > Save Coordinates..”

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VMD può generare anche semplici videoclip (rotazioni e rock&roll) su qualsiasi molecola caricata. Carichiamo ad esempio il file 1CRN.pdb della Crambina e clicchiamo il menu "Extensions > Visualization > Movie maker".

impostiamo la cartella di lavoro (“Set working directory”) dove VMC scriverà i frames. In “Movie Setting” mettiamo un segno di spunta su “Rock&Roll” (o su “Rotation about y axis”) e deselezioniamo “Delete image files” in modo che al termine della creazione del videoclip i singoli frames non vengano cancellati e si possa usarli con VirtualDub2. Dal menù “Format > Change compression settings..” impostiamo il framerate a 25 fps. Sulla voce “Movie duration (seconds)” impostiamo 4 secondi (teniamo presente che con un framerate = 25 fps e una durata di 4 secondi vengono generati 100 frames) e clicchiamo infine su “Make Movie”. Di seguito il videoclip prodotto con Virtualdub2 a partire dai frames con movimento Rock&roll.

Crambina_VMD_rock.mp4 (208 kB)

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Sirius

Vediamo ora come Sirius 1.2 può trasformare in un videoclip il file PDB multiplo generato da Chimera. Apriamo Sirius e clicchiamo sul menu “Tools > Molecular Dynamics Panel. Nella finestra che si apre carichiamo il file PDB-traiettoria da menu “File > Load concatenated file…”

Definiamo l’aspetto della molecola cliccando sul menù “Appearance > Structure rendering..”. Nella finestra che si aprirà selezioniamo la molecola nel menu a discesa in basso a sinistra, selezioniamo il “Rendering style” (ad esempio “Ball and stick”) e diamo l’OK.

Per eventuali spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (Clic sinistro + trascina)

- Rotazione in z (Shift + Clic sinistro + trascina),

- Zoom (rotella centrale)

- Traslazione (Clic destro + trascina)

Andiamo alla finestra “Molecular Dynamics Panel” e clicchiamo sul menu “Export trajectory as video..”. Nella finestra che si apre possiamo decidere se utilizzare tutti i frames o solo una parte. Settiamo il framerate a 25, diamo il nome al videoclip che verrà salvato in formato Apple QuickTime MOV.

Il file mov generato è piuttosto pesante e può essere ricodificato in mp4 usando diversi software freeware. Uno dei migliori e più efficienti è XMediaRecode, ma anche VirtualDub2 va bene.

Dallo stesso menù di “Molecular Dynamics Panel” è possibile scegliere la voce “Save trajectory as a set of POV-Ray files…”. Verrà generato un file con estensione POV per ogni frames. I file POV dovranno poi essere caricati e convertiti in frames BMP da POV-Ray. I frames BMP potranno infine essere convertiti in un videoclip con VirtualDub2.

POV-Ray è un programma di Raytracing freeware. È in grado di convertire in batch molti file POV uno di seguito all’altro. È sufficiente cliccare sul menu “Render > File Queue”, caricare tutti i file POV e dare ok.

Cambiamo ora l’aspetto della molecola. Dobbiamo nascondere la visualizzazione in “ball&stick” e attivare quella in “cartoon”.

Per nascondere la struttura atomica della molecola clicchiamo sul menù “Appearance > Show/Hide atomic structure..”. Nella finestra che si aprirà selezioniamo la molecola nel menu a discesa in basso a sinistra, attiviamo la voce “Hide” e diamo l’OK.

Per la visualizzazione in modalità “Ribbon” clicchiamo sul menù “Appearance > Show/Hide ribbon”. Nella finestra che si aprirà selezioniamo la molecola nel menu a discesa in basso a sinistra, attiviamo la voce “Show” e diamo l’OK.

A questo punto possiamo generare un altro videoclip.

Di seguito i videoclip prodotti convertendo con XMediaRecode i file MOV in mp4 con rappresentazione “Ball&stick” (324 kB) e “Ribbon” (154 kB) e POV-Ray Ribbon (226 kB) ottenuto con Virtualdub2 a partire dai frame generati da POV-Ray

Crambina_Sirius_B&S.mp4

Crambina_Sirius_Ribbon.mp4

Crambina_Sirius_Povray.mp4

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Sirius è in grado di caricare e animare anche traiettorie in formato CRD e DCD. Un programma interessante capace di produrre rapidamente traiettorie in formato CRD (AMBER) è Molby.

Proviamo ora ad utilizzare la traiettoria DCD e il file PSF che abbiamo generato con VMD

Apriamo Sirius e clicchiamo sul menu “Tools > Molecular Dynamics Panel. Nella finestra che si apre carichiamo prima il file “1pgb_autopsf.psf” da menu “File > Open Parameter file…” e scegliamo di aprire come tipo di file “CHARMM Parameter file” e poi carichiamo la traiettoria DCD “File > Open Coordinate/Trajectory file…”. Una volta caricato possiamo salvare, come abbiamo già visto, sia l’animazione in formato MOV, sia i frames come file POV-Ray.

Di seguito il videoclip prodotto convertendo con VirtualDub2 il file MOV in mp4

1pgb_Sirius.mp4

I file traiettoria DCD possono essere letti e trasformati in videoclip anche da JMOL, Pymol, Chimera e BALLView.

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Molby

Molby può caricare molecole in formato PDB (e altri formati poco usati), ma è piuttosto schizzinoso per quanto riguarda il PDB. Il più delle volte carica la molecola, ma la visualizza male. Ho notato che in genere legge bene i file PDB salvati da BALLView 1.4. Ma BALLView non è efficiente come Chimera nel procurarsi molecole e così il metodo più rapido è procurarsi la molecola con Chimera, salvarla in MOL2, caricarla in BALLView e salvarla in PDB per Molby.

Tuttavia Molby ha un editor originale, ma piuttosto efficiente con il quale è possibile costruirsi molecole o usare molecole predefinite (grazie al menu “File > Open Predefined”).

Per disegnare una catena carboniosa si seleziona il pulsante “Bond” e poi “clic sinistro + trascina” si traccia il legame tra due atomi di Carbonio.

Se poi clicchiamo nuovamente su uno dei due atomi e trasciniamo otteniamo un altro legame con un terzo atomo e così via.

Un doppio clic sull’atomo di carbonio centrale e lo sostituiamo con un atomo di ossigeno scrivendo il suo simbolo chimico nella finestra “Enter formula” che compare.

Attiviamo il pulsante “Selec” e selezioniamo entrambi gli atomi di carbonio terminali tenendo premuto il tasto Shift e cliccando prima su uno e poi sull’altro. Poi clicchiamo il menu “Edit > Add Hydrogen > Tetrahedral SP3”.

Abbiamo costruito l’etere dimetilico

Se la molecola non è troppo complessa è tuttavia più semplice fare un doppio clic sulla finestra di visualizzazione. Comparirà una piccola finestra che richiederà di inserire la formula del composto.

Ad esempio CH4 (metano) CH3CH3 (Etano) HCHO (metanale) HCOCH3 (etanale) CH3OH (metanolo) CH3OCH3 (etere dimetilico) CH3COCH3 (propanone) CH3COOH (acido acetico).

Una volta inserita, la molecola può essere modificata in modo abbastanza semplice. Proviamo ad esempio ad inserire e modificare il propano CH3CH2CH3

Con il pulsante “Rot” selezionato, il mouse può ruotare la molecola

Con il pulsante “Trans” selezionato, il mouse può traslare la molecola,

con il pulsante “Scale” selezionato, il mouse può effettuare uno zoom

Tutte queste operazioni devono essere eseguite cliccando al di fuori della molecola altrimenti spostiamo i suoi atomi e deformiamo la molecola. In questo caso si può tornare indietro cliccando sul menu “Edit > Undo”

La molecola compare completamente selezionata e colorata di rosso. Per deselezionarla basta cliccare sulla finestra di sinistra al di fuori dei suoi atomi (selezionati in blu)

Sostituiamo ora uno dei due idrogeni in C2 con un gruppo amminico (-NH2). Selezioniamo l’idrogeno, cliccando sul pulsante “Selec” e poi sull’idrogeno. In alternativa è possibile selezionare gli atomi dalla lista a sinistra. In questo caso gli atomi di idrogeno legati al Carbonio C2 sono i due che lo seguono nella lista, H4 e H5. Per una selezione multipla “Shift + clic sinistro”

Ora un doppio clic sull’idrogeno selezionato che vogliamo sostituire con un gruppo amminico e nella finestra che si apre scriviamo “NH2” (Se invece vogliamo sostituire l’atomo selezionato con un altro elemento chimico sarà sufficiente scrivere nella finestra “Enter formula” il suo simbolo chimico).

Abbiamo ottenuto una 2-propanammina. Ora, con lo stesso sistema, sostituiamo un idrogeno terminale con un gruppo carbossilico COOH.

Abbiamo ottenuto un acido 3-amminobutanoico.

Ora ottimizziamo la geometria della molecola con il comando “MM/MD > minimize…” che trova la conformazione di minima energia. Ed ora facciamo partire una simulazione di Dinamica Molecolare cliccando su “MM/MD > Molecular Dynamics..”. Nella finestra che comparirà clicchiamo su “Autoguess” e nella successiva diamo l’OK ( a meno che non si voglia cambiare il numero dei frames della traiettoria).

Trascinando il cursore sotto la molecola è possibile vedere la molecola contorcersi seguendo la sua traiettoria.

Ora salviamo la molecola e la traiettoria. Menu “File>Export..” e salviamo in formato PDB, in formato PSF e la traiettoria in formato CRD.

Ora riapriamo Sirius 1.2 e clicchiamo sul menu “Tools > Molecular Dynamics Panel. Nella finestra che si apre carichiamo prima il file PSF da menu “File > Open Parameter file…” e scegliamo di aprire come tipo di file “CHARMM Parameter file” e poi carichiamo la traiettoria CRD “File > Open Coordinate/Trajectory file…”.

Una volta caricato possiamo salvare, come abbiamo già visto, sia l’animazione in formato MOV, sia i frames come file POV-Ray.

Di seguito i videoclip prodotti convertendo con XMediaRecode i file MOV in mp4 con rappresentazione “Stick” (200 kB) e POV-Ray Stick (440 kB) ottenuto con Virtualdub2 a partire dai frame generati da POV-Ray

Butanoico_Sirius_stick.mp4

Butanoico_Sirius_POV.mp4

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PyMol

PyMol è in grado di caricare e trasformare in videoclip traiettorie in formato DCD, come ad esempio quelle prodotte da VMD. Apriamo PyMOL 1.3 e, supponendo che i file PDB e DCD siano nella cartella “C:/PDB”, carichiamo prima il file PDB, scrivendo il seguente comando all’interno della Consolle di PyMOL, seguito da “Invio”

load c:/pdb/1pgb_autopsf.pdb

E poi carichiamo il file traiettoria DCD scrivendo il seguente commando, seguito da “Invio”

load_traj g:/pdb/1pgb_autopsf.dcd

Cliccando sul pulsante “Play” è ora possibile visualizzare i movimenti della molecola che segue la sua traiettoria.

Ridimensioniamo la finestra di visualizzazione con valori pari di larghezza e altezza (ad es 320 x 240), in modo da evitare problemi con il codec AVC-HEVC per la creazione del videoclip MP4. Possiamo farlo in maniera precisa scrivendo il seguente comando in Console.

viewport 320, 240

Definiamo l’aspetto della molecola eliminando la visualizzazione “wireframe” e mostrando “cartoon”. Per eliminare la visualizzazione corrente clicchiamo su menu H (Hide) in alto a destra nella finestra “PyMOL Viewer” e selezioniamo “everything”

Ora clicchiamo sul vicino menu S (Show) e selezioniamo “Cartoon”.

Coloriamo le diverse strutture secondarie cliccando sul menu “C (Color) > by ss > Helix Sheet Loop ”

Per eventuali spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y o z (Clic sinistro + trascina)

- Zoom (clic destro + trascina alto/basso)

- Traslazione (“alt+ clic sinistro + trascina” oppure “tasto centrale + trascina”)

Ora generiamo i frames cliccando sul menù "File > Save movie as > PNG images". PyMOL ci chiederà di dare un nome alla serie di immagini e di indicargli una cartella dove salvarle.

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

1pgb_pyMOL.mp4 (246kB)

*****

Allo stesso modo PyMol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie di ottimizzazione in formato XYZ come quelle generate, come vedremo in seguito, da MoCalc (tramite i programmi di Dinamica molecolare Mopac, Firefly e NWChem). Il videoclip ottenuto è visualizzabile nella sezione dedicata a MoCalc.

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BALLView

BallView è in grado di caricare e trasformare in videoclip traiettorie in formato DCD, come ad esempio quelle che abbiamo prodotto con VMD. Apriamo BALLView 1.4 e carichiamo prima il file PDB “1pgb_autopsf.pdb” con il menù “File > Open > Structure" e poi il file DCD “1pgb_autopsf.dcd” con il menù "File > Open > Trajectory".

Definiamo l’aspetto della molecola facendo un “clic destro” sulla voce presente nella finestra “Representation” , dal menu a comparsa che si presenta selezioniamo “Modify Model”.

Nella finestra “Create a Representation” che si aprirà selezioniamo “Cartoon” in “Model Type” e “By secondary structure” in “Coloring Method”.

Se BALLView non visualizza la struttura secondaria possiamo assegnargliela cliccando sul menu “Tools > Calculate Secondary Structure”

Per eventuali spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (Clic sinistro + trascina)

- Rotazione in z (ctrl + shift + Clic sinistro + trascina)

- Zoom (shift + clic sinistro + trascina alto/basso)

- Traslazione (“clic destro + trascina”)

Il file traiettoria, precedentemente caricato, compare in alto a destra nel riquadro “Dataset”. Eseguiamo un clic destro sul file e dal menu a comparsa selezioniamo la voce "Visualize trajectory".

Nella finestra “Snapshot Visualisation” che si apre è possibile animare la molecola muovendo il cursore e scegliere (in “Start” “End”) il numero di frames da animare. È possibile salvare i frames, come immagini PNG (selezionando l’opzione) o anche come file POVray da convertire successivamente in immagini (come abbiamo già visto).

Cliccando infine su “Animate” i file PNG vengono salvati nella cartella di installazione di BALLView. Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip MP4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

1pgb_Ballview.mp4 (329kB)

1pgb_Ballview_POV.mp4 (426 kB)

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BallView possiede anche un editor per costruire molecole ex novo e un’opzione per eseguire simulazioni di dinamica molecolare che generano file in formato DCD (caricabili e convertibili in videoclip, da BALLView, ma non da JMOL, Sirius, Chimera, VMD e PyMOL che lo leggono male).

Per costruire una molecola con BALLView è necessario prima inizializzare la molecola, assegnadogli un “container” con il comando “Build > Create new molecule”. Poi facciamo un “clic destro” sulla voce presente nella finestra “Representation”. Dal menu a comparsa selezioniamo “Modify Model” e assegniamo “Ball & stick” in “Model Type” e “By element” in “Coloring Method”.

Il puntatore del mouse presenta una C poiché è pronto a disegnare un atomo di carbonio. Se vogliamo cambiare elemento clicchiamo sull’icona e scegliamo ad esempio l’ossigeno. Il puntatore ora è accompagnato da una O e se clicchiamo sulla finestra di visualizzazione compare un atomo di Ossigeno.

Clicchiamo sull’icona e verranno aggiunti all’Ossigeno gli idrogeni necessari. Abbiamo creato una molecola d’acqua. Se facciamo la stessa cosa con l’Azoto, si formerà una molecola di Ammoniaca NH₃, con il carbonio una molecola di Metano CH₄.

Ora proviamo a costruire una molecola organica più complessa. Disegniamo una catena di 4 atomi di Carbonio. Clicchiamo con il mouse e trasciniamo per formare il primo legame tra due atomi. Poi ci spostiamo fuori della struttura, clicchiamo per formare un nuovo atomo di C e trasciniamo fino a congiungerlo con un legame ad uno dei due atomi precedentemente inseriti.

Ripetiamo

Ora cambiamo elemento e scegliamo l’Ossigeno cliccando sull’icona e colleghiamo un atomo di Ossigeno in C2

Cambiamo ancora elemento, scegliamo l’Azoto e cambiamo il Carbonio C4 in Azoto con un doppio clic sul C4. Un doppio clic sul legame C-O e trasformiamo il legame semplice in un legame doppio C=O (se facciamo un altro doppio clic il legame diventa triplo e poi ancora semplice e via di seguito).

Clicchiamo sull’icona e verranno aggiunti tutti gli atomi di Idrogeno necessari. Abbiamo costruito l’Amminopropanone.

Clicchiamo sull’icona per una ottimizzazione veloce della geometria della molecola (viene ricercato il minimo di Energia utilizzando il campo di forze MMFF94). Ora centriamo la molecola nella finestra di visualizzazione, cliccando sul menu “Display > Viewpoint > Focus Camera”. Per salvare la molecola clicchiamo su menu “File > Save Structure”.

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Ora eseguiamo una simulazione di Dinamica Molecolare su una molecola di Etanolo che ci procuriamo utilizzando l’opzione SMILES di BallView. Una veloce ricerca sul WEB inserendo la voce “Etanolo SMILES” ci fornisce la stringa SMILES CCO. Clicchiamo sul menu “Build > Build from SMILES”, inseriamo la stringa SMILES e clicchiamo su “Generate” e poi su “Add”.

Clicchiamo sull’icona per una ottimizzazione veloce della geometria. Eseguiamo la simulazione di dinamica molecolare cliccando sul menu “Molecular Mechanics > Molecular Dynamics”. Nella finestra che si apre scegliamo come campo di forze MMFF94 (Amber e CHARMM sono specifici per proteine e acidi nucleici). Clicchiamo su “Browse” e diamo un nome al file traiettoria DCD che verrà generato. Facciamo partire la simulazione cliccando su “Simulate”.

Al termine della simulazione Il file traiettoria compare in alto a destra nel riquadro “Dataset”. Eseguiamo un clic destro sul file e dal menu a comparsa selezioniamo la voce "Visualize trajectory". Nella finestra “Snapshot Visualisation” che si apre è possibile salvare i frames, come immagini PNG (selezionando l’opzione) o anche come file POVray da convertire successivamente in immagini (come abbiamo già visto).

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip MP4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

Etanolo_Ballview.mp4 (103kB)

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BallView può in realtà generare animazioni su qualsiasi molecola caricata, registrando le azioni che l’utente esegue sulla molecola. Dopo aver scaricato dal sito “www.rcsb.org” il file “7znf.pdb” (che contiene un motivo proteico a “dito di Zinco”) lo apriamo in BallView. Definiamo l’aspetto della molecola facendo un “clic destro” sulla voce presente nella finestra “Representation” e dal menu a comparsa che si presenta selezioniamo “Modify Model”. Nella finestra “Create a Representation” che si aprirà selezioniamo “Cartoon” in “Model Type” e “By secondary structure” in “Coloring Method”.

Ora visualizziamo l’atomo di Zinco. Nella finestra “Structures” clicchiamo sulla molecola (7znf) in modo da aprire i sottomenu e visualizzare le sue componenti. Un clic destro sull’atomo di Zinco e dal menu che compare scegliamo “Create Representation > VDW > by element”.

Ora visualizziamo i 4 residui aminoacidici (2 Istidine e 2 Cisteine) che formano legami dativi con l’atomo di Zinco. Sempre nella finestra “Structures” clicchiamo sulla prima catena A in modo da aprire i sottomenu e visualizzare tutti gli aminoacidi di cui è composta la catena proteica. Un clic destro su “Cys 5” (La cisteina in quinta posizione) e dal menu che compare scegliamo “Create Representation > stick > by element”.

Ripetiamo l’operazione per la Cisteina in posizione 8 (“Cys 8”) e poi per le due istidine in posizioni 21 e 26 (“His 21” e “His 26”)

Ora predisponiamo la registrazione. Clicchiamo sul menu “Display” e selezioniamo la voce “Export PNG” (e/o “Export POV” se vogliamo che oltre ai frames PNG siano generati file “POV”) e “Record”.

A questo punto il programma non genera i frames, ma memorizza i movimenti a cui l’utente sottopone la molecola (rotazioni, zoom etc). Una volta che abbiamo terminato di muovere la molecola (io ho eseguito uno zoom verso l’atomo di Zinco ed una piccola rotazione per centrare la struttura) possiamo generare i frames, cliccando su “Display > Animation > Start”. Se invece non siamo soddisfatti dei movimenti eseguiti è necessario azzerare la memoria cliccando su “Display > Animation > Clear”.

Una volta generati i frames è necessario cancellare il primo frame (forse per un bug è sempre sbagliato) e poi caricare il secondo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip MP4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

ZincFinger_Ballview.mp4 (70kB)

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Le operazioni di registrazione manuale dei movimenti con BallView possono risultare macchinose e poco precise. È quindi più semplice e conveniente utilizzare degli script che automatizzano il procedimento.

Per ottenere ad esempio una rotazione di 360° di una generica molecola “molecola.pdb” che si trova nella cartella “C:/pdb” è sufficiente creare un file di testo con il seguente script Python, rinominarlo ad esempio “rotazione.py” ed eseguirlo all’interno del “Python Interpreter” di BallView

clearAll()

openFile(Path().find("C:/pdb/molecola.pdb"))

angle_step = 6

s = getScene()

m = getMainControl()

camera = Camera(s.getStage().getCamera())

getDisplayProperties().selectModel(MODEL_BALL_AND_STICK)

getDisplayProperties().selectColoringMethod(COLORING_ELEMENT)

getDisplayProperties().setDrawingPrecision(DRAWING_PRECISION_HIGH)

def my_task():

m.processEvents(1000)

s.exportPNG()

for i in range(0, 732 / angle_step):

s.rotate(angle_step, 0)

my_task()

s.setCamera(camera)

Se non è già aperto, apriamo il ” Python Interpreter” cliccando sul menu “Windows > Python Interpreter”. Clicchiamo poi sulla scheda “Scripting Mode” e qui clicchiamo su “Clear” e poi su “Load” per caricare lo script “rotazione.py” ed infine su “Run”. I frames PNG vengono generati all’interno della cartella di installazione di BallView. Il primo frame va scartato!

Di seguito il videoclip della rotazione dell’aminoacido Alanina creato caricando il secondo frame con Virtualdub2

Alanina_BALLView.mp4 (100 kB)

Lo script può essere ovviamente modificato, cambiando il nome del file PDB e della cartella che lo contiene. Se vogliamo i file POV al posto ai PNG si sostituisce “s.exportPNG()” con “s.exportPOVRay()”. Se vogliamo i file POV assieme ai PNG si aggiunge “s.exportPOVRay()”.

Inoltre, per cambiare l’aspetto della molecola, si può sostituire la stringa “MODEL_BALL_AND_STICK” con

“MODEL _STICK” o con “MODEL _VDW”.

Lo script seguente visualizza invece una proteina in modalità “Cartoon” ed esegue 4 rotazioni di 180 gradi alternativamente sugli assi Y e X.

clearAll()

openFile(Path().find("C:/pdb/proteina.pdb"))

angle_step = 6

s = getScene()

m = getMainControl()

camera = Camera(s.getStage().getCamera())

getDisplayProperties().selectModel(MODEL_CARTOON)

getDisplayProperties().selectColoringMethod(COLORING_SECONDARY_STRUCTURE)

getDisplayProperties().setDrawingPrecision(DRAWING_PRECISION_HIGH)

def my_task():

m.processEvents(1000)

s.exportPNG()

for i in range(0, 366 / angle_step):

s.rotate(angle_step, 0)

my_task()

for i in range(0, 366 / angle_step):

s.rotate(0, angle_step)

my_task()

for i in range(0, 366 / angle_step):

s.rotate(angle_step, 0)

my_task()

for i in range(0, 366 / angle_step):

s.rotate(0, angle_step)

my_task()

s.setCamera(camera)

Di seguito il videoclip della rotazione Y-X della proteina Porina (1prn.pdb) creato caricando il secondo frame con Virtualdub2

Porina_BALLView.mp4 (245 kB)

Nella mia versione di BallView è presente un bug per cui quando si lancia uno script con una modalità di visualizzazione della molecola diversa da quella dello script precedente, rimane memorizzata la modalità di visualizzazione precedente. È necessario lanciare lo script due volte di seguito per ottenere la modalità corretta.

Come abbiamo visto, BALLView, VMD e Chimera presentano semplici opzioni di Dinamica Molecolare. Esistono tuttavia programmi che sono specializzati in questo tipo di calcoli, ma richiedono in genere una complessa preparazione dei file di input per poter operare. Tra questi possiamo ricordare i freeware GROMACS, TINKER, GAMESS, MOPAC, NWCHEM. Vedremo che esistono alcuni programmi (MOCalc, Zephyr, Force Field Explorer, Gabedit, IQMol) che lavorano come interfacce grafiche (GUI) e semplificano notevolmente il lavoro.

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IQmol (Q-Chem)

IQmol può importare molecole in formato XYZ, MOL, PDB e SDF. Il formato SDF è interessante poiché è il formato con cui è possibile scaricare molecole dal database PubChem. Inoltre IQmol possiede un editor di molecole essenziale, ma piuttosto efficiente ed è in grado di comunicare via WEB con server che eseguono calcoli di dinamica molecolare usando il software Q-Chem. Q-Chem non è freeware, ma il server con cui IQmol si collega esegue gratuitamente calcoli per molecole non troppo grandi.

Vediamo le funzioni principali del programma accessibili direttamente dalle icone. Quando si clicca un’icona e la corrispondente funzione diviene attiva, l’icona si cerchia di rosso.

manipolazione molecola tramite mouse.

- Rotazione = Clic sinistro + trascina

- Traslazione = Clic destro + trascina

- Zoom = tasto centrale (rotella)

- Selezione = “Shift + clic sinistro + trascina” o “Shift + clic sinistro multiplo”

Costruzione molecola. Il secondo pulsante permette di accedere ad una tabella periodica e di scegliere l’elemento attivo.

- Clic sinistro = Se non esistono atomi crea un atomo dell’elemento attivo. Un clic su un atomo esistente lo converte nell’elemento attivo

- Clic sinistro + trascina = Se il clic parte da un atomo verso l’esterno della molecola si forma un legame e un nuovo atomo dell’elemento attivo. Se il clic parte da un atomo verso un altro atomo ad esso legato viene aumentato l’ordine di legame (il legame semplice diventa doppio e il doppio diventa triplo).

- Clic destro = eliminazione dell’atomo sotto il puntatore.

Inserimento molecole ex novo o gruppi funzionali che sostituiscono con un clic sinistro un atomo di una molecola esistente.

Aggiunta degli atomi di Idrogeno mancanti ad una molecola in via di costruzione

Minimizza l’Energia (ottimizzazione geometria) utilizzando il campo di forza definito con il menu “Build > Select Force Field”

Il primo pulsante consente di selezionare uno o più atomi con le stesse modalità di “Shift + clic sinistro”. Il secondo pulsante cancella gli atomi selezionati.

Quando viene cliccato questo pulsante, il programma chiede dove deve salvare i frames PNG (trasformabili poi in animazioni) dei cambiamenti conformazionali che avvengono sulla molecola. Ad esempio è possibile registrare il processo di ottimizzazione di una molecola e le traiettorie prodotte dalle simulazioni di Q-Chem.

Proviamo ad esempio a costruire il Mercaptopropanone e a registrare poi la fase di ottimizzazione in un’animazione.

Iniziamo a disegnare con “clic sinistro + trascina” una catena di atomi di carbonio e poi introduciamo il doppio legame eseguendo un ulteriore “Clic sinistro + trascina” tra i due atomi interessati.

Ora dal pulsante che ci permette di accedere alla tabella periodica selezioniamo l’Ossigeno e clicchiamo sull’atomo di carbonio coinvolto nel doppio legame per sostituirlo con L’ossigeno

Ora clicchiamo sull’icona per aggiungere gli Idrogeni (da questo punto in poi le fasi sono registrate nei frames e sono visibili nell’animazione che segue). Infine clicchiamo sull’icona , scegliamo un gruppo Tiolo –SH e clicchiamo su uno degli idrogeni per sostituirlo con il gruppo tiolico.

Il videoclip creato caricando il primo frame con Virtualdub2 è il seguente

Mercaptopropanone_IQmol.mp4 (34kB)

Ora Inviamo la molecola al server Q-Chem per i calcoli di Dinamica Molecolare. Clicchiamo sul menu “Calculation > Q-Chem setup”, scegliamo il tipo di calcolo che vogliamo (ad esempio “Frequencies”) e poi clicchiamo su “Submit”.

Possiamo seguire l’andamento del calcolo cliccando su “Calculation > Job Monitor”.

Alla fine del calcolo ci viene chiesto di indicare una cartella dove eseguire il download ed il salvataggio dei file di risultato. Il file ha estensione OUT e viene automaticamente caricato da IQmol.

Nella finestra “Model View” apparirà la voce “Frequencies” che contiene le varie frequenze vibrazionali calcolate da Q-Chem. Cliccando su ogni frequenza appaiono i vettori forza associati a ciascun atomo. Con un doppio clic sulla frequenza la molecola si anima ed esegue la corrispondente vibrazione.

Con un doppio clic sulla voce “Frequencies” si apre la finestra “Vibrational Frequencies” in cui possiamo regolare l’ampiezza (Amplitude) e la velocità (Speed) delle vibrazioni. Se vogliamo ottenere un videoclip delle oscillazioni è bene deselezionare la voce “Loop” in modo che vengano registrati i frames relativi ad un solo ciclo

Selezioniamo la frequenza desiderata, attiviamo il pulsante e clicchiamo sul pulsante per far partire l’animazione. È possibile registrare in sequenza più frequenze di oscillazione (verranno registrati i frames solo delle oscillazioni senza pause tra una frequenza e l’altra). Di seguito il videoclip di una singola frequenza e di più frequenze in serie creati al solito caricando il primo frame con Virtualdub2

Mercaptopropanone_freq_IQmol.mp4 (10 kB)

Mercaptopropanone_ freqs_IQmol.mp4 (332 kB)

Il file OUT generato da Q-Chem e contenente le vibrazioni viene letto e trasformato in frames (e quindi in un videoclip) anche da JMol, Gabedit e Avogadro.

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IQmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche le vibrazioni generate da MoCalc tramite Firefly o NWChem. Più avanti vedremo come generare con Firefly il file GAM (e con NWCHem il file NWO) contenente le vibrazioni del’Etanolo che usiamo qui con IQmol. Dopo aver caricato il file GAM (o il file NWO) nella finestra “Model View” apparirà la voce “Frequencies”. Il procedimento per creare i frames di una vibrazione è uguale a quello che abbiamo appena visto ed il risultato è il seguente.

Etanolo_Firefly(IQmol_freq).mp4 (5 kB)

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IQmol è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie di ottimizzazione in formato XYZ come quelle generate, come vedremo in seguito, da MoCalc (tramite i programmi di Dinamica molecolare Mopac, Firefly e NWChem). Il file XYZ contiene la traiettoria di ottimizzazione di una molecola di Etanolo in conformazione eclissata, con l’ossidrile che presenta un errato angolo di legame di 180° e l’atomo di Idrogeno opposto all’ossidrile con un legame C-H troppo lungo (infatti IQmol non riesce a leggerlo come un legame e lascia l’atomo di idrogeno isolato).

Apriamo IQmol e carichiamo il file XYZ usando il menu “File > Open”. Nella finestra “Model View” apparirà la voce “Geometries” che contiene le energie delle diverse strutture molecolari calcolate. Cliccando su ogni valore appare la relativa struttura molecolare.

Con un doppio clic sulla voce “Geometries” si apre la corrispondente finestra in cui appare il percorso di ottimizzazione.

Se vogliamo ottenere un videoclip è bene deselezionare la voce “Loop”. Clicchiamo sul pulsante e indichiamo a IQmol la cartella in cui deve salvare i frames. Clicchiamo sul pulsante per far partire l’animazione e memorizzare contemporaneamente i frames. Di seguito il videoclip creato caricando il primo frame con Virtualdub2.

Etanolo_Firefly(IQmol).mp4 (242 kB)

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Gabedit

Gabedit 2.5.0 è una interfaccia grafica (GUI) per molti programmi di Chimica Computazionale che eseguono calcoli di Meccanica molecolare, ma è anche in grado di eseguirli autonomamente. Possiede inoltre un editor molecolare molto efficiente ed amichevole ed è in grado di generare frames di animazioni, traiettorie e vibrazioni, da trasformare in videoclip.

Apriamo Gabedit e carichiamo il file Mercaptopropanone.out generato da IQmol (tramite il server Q-Chem) e contenente le frequenze vibrazionali. Clicchiamo sul pulsante “Display Geometry..”

Nella finestra “Orbital/Density/Vibration” che si aprirà clicchiamo sul menu “M > Animation >Vibration”

Nella finestra “Vibration” che si aprirà clicchiamo su “File > Read > Read a Q-Chem output file” e carichiamo il file Mercaptopropanone.out.

Ridimensioniamo la finestra “Orbitals/Density/Vibration” che mostra la molecola portandola alle dimensioni che desideriamo dare ai frames del videoclip. Sistemiamo l’aspetto della molecola con i pulsanti “Traslazione” “ Rotazioni” e “Zoom”. Selezioniamo la frequenza di vibrazione desiderata e clicchiamo sul tasto “Play” della finestra “Vibration”. Dopo aver fermato la vibrazione (tasto “Stop”) possiamo ottenerne i frames selezionando la voce “Create a film”, selezionando il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder). A questo punto la pressione del tasto “Play” anima la molecola e contemporaneamente genera i frames.

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Se i frames sono troppo grandi o hanno larghezza e altezza dispari si può usare il filtro “Crop” di Virtualdub2.

Di seguito i due videoclip ottenuti con i frames PNG e con i files POV

Mercaptopropanone_freq_Gabedit.mp4 (5 kB)

Mercaptopropanone_freq_Gabedit_POV.mp4 (9 kB)

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Proviamo ora a disegnare una molecola con l’editor di Gabedit e ad eseguire una simulazione di dinamica molecolare utilizzando il campo di forze AMBER usato da Gabedit. Apriamo l’Editor cliccando sull’icona “Draw geometry”.

Clicchiamo sull’icona “Insert/Change atoms or bond” e si attiverà automaticamente anche il pulsante sottostante “Set atom to insert” che permette di accedere ad una tabella periodica per definire l’elemento attivo. Controlliamo che sia attivato anche il pulsante “Adjust hydrogens” in modo che vengano automaticamente aggiunti gli atomi di Idrogeno necessari.

Ovviamente di “default” l’elemento attivo è il Carbonio. Un “clic sinistro” genera quindi un atomo di Carbonio con i suoi 4 idrogeni (metano CH₄). Se l’elemento attivo fosse l’Ossigeno si formerebbe una molecola d’acqua H₂O, se fosse l’Azoto avremmo una molecola di ammoniaca NH₃. Un “clic sinistro + trascina” genera 2 atomi di carbonio legati da un legame semplice con i loro atomi di idrogeno (Etano CH₃CH₃). Un “clic sinistro” su di un atomo lo sostituisce con l’elemento attivo (completo dei suoi idrogeni), mentre su di un legame ne aumenta l’ordine di legame ( da semplice a doppio, da doppio a triplo, da triplo a semplice) modificando automaticamente il numero di atomi di idrogeno legati.

Proviamo a costruire una molecola. Clic sinistro è compare una molecola di metano CH₄. Prima di procedere conviene centrarla sulla finestra di visualizzazione, cliccando sull’icona “Optimal camera” e portarla in primo piano eseguendo uno zoom dopo aver cliccato sull’icona .

Riclicchiamo sul pulsante e poi clicchiamo su un atomo di idrogeno per sostituirlo con uno di Carbonio (completo dei suoi idrogeni).

Clicchiamo due volte sul legame C-C per trasformarlo in un triplo legame (otteniamo una molecola di Etino HC≡CH).

Gabedit ha aggiornato il numero di atomi di Idrogeno, ma non la geometria che dovrebbe essere lineare. Clicchiamo ora sull’icona , scegliamo l’Ossigeno e andiamo a sostituire un atomo di Idrogeno dell’Etino con un atomo di Ossigeno completo di Idrogeno (un Ossidrile OH).

Abbiamo ottenuto una molecola di Etinolo, ma l’ossidrile dovrebbe presentare un angolo di legame, mentre è lineare. Il risultato sarebbe stato migliore se avessimo sostituito l’idrogeno con l’ossidrile prelevato dai gruppi funzionali (residui) già pronti. Proviamo a farlo. Clicchiamo sull’icona “Insert a fragment” e dalla finestra che si apre apriamo il menu “Functionals” e scegliamo “Hydroxy” (come si può vedere vi sono numerosi gruppi funzionali già pronti da poter inserire in una molecola in costruzione).

Ora clicchiamo sull’altro idrogeno e lo sostituiamo con l’ossidrile.

Abbiamo ottenuto una molecola di Etindiolo, la cui geometria ha tuttavia bisogno di essere ottimizzata (piegando un ossidrile e rendendo lineare il triplo legame C-C). Facciamo un clic-destro sulla molecola e dal menu che compare scegliamo “Amber potential > Optimization”. Il risultato non è del tutto soddisfacente. L’ossidrile si è piegato (ma la lunghezza dei due legami O-H è diversa), ma non abbiamo raddrizzato il triplo legame C-C. Il risultato sarebbe migliore se usassimo i programmi esterni di Dinamica molecolare a cui Gabedit si appoggia. Un risultato migliore si otterrebbe facendo un clic destro e scegliendo dal menu che compare “(semi-)Empirical > Mopac Optimization”. Mopac è un programma di dinamica molecolare freeware che ha tuttavia bisogno di richiedere una password gratuita per essere installato ed ha una procedura di installazione non semplicissima. Il risultato è comunque il seguente

Mopac genera anche un file con estensione AUX che contiene tutte le strutture analizzate nel corso del’ottimizzazione ad energia via via decrescente che Gabedit carica automaticamente e mostra in un grafico.

Cliccando su ogni punto viene automaticamente mostrata la struttura corrispondente.

Il file AUX può essere ricaricato da Gabedit e trasformato in un’animazione che ripercorre tutte le strutture analizzate lungo il percorso di convergenza. Clicchiamo il pulsante “Display Geometry..” e nella finestra “Orbital/Density/Vibration” che si aprirà clicchiamo sul menu “M > Animation > several geometries (Convergence/IRC)”. Nella finestra “Multiple geometries” che si aprirà clicchiamo su “File > Read > Read a Mopac aux file” e carichiamo il file AUX precedentemente generato. Come abbiamo già visto in precedenza, selezioniamo la voce “Create a film”, selezioniamo il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder). A questo punto la pressione del tasto “Play” anima la molecola e contemporaneamente genera i frames. Il risultato, ottenuto convertendo i frames con virtualdub2, è il seguente.

Etindiolo_Gabedit.mp4 (20 kB)

Il file AUX può essere caricato, animato e trasformato in un videoclip anche da Molden, come vedremo più avanti.

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Il processo di ottimizzazione può esser fatto in modo più semplice ed efficace facendo un clic destro e scegliendo dal menu che compare “(semi-)Empirical > OpenBabel Optimization”. OpenBabel è un programma Freeware in grado di eseguire conversioni di formati molecolari, ma anche di eseguire ottimizzazioni. È sufficiente installarlo in “C:\OpenBabel” (Gabedit lo cerca lì e non c’è verso di fargli cambiare le cartelle dove sono installati i programmi a cui si appoggia anche se in teoria ci permette di farlo). OpenBabel può usare in alternativa 3 campi di forza (MMFF94, UFF e GHEMICAL). Con MMFF94 e UFF il risultato è molto buono.

È tuttavia possibile che I metodi di ottimizzazione finiscano per trovare un “minimo relativo o locale” di energia potenziale e che esistano altre conformazioni ad energia minore. È possibile allora usare le opzioni di Dinamica molecolare di Gabedit per cercare altri conformeri. Costruiamo ad esempio con l’Editor di Gabedit una molecola di Etano in conformazione eclissata, con i 3 idrogeni anteriori che ricoprono i 3 idrogeni posteriori. Per farlo dobbiamo cliccare sull’icona “Move selected atom” che ci permette di trascinare gli atomi in una posizione diversa. Quindi sostituiamo due atomi di idrogeno sovrapposti con due atomi di Iodio, fino ad ottenere una molecola di 1,2-diIodoetano in conformazione eclissata-syn (la meno stabile perché gli atomi sono troppo vicini).

Ora facciamo un clic-destro sulla molecola e dal menu che compare scegliamo “Amber potential > Optimization”. Otteniamo la conformazione sfalsata-gauche che tuttavia non è la più stabile, ma rappresenta un minimo relativo di energia potenziale.

Eseguiamo una ricerca di altre conformazione. Un clic-destro sulla molecola e dal menu che compare scegliamo “Amber potential > Molecular Dynamics Conformational search”. Nella finestra che si apre scegliamo la cartella (Folder) in cui verranno salvati i files prodotti dalla simulazione (“Conf.gab” con le conformazioni trovate e “Traj.gab” con la traiettoria percorsa dalla molecola). Andiamo sulla scheda successiva “Molecular Dynamics” e mettiamo un segno di spunta sulla voce “Save trajectory in” in modo che la traiettoria si salvi nel file “Traj.gab”.

A questo punto clicchiamo su “OK” e osserviamo la molecola contorcersi mentre il programma simula un aumento di Temperatura per farla uscire dal minimo locale di energia alla ricerca di altri minimi (conformazioni). Al termine viene creato il file “Conf.gab” che Gabedit carica in automatico in cui sono presenti due conformazioni: quella ad energia più alta è la “Sfalsata-gauche” da cui eravamo partiti, mentre quella ad energia più bassa e la “sfalsata-anti” con in due atomi di Iodio in posizioni opposte.

Il file “Traj.gab”può essere ricaricato da Gabedit e trasformato in un’animazione che ripercorre tutte le strutture analizzate durante la simulazione. Clicchiamo il pulsante “Display Geometry..” e nella finestra “Orbital/Density/Vibration” che si aprirà clicchiamo sul menu “M > Animation > Molecular dynamic trajectory”. Nella finestra che si aprirà clicchiamo su “File > Read > Read a Gabedit file” e carichiamo il file “Traj.gab” precedentemente generato. Come abbiamo già visto in precedenza, selezioniamo la voce “Create a film”, selezioniamo il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder). A questo punto la pressione del tasto “Play” anima la molecola e contemporaneamente genera i frames. Il risultato, ottenuto convertendo i frames con virtualdub2, è il seguente.

diIodoEtano_Gabedit.mp4 (154 kB)

Dal menu della stessa finestra che abbiamo usato per creare i frames possiamo infine scegliere “File > Save as PDB file” e salvare la traiettoria come file “PDB multiplo” che può essere letto e trasformato in un videoclip da Chimera, Sirius, JMOL e VMD (come abbiamo già visto).

Di seguito il videoclip ottenuto con VMD.

diIodoEtano_Gabedit_(VMD).mp4 (155 kB)

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Allo stesso modo Gabedit è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie di ottimizzazione in formato XYZ come quelle generate, come vedremo in seguito, da MoCalc (tramite i programmi di Dinamica molecolare Mopac, Firefly e NWChem). Il file XYZ va caricato cliccando il pulsante “Display Geometry..” e nella finestra “Orbital/Density/Vibration” che si aprirà cliccando sul menu several geometries (Convergence/IRC)”. Nella finestra “Multiple geometries” che si aprirà clicchiamo su “File > Read > Read a XYZ file”. Come abbiamo già visto in precedenza, selezioniamo la voce “Create a film”, selezioniamo il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder). Il videoclip ottenuto è visualizzabile nella sezione dedicata a MoCalc.

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Gabedit è in grado di creare anche semplici videoclip di molecole in rotazione. Clicchiamo il pulsante “Display Geometry..” e nella finestra “Orbital/Density/Vibration” che si aprirà clicchiamo sul menu “M > Geometry > Read the geometry from a pdb file” per caricare un file PDB, ad esempio una molecola di ammoniaca NH₃. Clicchiamo ora sul menu “M > Animation > Rotation”. Come abbiamo già visto in precedenza, selezioniamo la voce “Create a film”, selezioniamo il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder). Impostiamo il valore di “Number of rotation by Cicle” a 50 in modo che una rotazione completa avvenga in 50 frames (e dunque poiché poi setteremo il framerate a 25 fps, la rotazione e il videoclip dureranno 2 secondi).

A questo punto la pressione del tasto “Play” anima la molecola e contemporaneamente genera i frames. Il risultato, ottenuto convertendo i frames con virtualdub2, è il seguente.

ammoniaca_Gabedit.mp4 (38 kB)

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Gabedit legge e può trasformare in animazioni anche i file AUX generati da Mopac tramite MoCalc. ). Più avanti vedremo come generare con MoCalc il file AUX che usiamo qui con Gabedit. Ma in questo caso il file AUX contiene informazioni sia sulla traiettoria di ottimizzazione, sia sulle frequenze vibrazionali che sugli orbitali molecolari. Apriamo dunque Gabedit, clicchiamo sul pulsante “Display Geometry..” e nella finestra “Orbital/Density/Vibration” che si aprirà clicchiamo sul menu “M > Animation > several geometries (Convergence/IRC)”. Nella finestra “Multiple geometries” che si aprirà clicchiamo su “File > Read > Read a Mopac aux file” e carichiamo il file AUX precedentemente generato. Come abbiamo già visto in precedenza, selezioniamo la voce “Create a film”, selezioniamo il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder).

Per visualizzare le frequenze vibrazionali riapriamo lo stesso file AUX utilizzando il menu “M > Animation > vibration” Nella finestra “Vibration” che si aprirà clicchiamo su “File > Read > Read a Mopac aux file” e carichiamo il file AUX. Scegliamo una frequenza e procediamo come abbiamo fatto in precedenza per la traiettoria di convergenza.

Infine per visualizzare gli orbitali molecolari riapriamo il file AUX utilizzando il menu “M > Orbitals > Read Geometry and orbitals from a Mopac aux file”. Un doppio clic su uno degli orbitali che ci vengono presentati nella finestra “Orbitals” e poi “OK” fino ad ottenere la rappresentazione dell’orbitale.

Clicchiamo ora sul menu “M > Animation > Rotation”. Come abbiamo già visto in precedenza, selezioniamo la voce “Create a film”, selezioniamo il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder). Impostiamo il valore di “Number of rotation by Cicle” a 50 in modo che una rotazione completa avvenga in 50 frames (e dunque poiché poi setteremo il framerate a 25 fps, la rotazione e il videoclip dureranno 2 secondi).

Di seguito i videoclip di una frequenza vibrazionale e di un orbitale molecolare (in POVray) ottenuti convertendo i frames con virtualdub2.

Urea_freq_gabedit.mp4 (3 kB)

Urea_orbit_gabedit.mp4 (74 kB)

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Gabedit è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche le vibrazioni generate da MoCalc tramite Firefly o NWChem. Più avanti vedremo come generare con Firefly il file GAM (e con NWCHem il file NWO) contenente le vibrazioni del’Etanolo che usiamo qui con Gabedit. Clicchiamo sul pulsante “Display Geometry..” e nella finestra “Orbital/Density/Vibration” che si aprirà clicchiamo sul menu “M > Animation > vibration”. Nella finestra “Vibration” che si aprirà clicchiamo su “File > Read > Read a Gamess output file” per caricare il file GAM oppure su “File > Read > Read a NWChem output file” per caricare il file NWO . Gabedit non ci propone di cercare file con estensione GAM o NWO per cui è necessario selezionare l’asterisco (*) nel menu in basso a destra di selezione del tipo di file mostrati in modo che ci vengano mostrati i file con tutte le estensioni.

Carichiamo il file GAM (o il file NWO), scegliamo una frequenza e procediamo come abbiamo fatto in precedenza. Il risultato è il seguente.

Etanolo_Firefly(Gabedit_freq).mp4 (4 kB)

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Il file GAM generato da Firefly e il file NWO generato da NWChem contengono anche orbitali che Gabedit è in grado di visualizzare. Riapriamo quindi il file GAM utilizzando il menu “M > Orbitals > Read Geometry and orbitals from a Gamess output file” (o il file NWO utilizzando il menu “M > Orbitals > Read Geometry and orbitals from a NWChem output file”). Una volta aperto il file procediamo come abbiamo fatto in precedenza per gli orbitali contenuti nel file AUX. Una volta ottenuta la rappresentazione dell’orbitale clicchiamo sul menu “M > Animation > Rotation”. Come abbiamo già visto in precedenza, selezioniamo la voce “Create a film”, selezioniamo il formato dei frames (meglio PNG o POV) e la cartella dove verranno salvati (Folder). Impostiamo il valore di “Number of rotation by Cicle” a 50 in modo che una rotazione completa avvenga in 50 frames (e dunque poiché poi setteremo il framerate a 25 fps, la rotazione e il videoclip dureranno 2 secondi). Il risultato è il seguente.

Etanolo_Firefly(Gabedit_orb).mp4 (50 kB)

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OpenMM Zephyr e Gromacs

OpenMM Zephyr 2.0.3 è una Interfaccia Grafica (GUI) per il programma freeware di Chimica computazionale Gromacs che esegue calcoli di Dinamica Molecolare essenzialmente su strutture proteiche. Zephyr va installato in C:\Zephyr e contiene già al suo interno Gromacs. Se è installato, Zephyr si interfaccia con VMD e lo carica durante la simulazione, utilizzandolo per visualizzare la traiettoria.

Le simulazioni di dinamica molecolare su grosse molecole proteiche possono durare diverse ore, quindi scegliamo una proteina di piccole dimensioni (peptide) con codice PDB = 1FME, che scarichiamo dal sito www.rcsb.org.

Apriamo Zephyr, clicchiamo sul pulsante “Browse molecule (PDB) files..” per caricare il file PDB, scegliamo la cartella (“Choose output folder”) in cui verranno salvati i file generati da Gromacs.

Andiamo infine sulla scheda “Parameters” e clicchiamo su “Simulate”. Se VMD è installato si aprirà e visualizzerà la traiettoria molecolare.

Alla fine della simulazione verranno prodotti (tra gli altri) i file “1fme_processed.box.em.md.gro”, “1fme_processed.box.em.md.tpr” e il file traiettoria “1fme_processed.box.em.md.trr”, utilizzabili per ottenere animazioni e videoclip con VMD e con Chimera.

Per ottenere un videoclip con VMD carichiamo da menu “File > New molecule” prima il file GRO e poi il file traiettoria TRR. Per ottenere i frames da trasformare in videoclip clicchiamo il menu "Extensions > Visualization > Movie maker" e seguiamo le istruzioni già viste in precedenza.

Ed ecco il risultato

peptide_Zephyr_(Gromacs-VMD).mp4 (342 kB)

Per ottenere un videoclip con Chimera clicchiamo su menù "Tools > MD/Ensemble > MD Movie" e alla voce “Trajectory Format” selezioniamo "Gromacs” e carichiamo il file TPR e il file TRR, clicchiamo infine su “OK” e seguiamo le istruzioni già viste in precedenza.

Ed ecco il risultato

peptide_Zephyr_(Gromacs_Chimera).mp4 (342 kB)

Ricordiamoci che una volta caricata una traiettoria, Chimera è in grado di salvarla in formato PDB multiplo che può essere riaperto e trasformato in un videoclip anche da JMol e Sirius.

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Force Field Explorer (FFE) e Tinker

Force Field Explorer 8.7 è una Interfaccia Grafica (GUI) per il programma freeware di Chimica computazionale Tinker che esegue calcoli di Dinamica Molecolare essenzialmente su strutture proteiche. Il programma si installa già completo di Tinker. Le simulazioni di Dinamica molecolare iniziano caricando un file PDB che verrà poi trasformato in un file XYZ in formato Tinker che contiene le coordinate della molecola e i riferimenti al tipo di Campo di Forza (Force Field) da utilizzare. Tinker può utilizzare diversi campi di forza, principalmente AMBER e CHARMM per proteine e acidi nucleici, MM2 e MM3 per molecole organiche non proteiche.

FFE-Tinker in genere non ha problemi con le proteine, mentre ha spesso difficoltà a generare i file XYZ per molecole organiche non proteiche. In quest’ultimo caso, come vedremo, è conveniente generare il file XYZ con OpenBabel o con Molden.

Proviamo ora ad effettuare una simulazione di Dinamica molecolare con la Crambina (PDB = 1CRN), una piccola proteina presente nel Cavolo abissino. Apriamo FFE, clicchiamo su “Open” e carichiamo il file “1CRN.pdb” che abbiamo precedentemente scaricato o possiamo prelevarlo direttamente dal WEB cliccando sul menu “File > Download from PDB…” e immettendo il codice della proteina “1CRN”.

Ci verrà chiesto di scegliere il campo di forza da utilizzare per i calcoli. Essendo una proteina possiamo scegliere un campo, AMBER, CHARMM o AmoebaPro.

A questo punto dobbiamo generare il file XYZ di input per Tinker. Apriamo la scheda “Modeling Commands”. Dal menu a discesa con i possibili comandi (solo 3 finché non è generato il file XYZ) scegliamo “PDBXYZ” e clicchiamo su “GO”.

Se il comando è andato a buon fine nella finestra di sinistra verrà caricato il file XYZ, mentre il menu a discesa della scheda “Modeling Commands” si arricchirà di nuovi comandi dai quali selezioniamo “Dynamic” e poi clicchiamo su “GO” per far iniziare la simulazione.

Sulla barra inferiore di osserverà lo stato di avanzamento del calcolo. Alla fine della simulazione la traiettoria viene salvata come file ARC che può essere caricato da FFE e visualizzato come animazione, ma non salvato in un videoclip. Il videoclip si può ottenere caricando il file ARC con Jmol o con Molden.

Per ottenere un videoclip carichiamo il file ARC con Jmol. Creiamo all’interno della cartella di installazione di Jmol una cartella “frames” dove verranno memorizzati i frames della traiettoria e all’interno della Console a linea di comando scriviamo

write frames {*} 368 286 "frames/all.jpg"

dove 368 e 286 sono le dimensioni (larghezza x altezza) che avranno i frames (ma possiamo dare qualsiasi valore).

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

Crambina_Tinker(Jmol).mp4 (190kB)

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Eseguiamo ora un’altra simulazione con Tinker, usando una molecola non proteica, ad esempio una molecola di Etanolo CH₃CH₂OH in formato PDB.

In questo caso la conversione in formato Tinker XYZ con FFE incontra problemi. È necessario effettuare la conversione con OpenBabel, che produce un file Tinker XYZ settato per utilizzare un force Field MM2 o con Molden che carica il PDB con il pulsante “Read” e lo salva come XYZ (Force Field MM3) con il pulsante “Write > Tinker” all’interno della sua cartella di installazione.

Apriamo FFE, clicchiamo su “Open” e carichiamo il file “Etanolo.xyz”. Ci verrà chiesto di scegliere il campo di forza da utilizzare per i calcoli. Scegliamo MM2 o MM3 a seconda che il file XYZ sia stato ottenuto con OpenBabel o con Molden. Apriamo la scheda “Modeling Commands” e dal menu a discesa dei comandi scegliamo “Vibrate”. Nella casella in cui indicare quali vibrazioni vogliamo calcolare scriviamo “A” (A = All = tutte) ed infine facciamo partire la simulazione cliccando su “GO”.

Al termine della simulazione verrà creato un file per ciascuna vibrazione con estensione .001 .002 . 003 etc

Apriamo Jmol e carichiamo uno dei file-vibrazione. Jmol lo vedrà come “animazione” e non come “vibrazione”. Per vedere il movimento clicchiamo sul menu “Strumenti > Anima > palindromo”. Per ottenere i frames scriviamo nella Console

write frames {*} 320 240 "frames/all.jpg"

dove 320 e 240 sono le dimensioni (larghezza x altezza) che avranno i frames (ma possiamo dare qualsiasi valore).

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

Etanolo_Tinker(Jmol).mp4 (11 kB)

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Molden

Anche Molden (oltre a Jmol) è in grado di trasformare una traiettoria in formato ARC in un videoclip. Apriamo dunque Molden e clicchiamo sul pulsante “Read” per caricare il file “1CRN.arc” prodotto con FFE-Tinker.

Usiamo poi il menu “Draw Mode” per definire l’aspetto della molecola. Cliccando su “Backbone” compare la strutture secondaria della proteina, mentre cliccando su “Solid” possiamo scegliere l’aspetto “Stick”, “Ball&stick” o “Spacefill” degli atomi e dei legami.

Clicchiamo sul pulsante “Movie” per vedere l’animazione. Dopo aver controllato che l’animazione avvenga correttamente, clicchiamo sul terzo pulsante centrale e nella finestra che si aprirà deselezioniamo il pulsante “Clean up snap shots when done” in modo che i frames generati da Molden non vengano cancellati una volta creata l’animazione (che Molden ci propone di registrare in un file “molden.avi”)

Ora clicchiamo sul pulsante “Record”. La registrazione partirà solo quando cliccheremo anche il pulsante “Movie”. Molden esegue infatti delle fotografie (“snapshot”) della finestra di visualizzazione della molecola solo mentre quest’ultima si anima. Quando l’animazione finisce e la molecola si ferma, clicchiamo su “Stop & Create movie”. Molden salva i frames (in formato BMP) e l’animazione all’interno della sua cartella di installazione. Molden non sempre riesce a costruire correttamente il file “molden.avi” e, quando ci riesce, si tratta di un file in formato MPEG-2, obsoleto e poco efficiente.

Una volta generati i frames sarà quindi consigliabile caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

Crambina_Tinker(Molden).mp4 (500kB)

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Allo stesso modo Molden è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche traiettorie di ottimizzazione in formato XYZ come quelle generate, come vedremo in seguito, da MoCalc (tramite i programmi di Dinamica molecolare Mopac, Firefly e NWChem). Il videoclip ottenuto è visualizzabile nella sezione dedicata a MoCalc.

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Molden legge anche i file-vibrazione che abbiamo generato con FFE-Tinker per la molecola di Etanolo.

Apriamo dunque Molden e carichiamo uno dei file-vibrazione cliccando sul pulsante “Read”. Usiamo poi il menu “Draw Mode” per definire l’aspetto della molecola. Clicchiamo sul pulsante “Movie” per vedere l’animazione. Dopo aver controllato che l’animazione avvenga correttamente, clicchiamo sul terzo pulsante centrale e nella finestra che si aprirà deselezioniamo il pulsante “Clean up snap shots when done” in modo che i frames generati da Molden non vengano cancellati una volta creata l’animazione.

Ora clicchiamo sul pulsante “Record” e poi sul pulsante “Movie”. Quando l’animazione finisce e la molecola si ferma, clicchiamo su “Stop & Create movie”. Molden salva i frames (in formato BMP) e l’animazione all’interno della sua cartella di installazione. Una volta generati i frames sarà quindi consigliabile caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto.

Il primo frame è in formato GIF, probabilmente per un bag, e può essere tralasciato. Il risultato è il seguente con l’opzione “Perspective” selezionata e deselezionata.

Etanolo_Tinker(Molden_persp).mp4 (10kB)

Etanolo_Tinker(Molden).mp4 (10kB)

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Molden è in grado di caricare e trasformare in videoclip anche le vibrazioni generate da MoCalc tramite i programmi di Dinamica molecolare Firefly o NWChem. Più avanti vedremo come generare con Firefly il file GAM (e con NWCHem il file NWO) contenente le vibrazioni del’Etanolo che usiamo qui con Molden.

Dopo aver caricato il file GAM (o il file NWO) usando il pulsante “Read”, clicchiamo sul pulsante “Frequencies > Norm. mode”. Nella finestra “Molden Frequency Select” che compare, clicchiamo sulle diverse frequenze e la molecola comincerà a vibrare di conseguenza.

Una volta soddisfatti della vibrazione visualizzata, clicchiamo sul terzo pulsante centrale e nella finestra che si aprirà deselezioniamo il pulsante “Clean up snap shots when done” in modo che i frames generati da Molden non vengano cancellati una volta creata l’animazione. Ora clicchiamo sul pulsante “Record” e poi su “Stop & Create movie”. Il risultato è il seguente.

Etanolo_Firefly(Molden_freq).mp4 (14 kB)

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MoCalc 2012 (Mopac – FireFly – Gamess – NWChem)

Mocalc è una interfaccia grafica (GUI) per numerosi programmi di Chimica computazionale e Dinamica molecolare, molti dei quali sono freeware (MOPAC, FIREFLY, GAMESS, NWCHEM). Mocalc presenta una guida dettagliata su come tali programmi devono essere installati e configurati.

Apriamo MoCalc ed eseguiamo una simulazione di Dinamica molecolare con Mopac cliccando sul relativo pulsante. Ora dobbiamo procurarci una molecola. Clicchiamo sul menu “Start”. Possiamo scegliere di caricare un molecola che già possediamo usando “Open Structure file” oppure disegnare la molecola con il comando “Draw Structure with…” utilizzando programmi di editing molecolare online (JSME, CH5M3D) o programmi installati sul nostro PC e che MoCalc ha individuato. In questo caso usiamo il comando “Import Structure from…” che ci permette di scaricare molecole da PubChem o da Protein Data Bank

Una veloce ricerca sul WEB inserendo la voce “Urea PubChem CID” ci fornisce il codice PubChem CID = 1176. Nella finestra che si apre scegliamo la voce “CID (PubChem)” inseriamo il codice “1176”, clicchiamo sulla cartella in basso a destra per scegliere la cartella in cui verrà salvato il file SDF scaricato dal sito PubChem e in cui verranno salvati anche tutti i file della simulazione. Clicchiamo infine su “Start”.

Scegliamo ora come tipo di simulazione “”Optimize + Vibrational Frequencies” e clicchiamo infine su “Run MOPAC!”.

Alla fine della simulazione verranno prodotti diversi file tra i quali utilizzeremo AUX (vibrazioni + orbitali), MNO (vibrazioni), MGF (orbitali) che potremmo caricare e trasformare in animazioni e videoclip, utilizzando Jmol e Gabedit (come abbiamo già visto). Viene anche generata una traiettoria di ottimizzazione in formato XYZ che possiamo trasformare in animazioni e videoclip utilizzando Jmol, VMD, PyMol , IQmol, Gabedit e Molden (con le modalità già viste) e che vedremo come trasformare in videoclip anche con Molekel e Avogadro.

Cliccando sul pulsante “Vibrations” viene anche generato un file JDX che contiene le vibrazioni e che MoCalc carica direttamente utilizzando Jmol (solo se Jmol è installato e abbiamo indicato a MoCalc dove trovarlo) che ci mostrerà sia la molecola che vibra, sia il grafico delle frequenze (caricato utilizzando JSpecView). Cliccando su di una frequenza sul grafico viene visualizzata la corrispondente vibrazione della molecola. Il file JDX può essere in seguito ricaricato con il menu “File >Apri” di Jmol.

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Riapriamo MoCalc ed eseguiamo una simulazione di Dinamica molecolare con Firefly cliccando sul relativo pulsante. Firefly, un tempo noto come PC GAMESS, è un programma di chimica computazionale, basato su GAMESS US. Firefly genera lo stesso tipo di file di output prodotti da Gamess. Con Firefly scegliamo di fare una ottimizzazione e quindi su “Job Type” selezioniamo la voce “ Geometry Optimization”. Ora dobbiamo procurarci una molecola da ottimizzare. Con Gabedit costruiamo una molecola di Etanolo in conformazione eclissata, con l’ossidrile con un errato angolo di legame di 180° e l’atomo di Idrogeno opposto all’ossidrile che presenta un legame C-H troppo lungo.

Clicchiamo sul menu “Start”, carichiamo l’Etanolo utilizzando il menu “Open Structure file” e clicchiamo infine su “Run Firefly!”. Alla fine della simulazione verranno prodotti diversi file tra i quali la traiettoria di ottimizazione XYZ, che possiamo trasformare in animazioni e videoclip utilizzando Jmol, VMD, PyMol , IQmol, Gabedit e Molden (con le modalità già viste) e che vedremo come trasformare in videoclip anche con Molekel e Avogadro.

Cliccando sul pulsante “Geometry Convergence” Mocalc ci presenta un grafico che mostra il percorso di convergenza della molecola attraverso tutte le strutture analizzate nel corso dell’ottimizzazione ad energia via via decrescente.

Cliccando sul menu “Animation > Play” MoCalc genera una pagina HTML che carica attraverso Jsmol, l’implementazione WEB di Jmol (ovviamente solo se Jmol è installato e abbiamo indicato a MoCalc dove trovarlo). La pagina mostra la molecola che si contorce attraverso la sua traiettoria di ottimizzazione, (avvicinando l’idrogeno troppo distante, assumendo la conformazione sfalsata e piegando l’ossidrile) mentre nel grafico sulla destra vedremo i corrispondenti valori di energia.

Cliccando invece sul menu “Animation > Save picture for movie”, MoCalc utilizza Jmol per creare dei frames in formato JPEG che possono essere trasformati in un videoclip. Di seguito il file mp4 ottenuto con Virtualdub2.

etanolo_Firefly(Jmol).mp4 (44 kB)

Mentre i seguenti sono i videoclip ottenuti (con le modalità che abbiamo già visto in precedenza) da VMD, PyMOL, Gabedit e Molden

Etanolo_Firefly(VMD).mp4 (96 kB)

Etanolo_Firefly(PyMol).mp4 (43 kB)

Etanolo_Firefly(Gabedit).mp4 (78 kB)

Etanolo_Firefly(Molden).mp4 (79 kB)

Come era già successo a IQmol, anche Jmol e Gabedit non riescono a leggere correttamente il legame C-H troppo lungo e lasciano l’atomo di idrogeno isolato.

Salviamo infine la molecola ottimizzata cliccando su “Save Output Structure…” e ricarichiamola da menu “Start > Open Structure File…”. Ora possiamo eseguire sulla molecola ottimizzata una nuova simulazione. Su “Job Type” selezioniamo la voce “ Vibrational Frequencies” e clicchiamo infine su “Run Firefly!”. Alla fine della simulazione verranno prodotti diversi file tra i quali un file GAM, che contiene le frequenze vibrazionali e gli orbitali molecolari. Il file GAM può essere trasformato (come abbiamo già visto) in animazioni e videoclip utilizzando Jmol, , IQmol, Gabedit e Molden. Come vedremo anche Molekel legge e trasforma in animazioni le vibrazioni contenute nei file GAM.

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Riapriamo MoCalc ed eseguiamo una simulazione di Dinamica molecolare con NWChem cliccando sul relativo pulsante. Proviamo ad eseguire le stesse due simulazioni che abbiamo fatto con Firefly sulla medesima molecola di Etanolo (prima una ottimizzazione e poi un calcolo delle frequenze vibrazionali sulla molecola ottimizzata). La prima simulazione genera un file XYZ (analogo a quello creato da Firefly-Gamess) contenente la traiettoria di ottimizzazione con il medesimo risultato finale. Come per Firefly la traiettoria XYZ è letta e trasformata in videoclip da Jmol, VMD, PyMol , IQmol, Gabedit e Molden (con le modalità già viste) e, come vedremo, anche da Molekel e Avogadro.

La seconda simulazione genera un file NWO che contiene, oltre alle vibrazioni, anche Orbitali molecolari. Il file NWO può essere trasformato (come abbiamo già visto) in animazioni e videoclip utilizzando Jmol, IQmol, Gabedit, Molden e Avogadro.

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Molekel

Molekel 5.4.0.8 è in grado di aprire numerosi formati molecolari tra i quali anche output di dinamica molecolare contenenti traiettorie e frequenze vibrazionali, che è in grado di trasformare in frames per animazioni. Dal menu “File > Open” carichiamo il file XYZ prodotto da Mopac, Firefly o da NWChem (tramite MoCalc) contenente la traiettoria di ottimizzazione dell’Etanolo.

Per eventuali spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (Clic sinistro + trascina)

- Rotazione in z (Ctrl + Clic sinistro + trascina),

- Traslazione (Shift + Clic sinistro + trascina)

- Zoom (Clic destro + trascina)

Clicchiamo sul menu “Animation > Per-Molecule Settings…”

Nella finestra “Animation Preferences” che si aprirà impostiamo “animation = on” e “Animation Mode = Trajectory”. Apriamo la scheda “Trajectory” della stessa finestra e scegliamo la modalità di Loop (con “Swing” l’animazione va avanti e indietro producendo un effetto più fluido).

Chiudiamo la finestra “Animation Preferences” e clicchiamo sul menu “Animation > Export Animation..” e nella finestra che si apre impostiamo la durata dell’animazione (2 o 3 secondi dovrebbero essere sufficienti, ma dipende dal numero di frames contenuti nella traiettoria e quindi bisogna fare delle prove), il framerate a 25 fps e “Output Type = Individual Frames”.

Diamo l’OK e indichiamo la cartella in cui vogliamo salvare i frames in formato PNG. Di seguito il file mp4 ottenuto con Virtualdub2.

Etanolo_NWChem(Molekel_traj).mp4 (55 kB)

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Dal menu “File > Open” carichiamo il file GAM prodotto da Firefly (tramite MoCalc) contenente le vibrazioni dell’Etanolo precedentemente ottimizzata. Clicchiamo sul menu “Animation > Per-Molecule Settings…”

Nella finestra “Animation Preferences” che si aprirà impostiamo “animation = on” e “Animation Mode = Vibration”. Chiudiamo la finestra “Animation Preference” e clicchiamo sul menu “Animation > Start Animation”. Clicchiamo nuovamente sul menu “Animation > Per-Molecule Settings…” e apriamo la scheda “Vibration”. Qui possiamo selezionare le frequenze di vibrazione e vedere immediatamente l’effetto sulla molecola. È possibile anche selezionare più frequenze contemporaneamente.

Quando saremo soddisfatti della frequenza selezionata, chiudiamo la finestra, fermiamo l’animazione e clicchiamo sul menu “Animation > Export Animation..” dove eseguiremo le stesse operazioni viste in precedenza. Il file mp4 ottenuto convertendo i frames PNG con Virtualdub2 è il seguente.

Etanolo_Firefly(Molekel_freq).mp4 (11 kB)

Il file GAM contiene anche orbitali molecolari che Molekel è in grado di visualizzare da menu “Surfaces > Electron Density…”. Nella finestra che si apre selezioniamo l’orbitale, mettiamo un segno di spunta sulla casella “Use both signs” in modo che vengano visualizzati sia i lobi positivi (blu) che quelli negativi (rossi), portiamo il valore di “step size” a 0,05 in modo che la superficie dell’orbitale sia più uniforme. Eventualmente si posso aumentare i valori “dx” “dy” e “dz” in modo che la “Bounding box” non tagli gli orbitali. Clicchiamo infine su “Generate” e su “Close”.

Applichiamo ora una vibrazione con le modalità viste in precedenza. Quando saremo soddisfatti della frequenza selezionata, chiudiamo la finestra, fermiamo l’animazione e clicchiamo sul menu “Animation > Export Animation..”. Nella finestra che si apre impostiamo la durata dell’animazione (“Total time”), il framerate a 25 fps, “Output Type = Individual Frames”, “Iso-surface Step = 0,1000” e mettiamo un segno di spunta sulle caselle “Use both signs” e “Map MEP on orbitals”. Clicchiamo “OK”.

Quando verranno generati i frames gli orbitali modificheranno la loro forma per adattarsi ai movimenti della molecola. Di seguito il videoclip ottenuto trasformando i frames con Virtaldub2.

Etanolo_Firefly(Molekel_freq+orb).mp4 (19 kB)

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Avogadro

Avogadro 1.2.0 è in grado di aprire numerosi formati molecolari tra i quali anche output di dinamica molecolare contenenti traiettorie e frequenze vibrazionali, che è in grado di trasformare in frames POV-ray per animazioni.

Apriamo Avogadro e dal menu “File > Import > Molecule File..” carichiamo il file OUT, contenente le frequenze vibrazionali del Mercaptopropanone, che abbiamo generato utilizzando un server Web Q-Chem, attraverso il programma IQmol. Alla voce “Format:” selezioniamo “Q-Chem output format”

Assieme alla molecola compare sulla destra la lista delle frequenze vibrazionali. Nella sezione “Display Types” sulla sinistra selezioniamo “Ball and Stick”.

Per eventuali spostamenti della molecola deve essere attivato il pulsante “Navigation Tool” . I comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (Clic sinistro + trascina)

- Traslazione (“Ctrl + Clic sinistro + trascina” o “clic destro + trascina”),

- Zoom (“Shift + Clic sinistro + trascina” o “Rotella centrale”)

Clicchiamo il pulsante “Start Animation” e selezioniamo le diverse frequenze finchè non troviamo quella che ci interessa.

Con la molecola in movimento clicchiamo sul menu “Extension > Animation..” e nella finestra che compare clicchiamo su “Save as Avi…”

Avogadro ci chiederà il nome del file da salvare e la cartella in cui salvarlo. In realtà con molta probabilità non riuscirà a creare il file AVI, ma nella cartella saranno registrati i file POV-Ray che potranno essere trasformati in frames BMP (con le modalità che abbiamo già visto) e quindi in un videoclip tramite Virtualdub2. Per una animazione più fluida è meglio scartare il primo frame. Il risultato finale è il seguente

Mercaptopropanone_QChem(Avogadro).mp4 (27 kB)

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Carichiamo ora il file XYZ prodotto da Mopac, Firefly o da NWChem (tramite MoCalc) contenente la traiettoria di ottimizzazione dell’Etanolo.

Apriamo Avogadro e dal menu “File > Import > Molecule File..” carichiamo il file XYZ. Alla voce “Format:” selezioniamo “Extended XYZ cartesian coordinates format”

Clicchiamo sul menu “Extension > Animation..” e nella finestra che compare clicchiamo su “Save as Avi…”. Come visto in precedenza, verranno creati dei file POV che dovremmo trasformare in frames BMP (tramite POVRay con le modalità che abbiamo già visto) e quindi in un videoclip tramite Virtualdub2. Il risultato finale è il seguente

Etanolo_NWChem(Avogadro_traj).mp4 (19 kB)

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Carichiamo infine il file NWO prodotto da NWChem (tramite MoCalc) contenente le frequenze vibrazionali dell’Etanolo precedentemente ottimizzato.

Apriamo Avogadro e dal menu “File > Import > Molecule File..” carichiamo il file NWO. Alla voce “Format:” selezioniamo “NWChem output format”

Assieme alla molecola compare sulla destra la lista delle frequenze vibrazionali. Clicchiamo il pulsante “Start Animation” e selezioniamo le diverse frequenze finché non troviamo quella che ci interessa. Con la molecola in movimento clicchiamo sul menu “Extension > Animation..” e nella finestra che compare clicchiamo su “Save as Avi…”

Avogadro ci chiederà il nome del file da salvare e la cartella in cui salvarlo. In realtà con molta probabilità non riuscirà a creare il file AVI, ma nella cartella saranno registrati i file POV che potranno essere trasformati in frames BMP (tramite POV-Ray con le modalità che abbiamo già visto) e quindi in un videoclip tramite Virtualdub2. Per una animazione più fluida è meglio scartare il primo frame. Il risultato finale è il seguente

Etanolo_NWChem(Avogadro_freq).mp4 (12 kB)

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Avogadro possiede anche un buon editor molecolare con un funzionamento analogo a quello di Gabedit. Per costruire una molecola assicuriamoci che in “Display Types” sia selezionato “Ball & Stick”. Clicchiamo sull’icona “Draw tools” che farà comparire in basso a sinistra il menu “Draw settings” in cui potremo scegliere l’elemento attivo (come al solito il Carbonio è attivo di default). Se in “Draw settings” la voce “Adjust Hydrogens” è selezionata tutti gli atomi introdotti presenteranno il giusto numero di atomi di Idrogeno. Con il Carbonio attivo un “clic sinistro” sulla finestra di visualizzazione (View) genera una molecola di Metano CH₄, con l’Ossigeno attivo un “clic sinistro” produce una molecola di H₂O, con l’Azoto attivo si forma Ammoniaca NH₃.

Il tasto “Canc” da tastiera cancella tutte le molecole.

Con il Carbonio attivo un “clic sinistro + trascina” sulla finestra di visualizzazione (View) genera un legame tra due atomi di carbonio con i relativi atomi di idrogeno (una molecola di etano CH₃CH₃), con l’Ossigeno attivo un “clic sinistro + trascina” produce una molecola di perossido di idrogeno H₂O₂, con l’Azoto attivo si forma Idrazina NH₂NH₂.

Un “clic sinistro” su di un atomo lo sostituisce con l’atomo attivo. Se clicchiamo sopra l’idrogeno di una molecola di metano CH₄ con il Carbonio attivo lo trasformiamo in una molecola di Etano CH₃CH₃. Se clicchiamo sopra un idrogeno dell’Etano con l’Ossigeno attivo sostituiamo l’Idrogeno con un Ossidrile e otteniamo l’Etanolo.

Un “clic sinistro” sopra un legame lo trasforma da semplice in doppio, da doppio in triplo e poi nuovamente da triplo in semplice. Affinchè i legami multipli (doppi e tripli) siano visualizzati la voce “Stick” in “Display Types” deve essere deselezionata!!

Se ad esempio clicchiamo sopra il legame C-O dell’Etanolo trasformiamo l’Ossidrile in un Carbonile. L’etanolo è stato trasformato in Etanale (Acetaldeide).

Per poter cliccare più agevolmente su di un legame a volte è necessario allungarlo, trascinando un atomo dopo aver cliccato sull’icona “Manipulation Tool” . Poi è necessario ricliccare sull’icona “Draw tools” .

Una volta completata la molecola è bene ottimizzarne la geometria. Scegliamo prima il “Campo di forza” da utilizzare cliccando sul menu “Extensions > Molecular Mechanics > Setup Force Field..”. I campi di forza disponibili sono “GAFF”, “Ghemical”, “MMFF94” e “UFF”. Una volta scelto il campo di forza clicchiamo sul menu “Extensions > Optimize Geometry”.

Avogadro ci consente anche di trovare in Rete il nome IUPAC della molecola con il menù “View > Properties > Molecule Properties…” (che tuttavia non funziona per tutte le molecole).

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Avogadro ci consente di ottenere molecole anche in altri modi.

1) Da menu “File > Import > Fetch from PDB…” è possibile scaricare proteine dalla Rete a patto di conoscerne il codice PDB

2) Da menu “Build > Insert > SMILES…” è possibile inserire il codice SMILES della molecola (facilmente reperibile in rete). A differenza di Chimera in cui la caratteristica funziona molto bene, in Avogadro fallisce per molecole complesse e le molecole più semplici hanno comunque bisogno di essere ottimizzate.

3) Da menu “Build > Insert > Fragments…” è possibile scegliere molte molecole già costruite e suddivise in famiglie.

4) Da menu “Build > Insert > Peptide…” è possibile costruire sequenze di aminoacidi.

5) Da menu “Build > Insert > DNA/RNA…” è possibile costruire sequenze di nucleotidi.

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QuteMol

QuteMol è in grado di caricare molecole in formato PDB e di trasformarle in 3 tipi di GIF animate delle dimensioni standard di 256 x 256 pixel. Apriamo QuteMol 0.4.1 e clicchiamo sull’icona per caricare una molecola, ad esempio di Ammoniaca NH₃. Clicchiamo sulla scheda “Preset” dove troviamo 15 diverse preselezioni. Proviamole finché l’aspetto della molecola non ci soddisfa. Clicchiamo sulla scheda “Geometry” che ci permette di decidere se la molecola apparirà in “Space-fill”, “Balls and Sticks” o “Licorice”. Clicchiamo infine sull’icona per salvare l’animazione. Nella finestra “Save a snapshot” che si aprirà, alla voce “Salva come:” selezioniamo come tipo di file da salvare “GIF Animation”. Al momento di salvare il file si aprirà un’ulteriore finestra che ci chiederà di scegliere tra 3 tipi di animazione. I primi due sono “Full rotation mode” e “Inspection mode” (twist) che producono una gif animata della durata di 3 secondi formata da 60 frames (e quindi con un framerate di 20 fps). Durata e numero di frames possono essere modificati. Di seguito i due videoclip ottenuti con la molecola di Ammoniaca che utilizza per la rotazione il preset “mixed 2” e per il “twist” il preset “Illustrative 1”.

NH3_rot_QuteMol.gif (163 kB)

NH3_twist_QuteMol.gif (229 kB)

Se si vogliono ottenere file di dimensioni più contenute è possibile convertirli in MP4 utilizzando VIrtualdub2. Apriamo Virtualdub2 e dal menu “File > Open video file…” carichiamo le animazioni GIF. Ora procediamo come abbiamo già visto quando abbiamo caricato i singoli frames.

Dal menù “Video” selezioniamo “Full processing Mode”. Clicchiamo sul menu “Video > Frame rate…” e impostiamo a 20 fps. Dallo stesso menù clicchiamo su “Compression…” e scegliamo ed impostiamo il codec “x264 8 bit” e poi clicchiamo su “Configure”. Dopo aver impostato il “Tuning” su “Animation” possiamo impostare il livello di qualità (23 è il valore consigliato) o impostare il bitrate (100 kbps).

Clicchiamo infine sul menù “File>Save video..” e nella finestra che si apre scegliamo in “salva come..” il formato “MP4 MPEG-4 part 14”. Ed ecco il risultato codificato con fattore di qualità = 23.

NH3_rot_QuteMol.mp4 (34 kB)

NH3_twist_QuteMol.mp4 (40 kB)

Ora proviamo il terzo tipo di animazione “Six-Sides mode” in cui la molecola viene fatta ruotare per 6 volte di 90 gradi sui 3 assi, mostrando tutte e 6 le sue facce e rimanendo ferma per 1 secondo su ogni faccia. L’intera animazione dura 7,8 secondi ed è composta di 60 frames di cui 6 frames durano 1 secondo (i frames associati alle pause) e gli altri frames durano 3 centesimi di secondo (i frames associati alle rotazioni). Di seguito il videoclip ottenuto con una molecola di Acido Acetilsalicilico (Aspirina) utilizzando il preset “Direct Light only”.

Aspirina_sixmode_QuteMol.gif (317 kB)

In questo caso la conversione della GIF animata in MP4 usando Virtualdub2 non produce un risultato soddisfacente in quanto i frames GIF della durata di un secondo vengono trasformati in un unico frame della durata di 3 centesimi di secondo. In questo modo spariscono le pause di 1 secondo tra una rotazione e l’altra. L’unico programma che riesce a convertire correttamente una GIF animata in un MP4 è FFMPEG.

Nel caso specifico, per ottenere la durata originale di 7,8 secondi il framerate è di 33.333 fps. La stringa in linea di comando che converte la gif animata “movie.gif” in un file “movie.mp4, con un livello di qualità pari a 23, è la seguente:

ffmpeg -i movie.gif -movflags faststart -pix_fmt yuv420p -c:v h264 -crf 23 -r 33.333 movie.mp4

Aspirina_sixmode_QuteMol.mp4 (69 kB)

Se non si vuole utilizzare la linea di comando ci sono un paio di GUI freeware per FFMPEG che funzionano piuttosto bene: Moo0 Videoconverter 1.28 e VideoMass 2.0.0.

Moo0 Videoconverter è di una semplicità disarmante. Alla voce “Converti in:” selzioniamo “MP4”. Clicchiamo su “Opzioni avanzate” e impostiamo la qualità del video “5 Cinematografico” (o scegliamo un bitrate tra quelli proposti). Impostiamo il framerate a 30 fps e infine trasciniamo il file da convertire nell’apposita “Area di rilascio”. Il file MP4 si forma nella stessa cartella in cui è contenuto il file GIF.

VideoMass è un’ottima GUI italiana (di Gianluca Pernigotto) per FFMPEG. Apriamola e clicchiamo su “Conversioni Audio/Video”

Trasciniamo il file da convertire all’interno della finestra che si apre.

Clicchiamo sul menu “File > scegli una cartella di destinazione..” e selezioniamo la cartella in cui vogliamo venga registrato il file convertito. Clicchiamo sulla freccia nera verso destra per proseguire. Nella finestra che compare selezioniamo “x264” come Codec, scegliamo il livello di qualità (CRF = 23 è il default) o, cliccando su “Codifica a 2 passaggi”, scegliamo il Bitrate. Scegliamo 30 fps per il framerate (FPS) e come Formato Contenitore usiamo l’”MP4”. Clicchiamo su “Avvio” e il file MP4 verrà scritto nella cartella di destinazione.

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CueMol

Apriamo CueMol 2.2.3.442 e clicchiamo il menu “File > get PDB using accession code…”. Inseriamo il codice “1PRN” e scarichiamo la Porina, una proteina con una struttura a barile beta. Prima di scaricarla CueMol ci chiede che aspetto vogliamo assegnare alla molecola. In “Renderer Type” selezioniamo “Cartoon” o “Ribbon”.

Apriamo la sezione “Animation” in basso a sinistra, clicchiamo sul segno + per aggiungere un’animazione e scegliamo “Show” in modo che la molecola appaia in 1 secondo con un effetto “dissolvenza”.

Nella finestra “Animation object properties” che si apre, clicchiamo sul segno +, aggiungiamo la molecola alla casella “Target renderers” e diamo l’OK.

Ritorniamo alla sezione “Animation”, clicchiamo sul segno + per aggiungere un’animazione e scegliamo “Simple spin”. Nella finestra che si apre portiamo la voce “Duration” da 1 a 2 in modo che la rotazione di 360° avvenga in 2 secondi.

Alla sezione “Animation”, clicchiamo sul segno + per aggiungere un’ultima animazione e scegliamo “Hide” in modo che la molecola al termine della rotazione scompaia in 1 secondo con un effetto “dissolvenza”. Nella finestra “Animation object properties” che si apre, clicchiamo sul segno +, aggiungiamo la molecola alla casella “Target renderers” e diamo l’OK.

Prima di creare i frames possiamo testare l’animazione cliccando sulla scheda “Animation” e sul pulsante “Play”. Una volta soddisfatti del risultato clicchiamo sul menu “Rendering > animation rendering…”.

Nella scheda “Main options” selezioniamo la cartella “Output dir:” in cui verranno salvati i frames, indichiamo larghezza e altezza dei frames (ad esempio “Preset size 320x240”) e portiamo il framerate a 25 fps in modo che i 4 secondi dell’animazione producano un totale di 100 frames.

Nella scheda “Movie option” togliamo il segno di spunta da “Make movie” in modo che una volta generati i frames CueMol non tenti di trasformarli automaticamente in un videoclip e poi li cancelli.

Cliccando infine sul pulsante “Start” CueMol genera i frames PNG utilizzando POV-Ray. Il risultato finale, convertendo i frames con Virtualdub2, è il seguente

Porina_CueMol.mp4 (211 kB)

*****

Proviamo ora a costruire una animazione del tipo “Six-Sides mode” di QuteMol con la molecola che ruota su 6 lati rimanendo in pausa su ciascun lato. Clicchiamo il menu “File > get PDB using accession code…”. Inseriamo il codice “1UBQ” e scarichiamo l’Ubiquitina, una proteina che presenta un avvolgimento supersecondario noto come “Rossmann fold”.

Apriamo la sezione “Animation” in basso a sinistra, clicchiamo sul segno + per aggiungere un’animazione e scegliamo “No operation” in modo che la molecola rimanga ferma per 1 secondo.

Clicchiamo nuovamente sul segno + per aggiungere un’altra animazione e scegliamo “Simple spin”. Nella finestra che si apre portiamo la voce “Duration” a 500 ms, la rotazione a 90° e lasciamo il valore 0, 1, 0 su “Spin axis” in modo che la prima rotazione avvengo sull’asse Y.

Ripetiamo le due precedenti operazioni, introducendo una pausa di 1 secondo e un’altra rotazione di 90° della durata di 500 ms intorno all’asse Y.

Introduciamo ora un’altra pausa di 1 secondo e una rotazione di 90° della durata di 500 ms intorno all’asse X ( il valore di “Spin axis” dovrà essere 1, 0, 0).

Continuiamo introducendo: pausa – rot. Y – pausa – rot. Y – pausa – rot. X

Alla fine la sezione “Animation” dovrà avere il seguente aspetto

Clicchiamo sul menu “Rendering > animation rendering…” ed eseguiamo le medesime operazioni viste in precedenza. Il risultato finale è il seguente

Ubiquitina_CueMol.mp4 (235 kB)

*****

Costruiamo un’ultima animazione usando una molecola di Acido Acetilsalicilico (Aspirina) che carichiamo con il menu “File > Open file..”. In “Renderer Type” selezioniamo “ballstick” o “cpk”. Nella sezione “Animation” in basso a sinistra, clicchiamo sul segno + per aggiungere un’animazione e scegliamo “Slide in” in modo che la molecola entri in scena scorrendo. Nella finestra “Animation object properties” che si apre, clicchiamo sul segno +, aggiungiamo la molecola alla casella “Target renderers” e diamo l’OK.

Ritorniamo alla sezione “Animation”, clicchiamo sul segno + per aggiungere un’altra animazione e scegliamo “Simple spin”. Nella finestra che si apre portiamo la voce “Duration” da 1 a 2 in modo che la rotazione di 360° avvenga in 2 secondi e impostiamo il valore “Spin axis” a 1, 1, 0 su in modo che la rotazione avvenga sia sull’asse Y che sull’asse X.

Diamo l’OK e ritorniamo alla sezione “Animation” per aggiungere un’ultima animazione di tipo “Slide out”. Aggiungiamo la molecola alla casella “Target renderers”, impostiamo “direction” su “right” (in modo che la molecola esca dalla parte opposta rispetto a dove è entrata) e diamo l’OK.

Clicchiamo sul menu “Rendering > animation rendering…” ed eseguiamo le medesime operazioni viste in precedenza. Il risultato finale è il seguente

Aspirina_CueMol.mp4 (55 kB)

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MolGif

Molgif è un programma a riga di comando che converte file molecolari in formato XYZ in GIF animate in rotazione. Per usare Molgif è necessario avviare la Shell (o Prompt) a riga di comando di Windows (cmd.exe). Da menu “Start” (icona in basso a sinistra del Desktop di Windows) clicchiamo su “Esegui” ( o combinazione di tasti Win+R da tastiera). Nella finestra che si apre digitiamo “cmd” e diamo l’OK.

La Shell si apre con attiva la cartella “c:\Users\Administrator”. Se abbiamo messo Molgif.exe sul desktop assieme al file xyz da convertire, dobbiamo spostarci sul Desktop digitando “cd desktop” + Invio.

A questo punto dobbiamo procurarci un file molecolare in formato XYZ. Il modo più semplice è ottenerlo in qualche altro formato (con uno dei metodi che abbiamo visto in precedenza) e poi convertirlo in XYZ con uno dei tanti programmi che salva in formato XYZ (VMD, OpenBabel, Accelrys-ViewerLite, Avogadro, IQmol etc). Mettiamo dunque una molecola di Morfina in formato XYZ sul desktop e nella Shell scriviamo

Molgif morfina.xyz

Il comando genera una gif animata 256x256 pixel a sfondo nero, con la molecola in “Ball&stick” che ruota attorno all’asse Y di 360° in 3 secondi con 50 frames al secondo.

Morfina_B&S_molgif.gif (758 kB)

Naturalmente la GIF animata può essere convertita in un videoclip mp4 usando Virtualdub2 (con le modalità che abbiamo già visto).

Morfina_B&S_molgif.mp4 (152 kB)

L’animazione si può personalizzare utilizzando i seguenti flags

-x rotazione lungo l’asse X

-y rotazione lungo l’asse Y

-z rotazione lungo l’asse Z

-X rotazione antioraria lungo l’asse X

-Y rotazione antioraria lungo l’asse Y

-Z rotazione antioraria lungo l’asse Z

-a float dimensione degli atomi (default 0.4)

-d float dimensione legami (default 0.2)

-b int valore della componente blu del colore dello sfondo

-g int valore della componente verde del colore dello sfondo

-r int valore della componente rossa del colore dello sfondo

-h int altezza dell’immagine GIF prodotta (default 256)

-w int larghezza dell’immagine GIF prodotta (default 256)

-l nascondi la scritta molgif sull’animazione

-o string nome del file in uscita

-p genera un’immagine in formato PNG

-t int durata dell’animazione in secondi (default 3)

Ad esempio, per ottenere una rotazione intorno agli assi x e y e una rappresentazione stick (-a 0.2) usiamo il comando

Molgif -x -y -a 0.2 morfina.xyz

Il risultato è il seguente

Morfina_stick_molgif.gif (647 kB)

Per ottenere uno sfondo grigio (-b 180 -g 180 -r 180), una dimensione 350x350 (-w 350 -h 350) e una durata di 4 secondi (-t 4) una rotazione intorno a X (-x) e assenza di logo (-l) usiamo il seguente comando

Molgif -b 180 -g 180 -r 180 -w 350 -h 350 -t 4 -x -l -a 0.2 morfina.xyz

L’animazione (convertita in mp4) è la seguente

Morfina_B&S_4s_molgif.mp4 (294 kB)

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NOC

NOC è un software per la per la visualizzazione, la validazione e l'analisi delle strutture proteiche in grado di creare animazioni di traiettorie prodotte da GROMACS e AMBER e di generare anche semplici animazioni di molecole in rotazione.

Utilizziamo i file GRO e TRR che abbiamo ottenuto eseguendo una simulazione di Dinamica molecolare con Zephyr-Gromacs sul peptide 1fme.pdb.

Apriamo NOC 3.0.1 e clicchiamo sul menu “Open > Open Gromacs files”. Nella finestra che si apre carichiamo il file “1fme_processed.box.em.md.gro” e il file traiettoria “1fme_processed.box.em.md.trr”.

Assieme alla molecola compare anche il pannello “Trajectory Panel”.

Dal menu “Display” togliamo il segno di spunta da “Show reference mol” in modo che non si sovrapponga la molecola iniziale (contenuta nel file GRO) con quelle della traiettoria.

Dal pannello flottante “Main Panel” sulla sinistra scegliamo “Secondary structure type” oppure “Motif type” e impostiamo la qualità su “Best”.

Se non vogliamo che siano visualizzate le catene laterali togliamo tutti i segni di spunta dal menu “Side Chain”. Se non vogliamo che siano visualizzati gli assi togliamo il segno di spunta dal menu “Display > Show 3d Axis”. Se nella proteina sono presenti molecole d’acqua e non vogliamo che siano visualizzate, togliamo il segno di spunta dal menu “Display > Water..”. Se non vogliamo che nell’animazione compaia il diagramma di Ramachandran e i FPS togliamo il segno di spunta dai menu “Display > Rama.plot” e “Help > Show rendering speed”.

Dal menu “MainChain” selezioniamo “Ribbon(Cartoon)” e deselezioniamo tutto il resto.

Aggiustiamo le dimensioni della finestra (l’animazione avrà le dimensioni della finestra).

Per eventuali spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione (Clic sinistro + trascina)

- Zoom (rotella)

- Traslazione (“shift + clic sinistro + trascina”)

Dal pannello “Trajectory panel” clicchiamo su “Advance..> Make trajectories movie”. NOC produce un file in formato MPEG-1, obsoleto e piuttosto pesante che può essere ricodificato in mp4 usando diversi software freeware. Uno dei migliori e più efficienti è XMediaRecode. Il risultato è il seguente

1fme_NOC.mp4 (202 kB)

*****

Ora proviamo ad utilizzare una traiettoria CRD prodotta da AMBER tramite Molby. Utilizziamo la molecola di Etanolo costruita con Gabedit in conformazione eclissata, con l’ossidrile con un errato angolo di legame di 180° e l’atomo di Idrogeno opposto all’ossidrile che presenta un legame C-H troppo lungo.

Apriamo Molby e carichiamo la molecola con il menu “File > open…”

Clicchiamo sul menu “MM/MD > Guess MM/MD parameters..” e poi su “MM/MD > Molecular Dynamics..”. Ora salviamo la traiettoria in formato CRD da menu “File > Export..” scegliendo come tipo di file da salvare in “Salva come: AMBER mdcrd file”.

Infine dobbiamo salvare un file topologia cliccando sul menu “MM/MD > Create SANDER input..”. Il file verrà salvato con estensione “PRMTOP”, ma, una volta salvato, lo rinomineremo con estensione “TOP”, in modo che NOC possa riconoscerlo e caricarlo.

Apriamo ora NOC e clicchiamo sul menu “Open > Open Amber files”. Nella finestra che si apre carichiamo il file “etanolo.top” e il file traiettoria “etanolo.crd”.

Dal menu “Display” selezioniamo “Hetgroup in stick”. Dal pannello “Trajectory panel” clicchiamo su “Advance..> Make trajectories movie” e salviamo l’animazione in MPEG. Ricodificando come in precedenza il file mpeg con XMediaRecode, il risultato è il seguente

Etanolo_NOC.mp4 (151 kB)

*****

Infine costruiamo un videoclip con una rotazione di una molecola qualsiasi, ad esempio la Fluoxetina, un antidepressivo. Possiamo scaricarla da PubChem usando l’opzione “Fetch” di Chimera. Una veloce ricerca in rete immettendo “Fluoxetina PubChem cid” ci fornisce il codice “3386”. Una volta scaricato il file con Chimera lo salviamo in formato PDB e lo carichiamo con NOC dal menu “File > open molecule”. Dal menu “Display” di NOC selezioniamo “Hetgroup in stick”. Clicchiamo infine sul menu “File > Make movie” e NOC salverà un videoclip MPEG con la molecola in rotazione. Di seguito il file convertito in MP4

Fluoxetina_NOC.mp4 (149 kB)

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Discovery Studio Visualizer

Discovery Studio 3.5 è un software della Accelrys (ora Biovia), liberamente scaricabile previa registrazione, che consente (tra l’altro) di utilizzare un editor per costruire molecole e di ottenere buone animazioni in formato WebM (codec VP8). Discovery Studio ha anche la caratteristica di visualizzare correttamente i legami multipli e gli anelli aromatici in molecole in formato PDB che di solito non hanno questa possibilità.

Proviamo allora a costruire una molecola di Acido benzoico e successivamente ad animarla.

Apriamo Discovery Studio, clicchiamo sul menu “File > New > Molecule Window” per aprire la finestra dell’editor e infine clicchiamo sulla scheda “Small Molecules”. Sul pannello “Tools” posto a sinistra clicchiamo per aprire il menu “Sketch Molecules”. Per disegnare un anello carbonioso clicchiamo sul pulsante “Ring”.

Facendo ora un “clic sinistro” sulla finestra di visualizzazione si ottiene un ciclo saturo a 6 atomi di carbonio (cicloesano senza idrogeni). Se invece si vuole un ciclo con un diverso numero di atomi di Carbonio e necessario eseguire un “clic sinistro + trascina” e rilasciare il pulsante del mouse quando si è raggiunto il numero desiderato di atomi di carbonio. Per ottenere un anello aromatico (come quello che ci serve per l’Acido benzoico) bisogna eseguire le stesse operazione tenendo premuto il tasto Ctrl sulla tastiera. E quindi facciamo un “Ctrl + clic sinistro”. Ottenuto l’anello aromatico clicchiamo sul pulsante “H Adds” per aggiungere gli atomi di idrogeno ed ottenere una molecola di Benzene.

Ora dobbiamo sostituire un atomo di idrogeno con un gruppo carbossilico –COOH. Clicchiamo dunque su un atomo di Idrogeno per selezionarlo (si colorerà di giallo) e clicchiamo sul pulsante “Periodic Table” per aprire la tabella degli elementi e cliccare sul Carbonio in modo che l’atomo di H selezionato venga sostituito da un atomo di C.

Ora selezioniamo nel pannello Tools a sinistra lo strumento “Sketch” e disegniamo con un “clic sinistro + trascina” un legame C-C. Lo strumento permette di creare una sequenza di legami C-C rilasciando il pulsante sinistro del mouse e ripetendo l’operazione di “clic sinistro + trascina”. Per terminare è necessario un “doppio clic sinistro”.

Ripetiamo l’operazione per creare un secondo legame C-C.

Ora trasformiamo i due atomi di Carbonio appena inseriti in due atomi di Ossigeno. Clicchiamo sul pulsante “Select” e tenendo premuto il tasto “Shift” sulla tastiera” clicchiamo in successione sui due atomi di carbonio per selezionarli. Ora clicchiamo sul pulsante “Periodic Table” per aprire la tabella degli elementi e cliccare sull’Ossigeno in modo che i due atomi di C selezionati vengano sostituito dall’Ossigeno.

Ora riselezioniamo lo strumento “Sketch” e clicchiamo su uno dei due legami C-O per trasformarlo da semplice in doppio.

Clicchiamo ora sul pulsante “H Adds” per aggiungere un atomo di Idrogeno all’altro atomo di Ossigeno trasformandolo in un Osssidrile. Completiamo il tutto cliccando su “Clean Geometry” in modo da ottimizzare la geometria della molecola.

In realtà l’introduzione di un gruppo carbossile (o di altri gruppi chimici) poteva esser fatto in modo più semplice e rapido usando il menu “Build fragments” presente sempre a sinistra sul pannello “Tools”.

Una volta costruita la molecola di Benzene come fatto in precedenza, clicchiamo su un suo atomo di Idrogeno per selezionarlo e apriamo il pannello “Build fragments”. Qui compariranno delle cartelle con i diversi tipi di frammenti molecolari utilizzabili. Apriamo la cartella “Groups” e selezioniamo “Carboxyl”

Cliccando infine su “Add Fragment” il carbossile si sostituirà all’atomo di Idrogeno selezionato nel Benzene, formando l’Acido Benzoico.

Ora la molecola è pronta per un’animazione. Ma prima possiamo modificarne l’aspetto con il menu “View > Display style”. La finestra che si apre presenta quattro schede che ci permettono si scegliere oltre che il tipo di rappresentazione (Stick, Ball and stick etc) anche il tipo di materiale ( metallico, plastico, opaco etc) con cui è costruita la molecola

Ora apriamo lo “Storyboard” per costruire l’animazione cliccando sul menu “View > Storyboard > Storyboard” (o semplicemente premendo il tasto F12 da tastiera). Nella finestra che si apre clicchiamo sul pulsante “more..” per visualizzare (e modificare) la durata delle transizioni. Ora inseriamo la prima scena premendo da tastiera il tasto “Ins”. La scena viene aggiunta allo Storyboard. Modifichiamo la durata della transizione portandola a 3 secondi.

Torniamo alla molecola, zoomiamola (tramite la rotella del mouse) portandola in primo piano, e ruotiamola in modo che il gruppo carbossilico si avvicini allo spettatore. Ora inseriamo la seconda scena con il tasto “Ins” e portiamo la durata della transizione a 3 secondi.

Ruotiamo la molecola per osservarla da un’altra angolazione e inseriamo la terza scena con il tasto “Ins” aggiustando sempre a 3 secondi.

Ora clicchiamo sulla prima scena della Storyboard in modo che la molecola ritorni alla posizione iniziale. Inseriamo nuovamente la prima scena come quarta con il tasto “Ins” in modo che alla fine dell’animazione la molecola ritorni nella posizione iniziale e si possa eseguire un loop fluido.

Prima di generare il videoclip è possibile visualizzare l’animazione cliccando sul pulsante “Play” (il triangolino nero in basso a sinistra nella Storyboard). Una volta soddisfatti del risultato clicchiamo sul pulsante “Export Movie” e salviamo il videoclip in formato WebM con un codec video VP8.

Il formato WebM può essere facilmente trasformato in MP4 con XmediaRecode. Tuttavia si tratta di un formato royalty-free creato in modo specifico per la visualizzazione in rete all’interno di pagine HTML5 e quindi può anche essere lasciato così come sta. Di seguito il file ottenuto.

Benzoico_DSV.webm (386 kB)

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ACD Chemsketch

Chemsketch 12.0 è un software freeware di modellistica molecolare 2D in grado di creare o modificare molecole. Una volta creata la molecola bidimensionale è tuttavia possibile trasferirla al visualizzatore tridimensionale (3D viewer) di Chemsketch in grado di ottenere strutture 3D in modo molto efficiente e capace di generare semplici GIF animate.

Apriamo dunque Chemsketch e clicchiamo sul pulsante “Draw normal” e sul pannello di sinistra verifichiamo che sia attivo l’elemento Carbonio (dovrebbero entrambi essere già attivati di default).

A questo punto un clic sinistro sulla pagina bianca introduce un atomo di carbonio completo dei suoi 4 idrogeni, una molecola di metano CH₄. Un secondo clic sul metano introduce un secondo atomo di Carbonio generando una molecola di Etano CH₃CH₃.

Un “clic sinistro su un legame semplice lo trasforma in doppio, su uno doppio lo trasforma in triplo, su uno triplo lo ritrasforma in semplice.

In questo modo possiamo costruire qualsiasi catena carboniosa alifatica (Alcani, alcheni, alchini).

Se clicchiamo su di un atomo di Carbonio della catena dopo aver selezionato dal pannello di sinistra un elemento diverso, l’atomo di C verrà sostituito.

Ad esempio, se selezioniamo l’Ossigeno e clicchiamo sul gruppo –CH₃ dell’Etano, questo verrà sostituito con un gruppo ossidrilico -OH, se clicchiamo con L’Azoto avremo in sostituzione un gruppo amminico –NH₂.

Chemsketch possiede anche un’interessante funzione di assegnazione del nome IUPAC alla struttura creata, tramite menu “Tools > Generate > Name for structure”.

Altre funzioni interessanti sono l’assegnazione alla struttura molecolare della sua notazione SMILES tramite menu “Tools > Generate > SMILES Notation” e della sua notazione InChI tramite menu “Tools > Generate > InChI for Structure”.

Proviamo ora a costruire una molecola di Acido fosforico H3PO4 e ad ottenere un’animazione. Selezioniamo dal pannello degli elementi sulla sinistra il Fosforo P e clicchiamo sulla pagina bianca. Otterremo una molecola di Fosfina PH₃. Ora selezioniamo l’Ossigeno ed eseguiamo un “clic sinistro + trascina” a partire dalla Fosfina. In questo modo introduciamo un Ossidrile al posto di un atomo di Idrogeno della Fosfina.

Ripetiamo l’operazione altre 3 volte in modo che alla fine il Fosforo sia legato a 4 Ossidrili. Clicchiamo su uno dei legami semplici che tengono uniti un Ossidrile al Fosforo per trasformarlo in doppio (l’Ossidrile perde automaticamente il suo idrogeno). La funzione di assegnazione del nome ci conferma che abbiamo ottenuto una molecola di Acido fosforico.

Ora apriamo il visualizzatore 3D cliccando sul menu “ACD/Labs > 3D Viewer”. Il visualizzatore si aprirà senza nessuna molecola caricata. Clicchiamo allora sul pulsante “1-ChemSketch” in basso a sinistra per tornare a ChemSketch.

Ora sulla finestra di ChemSketch è apparso in basso a sinistra il comando “2-Copy to 3D”. Clicchiamolo in modo di trasferire la molecola di acido fosforico al visualizzatore 3D. Usiamo i pulsanti per cambiare l’aspetto della molecola (Wireframe, Sticks, Balls and Sticks, Spacefill). La molecola non presenta gli atomi di Idrogeno e ha ovviamente una geometria scorretta. Correggiamo il tutto cliccando sul menu “Tools > 3D Optimization”.

Ora generiamo la GIF animata. Clicchiamo sul menu “Tools > New frames Set” per azzerare eventuali frames registrati in precedenza e poi su “Tools > Auto Add Frames…”.

Nella finestra che si apre portiamo il numero di frames a 60 e diamo l’OK.

Clicchiamo ora sul menu “File > Save As…” e nella finestra che si apre scegliamo come tipo di file “Salva come: Animated GIF images”

L’animazione ottenuta risulta tuttavia troppo lenta e a scatti poiché ogni frame presenta una durata eccessiva di 25 ms. È necessario aprire il file GIF con PhotoScape e modificare il delay. Procediamo come abbiamo già visto in precedenza. Una volta aperto Photoscape, apriamo la scheda “Tutto per Gif” e trasciniamo la Gif animata nella finestra che si apre. Clicchiamo sul pulsante “Cambia tempi” e portiamo la durata dei frames ad un valore compreso tra 5 e 10 ms a seconda della velocità di rotazione che vogliamo ottenere (selezionando l’opzione “Cambia il display del tempo di tutti i frames”). Infine salviamo la nuova GIF animata che ora risulterà più fluida. Il videoclip seguente presenta un delay per frame di 5 ms.

Fosforico_ChemSketch.gif (138 kB)

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CYLview

CYLview è in grado di produrre animazioni complesse generando fotogrammi tramite il software freeware di raytracing POVray. In realtà il videoclip finale è un file in formato MPEG-1, obsoleto e piuttosto pesante che, tra l’altro, il programma non sempre riesce a generare correttamente. È quindi più conveniente procedere alla conversione manuale dei file POV in frames BMP e di questi ultimi in un videoclip MP4 tramite Virtualdub2.

Apriamo CYLview e carichiamo una molecola di anidride solforosa SO₂ tramite il pulsante “Open..” posto in basso a sinistra. Definiamo l’aspetto della molecola cliccando sul pulsante “Style”. Per poter vedere l’effetto delle selezioni sull’aspetto della molecola è necessario ogni volta cliccare sul pulsante “Preview”.

Per eventuali spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (Clic sinistro + trascina)

- Rotazione in z (Ctrl + Clic sinistro + trascina),

- Zoom (Clic destro + trascina)

- Traslazione (clic centrale + trascina)

Una volta soddisfatti, clicchiamo sul pulsante “Poses” e poi clicchiamo sul pulsante “Add” per aggiungere la scena iniziale allo Storyboard (possiamo lasciare il nome “Default” proposto dal programma).

Clicchiamo sul pulsante “Anim” e sul pannello che si apre selezioniamo “800x600” (lo schermo deve avere un rapporto di visualizzazione di 4:3 affinchè i frames generati da POVray non siano distorti). Carichiamo l’unica scena che abbiamo precedentemente inserito cliccando sul pulsante “Start pose”. Portiamo la durata dell’animazione a 3 secondi nella casella “Duration”. In “Animation Type” possiamo scegliere o la rotazione (Rotate) o l’oscillazione (Rock). Scegliamo “Rotate” e portiamo l’angolo di rotazione a 360°. A questo punto (lasciando “Anim1” come nome dell’animazione) clicchiamo sul pulsante “Add” e verifichiamo il risultato cliccando sul pulsante “Play animation”.

Se l’animazione avviene correttamente, possiamo generare i file POV per ciascun frame cliccando sul pulsante “Render Animation”. I file POV vengono generati velocemente in una cartella che CYLview crea nella stessa posizione in cui è presente la molecola. A questo punto il programma ci chiede se vogliamo proseguire e convertire i file POV in frames e i frames in videoclip o se vogliamo semplicemente conservare i file POV. Come abbiamo già detto è preferibile eseguire manualmente la conversione (anche perché in questo modo possiamo definire la risoluzione finale dei frames). Clicchiamo pertanto sul pulsante “Keep POV files”.

Apriamo POVray e dal menu “Render” mettiamo un segno di spunta su “Auto renderer” in modo che i file POV che andremo a caricare vengano trasformati automaticamente in immagini (frames) senza dover dare il comando per ognuno di essi. Dal menu a tendina in alto a sinistra scegliamo la risoluzione che dovrà avere ciascun frame (e quindi anche il videoclip che poi costruiremo). È necessario mantenere il rapporto di 4:3 e quindi vanno bene risoluzioni 800x600, 640x480, 512x384, 400x300, 320x240 etc

Clicchiamo ora sul pulsante “Queue” e nella finestra che si aprirà clicchiamo su “Add file”. Cerchiamo la cartella in cui sono presenti i file POV, selezioniamoli tutti (“Clic sinistro” sul primo file e “Shift + clic sinistro” sull’ultimo) e diamo l’OK.

Una volta generati i frames sarà sufficiente caricare il primo frame con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

Solforosa_CYLview.mp4 (65 kB)

La seguente è invece una molecola di Fosfina PH₃ con stile “Houkmol” e “Animation type = Rock (45°)”

Fosfina_CYLview.mp4 (64 kB)

Proviamo ora a costruire un’animazione complessa, formata da più scene (poses) in cui CYLview si preoccupa di costruire i movimenti tra una scena e l’altra in modo fluido. Usiamo l’amminoacido Cisteina. Possiamo procurarcelo ad esempio con Avogadro tramite il menu “Build > Insert > Fragments…” e poi salvarlo in formato XYZ, nativamente accettato da CYLview (ma se nel PC è installato OpenBabel CYLview lo utilizza automaticamente per caricare e convertire tutti i formati riconosciuti da OpenBabel).

Dopo aver caricato la molecola ed averne definito la posizione iniziale e l’aspetto (Style) andiamo al menu “Poses” e aggiungiamo la scena iniziale chiamandola “Scena1”. Ora zoomiamo sulla molecola, portiamo in primo piano il gruppo carbossilico e aggiungiamo la scena chiamandola “Scena2”. Portiamo in primo piano il gruppo amminico e aggiungiamo la scena chiamandola “Scena3”. Infine portiamo in primo piano il gruppo solfidrilico e aggiungiamo la scena chiamandola “Scena4”.

Ora passiamo al menu “Anim” e su “Animation type” selezioniamo “Custom”. Clicchiamo su “Start pose” e carichiamo la “Scena1”. Clicchiamo su “End Pose” e carichiamo la “Scena2”. Fissiamo una durata di 1 secondo e una pausa (Pause) di 1 secondo. Clicchiamo su “Add” per aggiungere l’animazione con il nome di “Anim1”.

Ora ripetiamo le operazioni caricando su “Start pose” la “Scena2” e su “End Pose” la “Scena3”, aggiungendo l’animazione come “Anim2”.

Ripetiamo ancora caricando su “Start pose” la “Scena3” e su “End Pose” la “Scena4”, aggiungendo l’animazione come “Anim3”.

E infine carichiamo su “Start pose” la “Scena4” e su “End Pose” la “Scena1” (in modo che l’animazione termini con la scena finale ed il loop sia fluido) aggiungendo l’animazione come “Anim4”.

Dopo aver verificato il risultato con il pulsante “Play animation”, clicchiamo su “Render animation”. In questo caso CYLview non genera tutti i frames associati alle pause (che sono ovviamente tutti uguali). Se quindi cerchiamo di effettuare noi la conversione dei frames in un videoclip con Virtualdub2 non otteniamo l’animazione desiderata. Lasciamo dunque che CYLview completi la conversione e generi il videoclip in formato MPEG-1. Possiamo poi caricare il videoclip con Virtualdub2 (o con Xmedia Recode) e convertirlo in MP4 (usando ad esempio il filtro “Resize” per diminuirne le dimensioni rispetto alla risoluzione 800x600).

Il risultato è il seguente

Cisteina_CYLview.mp4 (265 kB)

*****

CYLview è in grado di caricare e animare anche traiettorie in formato XYZ come quelle generate da MoCalc (tramite i programmi di Dinamica molecolare Mopac, Firefly e NWChem). Carichiamo ad esempio con CYLview la traiettoria di ottimizzazione in formato XYZ ottenuta con MoCalc-Firefly a partire dalla molecola di Etanolo in conformazione eclissata, con l’ossidrile con un errato angolo di legame di 180° e l’atomo di Idrogeno opposto all’ossidrile che presenta un legame C-H troppo lungo.

Come è successo con altri programmi (IQmol ad esempio), CYLview non riesce a leggere correttamente il legame C-H troppo lungo e lascia l’atomo di idrogeno isolato.

Dopo aver definito la posizione iniziale e l’aspetto (Style) della molecola, andiamo al menu “Scan” e clicchiamo sul pulsante “Make Movie”. Alla fine clicchiamo su “Keep POV files” ed effettuiamo la conversione con POVray.

Carichiamo infine i frames con Virtualdub2 per generare il videoclip mp4 come abbiamo già visto. Il risultato è il seguente

Etanolo_CYLview.mp4 (43 kB)

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Proviamo infine ad usare VMD per convertire in formato XYZ la traiettoria di ottimizzazione dell’acido 2-Amminobutanoico in formato CRD ottenuta con Molby. Apriamo VMD e carichiamo prima il file PSF dell’ dell’acido 2-Amminobutanoico (che avevamo salvato con Molby) e poi la corrispondente traiettoria CRD.

Facciamo un clic destro sul nome del file caricato e clicchiamo su “Save coordinates”

Nella finestra “Save trajectory” che si apre selezioniamo “File type = xyz” e salviamo.

Apriamo ora la traiettoria XYZ salvata con CYLview e, dopo aver definito la posizione iniziale e l’aspetto (Style) della molecola, andiamo al menu “Scan” e clicchiamo sul pulsante “Make Movie”. Convertiamo i file POV con Povray e usiamo i frames ottenuti per creare un videoclip MP4 con Virtualdub2.

Il risultato è il seguente

2-amminobutanoico_CYLview.mp4 (336 kB)

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PMV (Python Molecular Viewer)

PMV 1.5.6 (MGLTools) è un software in grado di produrre animazioni molecolari in modo semplice e veloce, utilizzando metodi diversi.

Apriamo PMV 1.5.6 ed utilizziamo la funzione “Fetch” per scaricare dal database PDB la proteina Diidrofolato reduttasi, un enzima che riduce l'acido diidrofolico a tetraidrofolico (forma attiva dell’acido folico), usando il coenzima NADPH come donatore di elettroni. Clicchiamo sul menu “File > Import > Fetch From Web”, inseriamo il codice PDB = 8DFR e diamo l’OK. La molecola viene scaricata dalla rete e visualizzata in modalità “wireframe”.

Sul riquadro di sinistra (Dashboard) clicchiamo sul pallino rosso per deselezionare la visualizzazione “wireframe” (la molecola sparisce)

Clicchiamo poi sul quarto pallino (che da bianco diventerà rosso) per attivare la visualizzazione in modalità “ribbon”.

Clicchiamo sull’ultimo triangolino e dal menu a comparsa scegliamo “Color Scheme – By secondary structure”.

Clicchiamo sul triangolino accanto al nome della molecola per far comparire la lista degli aminoacidi contenuti nella proteina.

Scorriamo la lista verso il basso fino a trovare la molecola di coenzima NADP (siglata NDP191) e clicchiamo sul secondo pallino in modo da attivarne la visualizzazione in “Ball & Stick”.

Aggiustiamo la posizione della molecola (quella che dovrà avere all’inizio dell’animazione).

Per gli spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione in x o y (Clic sinistro + trascina)

- Rotazione in z (Ctrl + Clic sinistro + trascina),

- Zoom (rotella centrale)

- Traslazione (clic destro + trascina)

Clicchiamo ora sulla scheda “Animol” (che si trova a destra della scheda “Dashboard”). Clicchiamo sulla scheda “Snapshot” e poi sul pulsante “ Record Snapshot” per memorizzare la prima scena.

Ora modifichiamo la posizione della molecola portandola a quella che dovrà essere la seconda scena. Ad esempio zoomiamo, portiamo il NADP in primo piano e clicchiamo nuovamente su “ Record Snapshot” per memorizzare la seconda scena.

Facciamo un “clic sinistro” sull’icona della prima scena (per renderla attiva) e poi un “clic destro” e dal menu a comparsa clicchiamo su “Add to animation”

Facciamo un “clic sinistro” sull’icona della seconda scena (per renderla attiva) e poi un “clic destro” e dal menu a comparsa clicchiamo su “Add to animation”.

Infine ripetiamo la prima operazione aggiungendo nuovamente la prima scena all’animazione, in modo che dopo aver zoomato sul NADP l’animazione ritorni alla scena iniziale per un loop fluido.

Clicchiamo ora sulla scheda “Sequence Anim” dove dovremmo ritrovare le tre scene inserite in sequenza.

Scorriamo fino in fondo alla scheda “Sequence Anim” dove troveremo i tasti per provare l’animazione con un “Play”. Una volta soddisfatti clicchiamo sul tasto “Record”.

PMV genera un file in formato MPEG-2, obsoleto e di grandi dimensioni che possiamo convertire in MP4 con Virtualdub2 (o XMedia Recode). Il risultato è il seguente

DHFR_PMV.mp4 (353 kB)

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PMV permette di costruire animazioni anche utilizzando effetti predefiniti. Utilizziamo la funzione “Fetch” per scaricare la Green Fluorescent Protein (PDB = 1EMA), una piccola proteina con una struttura “barile beta” espressa nella medusa Aequorea victoria. La proteina contiene all’interno del barile beta un tripeptide (3 aminoacidi) responsabile della fluorescenza verde che caratterizza la proteina (cromoforo).

Procediamo come abbiamo fatto in precedenza per disattivare la visualizzazione “wireframe” e attivare la modalità in modalità “ribbon” con “Color Scheme – By secondary structure”.

Clicchiamo sul triangolino accanto al nome della molecola per far comparire la lista degli aminoacidi contenuti nella proteina. Scorriamo la lista verso il basso fino a trovare il tripeptide (siglato CRO66) e clicchiamo sul secondo pallino in modo da attivarne la visualizzazione in “Ball & Stick”.

Procediamo come prima, Cliccando sulla scheda “Animol”, poi sulla scheda “Snapshot” e infine sul pulsante “ Record Snapshot” per memorizzare la prima scena. Zoomiamo, portiamo il cromoforo in primo piano e clicchiamo nuovamente su “ Record Snapshot” per memorizzare la seconda scena.

Ora, con la prima scena visualizzata, clicchiamo sulla scheda “Move” dove troviamo degli effetti predefiniti e clicchiamo sul pulsante “Fade In”.

Scendiamo alla fine della scheda fino a trovare l’effetto “Fadein1” inserito nella sezione “Created Action”. Facciamo un “clic destro” sull’effetto e clicchiamo su “Add to animation”.

Ora torniamo alla scheda “Animol > Snapshot”, clicchiamo sulla seconda scena (per renderla attiva) e poi un “clic destro” e dal menu a comparsa clicchiamo su “Add to animation”.

Torniamo alla scheda “Move”, clicchiamo sul pulsante “Rotate”. Scendiamo alla fine della scheda fino a trovare l’effetto “Rotate1” inserito nella sezione “Created Action”. Facciamo un “clic destro” sull’effetto e clicchiamo su “Add to animation”.

Torniamo alla scheda “Animol > Snapshot”, clicchiamo sulla prima scena (per renderla attiva) e poi un “clic destro” e dal menu a comparsa clicchiamo su “Add to animation”, in modo che, alla fine della rotazione intorno al cromoforo portato in primo piano, l’animazione ritorni alla scena iniziale.

Torniamo ancora alla scheda “Move”, clicchiamo sul pulsante “Fade out”. Scendiamo alla fine della scheda fino a trovare l’effetto “Fadeout2” inserito nella sezione “Created Action”. Facciamo un “clic destro” sull’effetto e clicchiamo su “Add to animation”.

Andiamo alla scheda “Sequence anim” che riporta tutti gli effetti in sequenza che abbiamo inserito

Scorriamo fino in fondo alla scheda “Sequence Anim” dove troveremo i tasti per provare l’animazione con un “Play”. Una volta soddisfatti clicchiamo sul tasto “Record”.

Il risultato è il seguente

1EMA_PMV.mp4 (448 kB)

Il videoclip seguente è invece una molecola di Nicotina che utilizza in sequenza gli effetti “Fly in” “Rotate” e Fly out”.

Nicotina_PMV.mp4 (376 kB)

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Yasara

Yasara è un software liberamente scaricabile previa registrazione, che consente (tra l’altro) di utilizzare POVray per ottenere animazioni in formato GIF o MPEG-1. In entrambi i casi si tratta di formati che generano file ingombranti e poco efficienti. Sfortunatamente non c’è la possibilità di utilizzare i frames generati da POVray per costruire le animazioni autonomamente, poiché Yasara cancella i frames alla fine della generazione del videoclip. L’unico modo per non fargli cancellare i frames è di impedirgli di usare i programmi per la conversione dei frames in video. Yasara usa a questo scopo i programmi “Convert.exe” e “FFMPEG.exe” che si trovano nella cartella “img”. È sufficiente dare a questi due file un nome diverso (o semplicemente cancellarli se pensiamo che non ci occorreranno più) e quando Yasara avrà terminato di generare i frames in formato PNG (all’interno della cartella “png”) ci avviserà di non poter procedere con la loro conversione, ma non li cancellerà.

Apriamo Yasara ed utilizziamo la funzione “Fetch” per scaricare la proteina Crambina (1CRN). Clicchiamo sul menu “File > Load > PDB file from internet”, inseriamo “1CRN” e diamo l’OK. La proteina viene visualizzata in modalità “Spacefill”. Modifichiamone l’aspetto cliccando sul menu “View > Scene style > Ribbon”.

Aggiustiamo la posizione della molecola (quella che dovrà avere all’inizio dell’animazione).

Per gli spostamenti della molecola i comandi del mouse sono i seguenti

- Rotazione (Clic sinistro + trascina)

- Zoom (clic destro + trascina)

- Traslazione (Clic sinistro/destro + trascina)

Clicchiamo ora sul menu “File > Save as > Animated GIF/MPEG clip”. Diamo un nome al file finale (se usiamo l’estensione .gif verrà creata una GIF animata, se usiamo l’estensione .mpg verrà creato un videoclip in formato MPEG-1. Nella finestra successiva, mettiamo un segno di spunta su “Use ray-tracing” e nella finestra successiva decidiamo la risoluzione del video (larghezza e altezza). I valori proposti sono 320 x 240. È necessario mantenere il rapporto di 4:3 e quindi vanno bene risoluzioni 800x600, 640x480, 512x384, 400x300, 320x240 etc

Se abbiamo rinominato (o cancellato) i file “Convert.exe” e “FFMPEG.exe” possiamo usare i frames PNG con Virtualdub2 per creare un videoclip MP4.

Il risultato è il seguente.

Crambina_Yasara.mp4 (244 kB)

Il videoclip che segue è invece stato ottenuto a partire da una molecola di Fullerene C60 prelevata dalle molecole predefinite di Avogadro (menu “Build > Insert > Fragments” sezione “fullerenes”)

Fullerene_Yasara.mp4 (224 kB)