[ZT] 瑞士伯尼尔大学Jean-Louis Reymond小组JCIM论文：采用VR技术交互式探索化学空间

来自 ComputArt计算有乐趣 公众号 2018-10-22

虚拟现实（virtual reality）一直以来都应用于工业设计，心理学，医学以及军事训练，计算机硬件的进步将该应用推向了消费领域，相对低成本的VR在大众中已实现了普遍可用性，这使得该技术在诸如教育，医疗保健以及计算机化学也得到了应用。在Unity，Unreal支持了VR后，已经有多个研究小组已成功对抽象的科学数据进行了VR展示。最近，瑞士伯尼尔大学Jean-Louis Reymond课题组推出了一个基于Unity引擎和虚拟现实工具包的应用程序，使得用户可以在虚拟现实中交互式探索化合物数据库的化学空间。该项工作最近发表在美国化学会出版的Journal of Chemical Information Modeling杂志上（J. Chem. Inf. Model. 58, 1731-1735）。

图-1 VR交互式探索化学空间

目前人们应用的化合物数据库中收集了海量的化合物结构信息。化学空间的增大促使人们引进新方法来处理和分析这些数据。交互式可视化是化学家探索化学空间的新工具。作者使用表示分子的高维特征向量或指纹，通过适当的降维方法将分子嵌入2D或3D空间中来实现交互式可视化，通过将原始高维特征向量的代表化学描述符的数据点进行着色来增加另一个维度。实际上，该课题组一直在对化学空间可视化方面的应用程序进行改进。2013年，他们推出了基于Java-applet的应用程序Mapplet，可以采用2D模式浏览某个化学空间。三年后，该课题组又推出了 基于3D引擎THREE.js的应用程序，该程序可采用3D模式浏览化合物数据库的化学空间。2018年，该课题组将VR应用到化学空间的交互式可视化中，使数据不仅看得见，而且摸得着。

作者从DrugBank数据库中获取重原子数小于或等于50的分子结构，通过计算42种MQN化学指纹，利用主成分分析（PCA）来确定化合物在三维空间中的位置，再给数据点着色来增加第四维度。同时从DrugBank中获取SDF结构文件，将3D结构模型放在相应化合物的数据点上。

图-2 VR中的DrugBank化学空间。（a）使用Unity的partical system对化学空间实时渲染，根据分子的环数来着色。（b）距离较近的化合物的3D模型。

该程序分两步来加载数据：（1）逐行分析包含数据的文件来加载坐标和颜色。（2）通过SDF文件来对3D分子模型异步加载。由于加载过程需要一点时间，用户可以在加载模型的过程中自由地在3D化学空间里“遨游”。用户可以使用HTC Vive和Oculus Rift的VR设备，用控制手柄与化合物“接触”，化合物一旦被触碰，就显示出二维结构，DrugBank ID以及分子量。分子的二维结构是从DrugBank网站上下载的PNG格式文件，3D结构模型则是用球棍模型表示，根据CPK来着色。作者还添加了带网格线的地面来防止用户在虚拟化学空间里迷失方向。Unity标准着色器可以实现Phong反射和着色模型，给用户提供较好的视觉清晰度。采用的两级细节系统，使得用户在观察分子局部细节特征（比如有共同子结构的结构异构体）的同时还可以显示远处化合物的性质和位置来保持全局视角（图-3）。

图-3 优化后的VR化学空间。“接触”到分子后，二维结构等信息显示出来，虚拟的地板和网格线减少用户的方向感的迷失。

作者的工作不仅实现了在VR中探索DrugBank的化学空间，也为其他数据库的可视化探索提供了框架。VR为化学家提供了交互式可视化的新工具，相信未来将逐步揭示出此类工具的价值。

该工作的源代码可以在Github进行下载: https://github.com/reymond-group/virtual-reality-chemical-space.

参考文献：Daniel Probst, Jean-Louis Reymond, “Exploring DrugBank in Virtual Reality Chemical Space”, J. Chem. Inf. Model. 58, 1731-1735. DOI: 10.1021/acs.jcim.8b00402

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