Les logiciels de visualisation moléculaire

Qu'est ce que le format PDB ? ↑

Il s'agit de fichiers textes (ASCII) décrivant la position des atomes d'une molécule dans un espace à trois dimensions. Pour alléger la taille des fichiers, les atomes d'hydrogène sont absents des fichiers de description des macromolécules. Même pour les petites molécules, les doubles liaisons sont rarement présentes (et lorsqu'elles le sont, ne sont pas affichées par certains logiciels de visualisation comme Rasmol).

Il est à noter que sur la Protein Data Bank le format privilégié est désormais .mmCIF (plus encombrant car plus de commentaires), même si le format .pdb est encore présent. D'autres formats existent, utilisés surtout pour représenter les petites molécules comme le format .mol. Le site Open Babel vous permettra de convertir les fichiers d'un format dans un autre; un logiciel comme Chimera X également.

Les logiciels orientés macromolécules ↑

L'utilisation pédagogique des logiciels peut viser une compréhension de la structure des molécules et de leur fonctionnement (changement de conformation, site actif, lien de la macromolécule avec une autre ou un ligand, etc.), en "jouant" avec les possibilités de visualisation offertes. Ceci suppose l'acquisition par l'élève d'une autonomie dans la manipulation; à cet égard, il semble que l'utilisation d'un langage de commande de type Rasmol soit un graal à atteindre. Néanmoins les conditions actuelles d'enseignement font que le temps nécessaire sera rarement disponible. L'utilisation de pages web plus ou moins dédiées à un apprentissage précis (en s'appuyant sur JSmol et des scripts Javascript) peut constituer une première approche ou une pratique parallèle (à celle de l'acquisition du langage de commande). Ce site Didac-TIC essaie(ra) de développer une approche mixte avec un minimum de guidage sans masquer le langage de commande. En effet, un langage même aussi limité qu'un langage informatique est un support de la conceptualisation (Lev Vygotsky).

Historiquement, Rasmol a permis le développement d'un langage de commande qui reste une référence et a été repris par la plupart des applications qui ont suivi. Les commandes successives peuvent être regroupées dans un fichier nommé script Rasmol et l'application peut elle-même enregister la suite de commandes. Cette suite de commande peut être temporisée et constituer une animation. Il faut cependant constater que Rasmol n'est plus mis à jour aujourd'hui et qu'il en est de même de beaucoup des applications indépendantes qui s'en sont inspirées.

Historiquement toujours, cette évolution peut s'expliquer par le fait que la visualisation de molécules dans un navigateur a toujours été populaire; elle a longtemps utilisé un module externe comme Chime aujourd'hui obsolète, mais remplacé, un temps par des applets Java, puis par des scripts Javascript. Pour ces scripts, JSmol est sans concurrent. De fait les banques de données moléculaires accessibles en ligne, présentent les molécules téléchargeables grâce à des scripts et affichent souvent de nombreuses variantes de visualisation ce qui peut éviter d'avoir recours à un autre outil par la suite.

Rasmol

Rasmol est une application ancienne. Si elle est compatible avec votre système (Linux, MacOS ou Windows), elle aura au moins l'avantage d'être économe en ressources. Un premier niveau de travail est accessible par menus. Un deuxième niveau (à moins que ce soit le premier) dépend de la ligne de commande. Plusieurs commandes peuvent être regroupées dans un script (fichier texte téléchargeable et enregistrable par l'application). Le script Rasmol permet de mémoriser le travail effectué. Il est évidemment possible d'enregistrer une image fixe de la visualisation réprésentant le résultat final du travail, mais l'incorporation de temporisations dans le script et l'enregistrement des scripts permet de réaliser des animations; de plus, les tailles cumulées du fichier .pdb et du fichier de script restent bien inférieures à celle de la capture d'écran de la visualistion d'une molécule complexe.

L'importance donnée à la ligne de commande (à l'origine, Rasmol est un programme Unix basé sur un shell), en opposition à l'utilisation de menus, ne se prête pas à une approche intuitive. Il n'empêche qu'un langage de commande est bien plus puissant (et pour des cas complexes plus rapide) que l'utilisation de menus à la souris. Il peut aussi favoriser la mémorisation des structures moléculaires. Les menus sont internationalisés, mais l'utilisation du français éloigne du langage de commande alors que les menus anglais en sont plus proches... Cela dit les menus présents remplacent déjà une bonne partie des commandes et leur usage suffit pour des démonstrations simples.


Le développement de Rasmol est abandonné. La version 2.6 avait été modifiée par E. Molinaro de l'université de Berkeley; connue sous le nom de version 2.6 UCB, elle permet de superposer plusieurs fichiers de molécules dans la même fenêtre, ce qui permet de comparer les structures spatiales. Malheureusement, sous Windows, elle ne gère pas les noms de fichiers longs et semble instable; il faut lui préférer une version plus récente.

Rastop est une version de Philippe Valadon (2000, 2007) avec des menus très enrichis visant à remplacer la ligne de commande. Personnellement, je trouve son interface encombrée. Cela dit Rastop possède aussi une fenêtre de commande (menu Editer, option Commande) et peut exécuter les fichiers de scripts de Rasmol. Ne fonctionne que sous Windows.

Sous MacOS, Rasmol peut-être compliqué à installer; l'application dépend de X11 (XQuartz) que vous devrez installer en plus du système (MacOS postérieur à la version 10.8 et machines à processeur Intel); l'installation de X11 et des applications qui l'utilisent est facilitée par des gestionnaires de paquets comme MacPorts (recommandé) ou Homebrew. Rasmol est distribué par MacPorts (mais pas dans sa dernière version). Les machines à processeur Apple silicon nécessitent une version de X11 > 2.8.0. Plus de détails sur cette page.


La documentation concernant Rasmol est particulièrement abondante:

Jmol & JSmol (détails)

Jmol est un programme Java qui semble compatible avec différentes versions du langage et le fichier .jar reste peu encombrant.

Néanmoins Java est moins populaire qu'auparavant et n'est plus préinstallé sur les versions récentes des systèmes d'exploitation; vous devrez faire cette installation vous même (pour MacOS consultez cette page). L'applet Jmol pour navigateur doit être considéré comme obsolète car non géré par les navigateurs récents; vous devez vous reporter sur la version Javascript JSmol.

Jmol s'inscrit dans la continuité de Rasmol. Comme pour Rasmol dont il s'inspire, il existe deux méthodes de travail pour afficher les molécules, l'une (relativement) intuitive mais limitée faisant appel aux menus, l'autre en ligne de commande (la fenêtre de la console est nommée Rasmol scripts). Jmol et JSmol acceptent différents formats de fichier autres que les .pdb. Les doubles liaisons des petites molécules (lorsqu'elles sont présentes dans le fichier) sont affichées.

La version Javascript de Jmol, nommée JSmol, évite le recours à Java et devient de plus en plus populaire. JSmol est plus lent (d'un facteur 10) que Jmol mais les machines récentes sont rapides, donc le problème est moins sensible. La vitesse peut varier d'un navigateur à l'autre; les navigateurs gardent de nombreux fichiers en cache et c'est surtout la première utilisation qui peut occasionner des lenteurs. JSmol peut utiliser Java ou WebGL, à la place de HTML5, pour ses visualisations. L'option WebGL donne un affichage précis et rapide mais avec peu de fonctionnalités donc le choix de cette option est peu répandu; et le choix de Java est obsolète car non géré par les navigateurs récents.

JSmol demande à être installé sur un serveur web (et même sur un serveur gérant PHP), cependant des pages simples faisant peu appel à la bibliothèque de fichiers de j2s (téléchargeant des fichiers de molécules présents dans la même arborescence que la page web) fonctionnent sans serveur avec certains navigateurs; l'installation sur serveur ne devrait pas poser problème sur un réseau d'établissement; c'est moins classique sur un ordinateur personnel. MacOS possède un serveur reposant sur Apache et PHP, il suffit de l'activer, et encore une fois la réponse est sur cette page. Et pour installer JSmol sur un serveur comme Didac-TIC, l'ensemble des fichiers indispensables pèse une trentaine de Mo avec beaucoup de petits fichiers, ce qui n'est pas rien.

Libmol

L'auteur du logiciel, Paul Pillot, a énormément travaillé sur l'utilisation de données moléculaires dans l'enseignement. Libmol est un site en ligne, interface ouvrant vers les banques de données moléculaires et permettant les traitements de base à partir de menus. C'est donc conçu plus dans l'esprit Rastop que dans l'esprit Rasmol (Cette page du site Didac-TIC met plutôt en avant le choix opposé). L'interface est sobre et agréable. Le fonctionnement est intuitif. S'il s'agit simplement d'argumenter à partir de visualisations, si vous n'avez pas besoin du langage de commande ou des scripts Rasmol, ce site est un excellent choix.

Le site en ligne est basé sur les librairies NGL. Le glisser / déposer m'a semblé non fonctionnel sur macOS (mais on peut parcourir l'arborescence de la station locale). Un des points forts de Libmol est la reconnaissance automatique du type de molécule (petite molécule, acides nucléiques, protéines) et l'adaptation des menus en conséquence ce qui évite d'avoir à multiplier des interfaces dédiées. Le gros point faible est l'impossibilité d'afficher en même temps plusieurs modèles. Libmol peut charger un fichier .pdb multimodèles, mais ne connait que le premier, igorant les suivants. Un autre problème (dont l'auteur n'est probablement pas responsable) est qu'un clic sur le code du fichier (en haut à gauche de la fenêtre de visualisation), prévu pour enregistrer le fichier visualisé, n'aboutit plus à ce résultat: la fenêtre d'information affichée renvoie à la Librairie de molécules (un site officiel du ministère de l'éducation qui a disparu). Paul Pilot a résolu le problème en plaçant une banque de fichiers sur son site, mais le format utilisé (MMTF) bien que populaire pour sa compacité n'est pas lisible directement par un éditeur texte, et est abandonné par la Protein Data Bank (remplacé par mmCIF/BinaryCIF). Pour faire bref, le champ "Rechercher dans la librairie de molécules" est devenu trompeur et Libmol n'est pas une banque de données moléculaires.

Libmol est également disponible sous forme d'une application autonome (sans navigateur), ce qui compense les difficultés d'installation de l'application web. En effet, l'application web pour navigateur, dont le code source est disponible, semble très difficile à mettre en place sur un serveur personnel en raison de multiples dépendances (l'utilisation des librairies NGL est particulièrement hermétique).

iCn3d (See in 3D)

Le développement de l'application indépendante est abandonné, mais la version Windows devrait pouvoir être encore longtemps utilisée. Sinon reste l'interface en ligne. Le site et l'application, utilisent un format PDB modifié: ils représentent d'abord une interface de consultation très performante pour la banque de données moléculaires du NCBI.

Chimera / Chimera X

Activement développée à l'université de Californie, cette application, que je n'ai pas eu l'occasion d'étudier en détail, est prometteuse. Originaire du monde Unix, elle a été développée pour toutes les plateformes. Les versions les plus récentes exigent MacOS 11 et sont optimisées pour les processeurs Apple silicon. La visualisation moléculaire des macromolécules est superbe. Pour une interface de commande moderne, il faut utiliser Chimera X qui exige au moins MacOS 10.13, Window 10, ou des versions assez récentes de Linux et dans tous les cas, une place conséquente sur le disque système. Sinon l'interface de commande de Chimera (la version ancienne de Chimera X) évoque surtout Unix, est peu intuitive et m'a parfois semblée peu réactive (en particulier la navigation dans le système de fichiers local). Chimera, surtout dans sa version X permet un travail préparatoire tel qu'enregister des portions de fichiers ou l'alignement de plusieurs modèles. Chimera permet aussi la conversion de fichiers entre formats (même si vous perdrez souvent des commentaires). Toutefois ce programme demande un temps conséquent d'appropriation.

DeepView (SwissPDB Viewer)

Puissant et complexe, à l'égal de Chimera. Permet de charger simultanément plusieurs molécules, de comparer les structures spatiales, mais aussi d'aligner les structures primaires. A réserver au spécialiste ou au prof très motivé ! Le développement de cette application est cependant abandonné.

3D alignment

Cet outil en ligne permet de superposer des protéines et de comparer les séquences (la structure primaire des protéines).

Les autres logiciels ↑

Les applications spécialisées dans les petites molécules répondent les plus souvent aux besoins suivants: construire une molécule en plaçant les atomes constitutifs et en les liant; l'application corrige alors les erreurs (de liaisons, de distance, calcule les angles en 3D et produit un fichier texte contenant les positions des atomes dans un espace à 3 dimensions. Le fichier n'est pas toujours affiché en 3D mais transmis à un autre programme.

OrbiMol
Il s'agit d'une installation en ligne de JSmol dont l'interface web est spécialisée dans la visualisation des orbitales moléculaires. Développée à l'université de Jussieu et évidemment destinée aux chimistes. Témoigne des possibilités très étendues de JSmol pour peu qu'on se penche sur sont interfaçage avec une page web.

MolView
MolView is an intuitive web-application to make science and education more awesome! MolView is mainly intended as web-based data visualization platform. You can use MolView to search through different scientific databases including compound databases, protein databases and spectral databases, and view records from these databases as interactive visualizations using WebGL and HTML5 technologies. This web application is built on top of the JavaScript libraries and online services listed below. The Virtual Model Kit has been a source of inspiration for the birth of this project.
(suite à venir)

Avogadro

Un peu de pédagogie ↑

Le fonctionnement de tous les logiciels issus de Rasmol (et visualisant des macromolécules) repose sur des fichiers de molécules déjà construits. C'est différence majeure avec les logiciels destinés au chimistes (comme Avogadro) qui permettent de construire des molécules. La conséquence est que les activités sont réduites à l'illustration d'un modèle ou à la confirmation de ses propriétés. Tout au plus certains logiciels permttent de superposer des molécules, de tester leur alignement et donc de travailler sur l'évolution moléculaire.

Les banques officielles PDB ne contiennent que des fichiers considérés comme exacts et expérimentalement validés. Une démarche pédagogique qui s'appuierait sur l'histoire gagnerait à disporer de modèles historiques révéla teur des essais / erreurs de leurs auteurs. Nous essaierons de développer cette approche dans le cas d'une molécule emblématique comme l'ADN.

Plus généralement il faut s'efforcer de placer les élèves dans une démarche de résolution de problème qu'elle soit inspirée de l'histoire ou pas).

Enfin toute activité de traduction, comme de décrire le modèle visualisé par un texte, ou même une transposition plus limitée sous forme de schéma papier peut-être extrêmement intéressante (des consignes assez strictes guidant la transposition me semblent nécessaires pour passer d'un dessin à un schéma).

Que faire des fichiers PDB ? ↑

Les scripts qui déroulent une animation sans interaction avec l'observateur, sont peu intéressants dans les apprentissages scolaires, laissant l'élève dans le rôle de spectateur passif. Il semble qu'on puisse mettre en avant l'usage de la ligne de commande, même si celle-ci est au départ rébarbative (plus aux profs qu'aux élèves d'après mon expérience personnelle; en fait la pratique de la ligne de commande est devenue tellement rare aujourd'hui en informatique qu'elle devient très valorisante pour celui qui la pratique). Le langage de commande de Rasmol n'est pas si complexe et repris pour l'essentiel par Jmol et JSmol (ce qui semble assurer une continuité pour le futur). Cependant, il demande un temps non négligeable d'appropriation.

Une métaphore: la déambulation libre dans un musée est valorisante, mais une visite guidée permettra de découvrir des choses qu'on va forcément louper autrement. C'est dans cet esprit que sont présentées les démonstrations qui suivent : elles ne sont pas destinés à remplacer une activité en ligne de commande mais à l'introduire ou tout au moins proposent une approche "mixte".

La résolution de petits problèmes (questions ouvertes) suppose la connaissance des différents niveaux de structure des molécules et des modes de visualisation offerts par l'application. Les explorations des exemples proposés ci-dessous seront bien plus intéressantes si elles réalisées dans le cadre d'une démarche de résolution de problèmes (que nous avons rarement formulés pour ne pas enfermer l'utilisation); elles peuvent aider à contourner les obstacles techniques liés à la maitrise des commandes. L'iutilisation des fichiers de modèles .pdb (ou équivalents) peut être une simple visualisation de la molécule (en boules, en boules et batons, en squelette), la décomposition d'un polymère en chaines ou en molécules simples, l'analyse des interactions entre un enzyme et son substrat, entre une hormone (ou un transmetteur) et son récepteur, la relation entre molécules identiques d'espèces différentes ou entre molécules d'une même famille multigénique, etc.). Complémenté par un logiciel de comparaison de séquence, il est possible d'analyser où se situent les mutations (entrainant des substitions d'acides aminés) qui modifient l'activité d'une protéine. Un site comme 3D alignment peut être précieux pour cette dernière activité. Les commandes à utiliser sont différentes d'un cas à l'autre, ce qui justifie en partie des pages dédiées. Les commandes peuvent être tapées dans Rasmol si on utilise encore cette application ou directement dans la fenêtre du navigateur grâce à JSmol.

Les fichiers non compressés sont éditables avec un traitement de texte simple (pour supprimer des chaines, par exemple); dans le cas des macromolécules, les applications utilisent souvent des fichiers compressés GNU zip (.gz) pour limiter l'encombrement.

Les exemples qui suivent utilisent tous JSmol. Le chargement des scripts et des molécules peut être assez long lors d'un premier usage, soyez patients; s'il est possible d'intégrer plusieurs canvas JSmol dans la même page web pour faciliter une comparaison, vous pouvez toujours ouvrir plusieurs pages intégrant JSmol dans des onglets différents (ou dans des fenêtres différentes), ce qui au final est peut être plus confortable; de plus JSmol peut charger plusieurs modèles moléculaires dans le même canvas. Jsmol n'est toutefois pas capable de calculer l'alignement de ces modèles; il faudra utiliser des modèles préalablement alignés.

Où trouver des fichiers PDB ? ↑

Pour les macromolécules, les serveurs de la Protein Data Bank constituent un must, mais la recherche peut être fastidieuse si vous ne connaissez pas le code exact de la molécule que vous cherchez; cependant le serveur NCBI est l'outil le plus exhaustif pour la recherche de protéines. Pour de petites molécules, vous pouvez utiliser un moteur de recherche comme Google en tapant leur nom (et plutôt leur nom anglais) accompagné de *.pdb; d'autres formats comme .mol sont aussi utilisables.

Pour télécharger (download) sur votre machine des fichiers de molécules (.pdb et autres) sur des sites qui les affichent sous JSmol, deux solutions:

1. utilisez le langage de commande; si la page comporte une console ou un champ de saisie permettant d'entrer une commande, tapez show url: le fichier sera affiché en mode texte dans une nouvelle fenêtre (un nouvel onglet) du navigateur, ou le navigateur vous proposera directement son enregistrement (ceci dépend du format du fichier); si la console n'est pas affichée, vous pouvez généralement la faire apparaitre grâce au menu "popup" de JSmol qui s'affiche avec un clic droit;
2. sinon cherchez dans ce menu une option représentée par le nom du fichier (dans les versions récentes de JSmol, c'est par défaut la 2ème ligne; cliquez sur ce nom affiche un sous-menu dont la dernière option est Voir* (l'étoile étant remplacée par le nom du fichier) et vous obtenez le même résultat que précédemment.

Si rien n'a fonctionné la commande show file exécutée dans la console devrait afficher le fichier dans cette même console (et vous pouvez faire un couper/coller).