Viele biochemische Prozesse lassen sich erst verstehen, wenn ein dreidimensionales Molekülbild der agierenden Substanzen die Reaktion das Funktionsprinzip veranschaulicht.

Kaum eine Wissenschaft hat in den letzten Jahrzehnten so rasante Fortschritte gemacht, wie die Biochemie. Dabei bedient sich diese Wissenschaft der Computertechnik als unverzichtbares Werkzeug: Viele biochemische Prozesse lassen sich erst verstehen, wenn ein dreidimensionales Molekülbild der agierenden Substanzen deren Reaktion darstellt.

Das Stichwort Molekül im Ubuntu-Software-Center zeigt zehn Einträge, darunter ein Spiel und zwei Zeichenprogramme für chemische Strukturen. Dann aber findet man eine Reihe nützlicher Programme. Dazu zählen der Klassiker RasMol, der Alleskönner PyMol, der Baumeister Avogadro, das Java-Programm JMol (es läuft überall, sogar im Browser) sowie der Außenseiter GChemPaint.

Das verheißungsvollste Programm allerdings, Ghemical, das nicht nur Moleküle darstellt, sondern auch Molekülorbitalrechnungen vornehmen kann, entzog sich dem Test: Nach der Installation stürzte es mit einer Reihe Fehlermeldungen ab. Tatsächlich berichten alle einschlägigen Foren ebenfalls über Installationsprobleme von Ghemical auf Ubuntu.

Was die Programme können

In der Chemie sind chemische Formeln so etwas wie die Fachsprache der Chemiker. Ursprünglich nutzten sie die Summenformel, eine einfache Aneinanderreihung von Buchstaben und Zahlen für die Elemente und deren Anzahl im Molekül. Später lieferte die zweidimensionale Strukturformel deutlich mehr Information über das Molekül, etwa das Vorliegen von Einfach- und Doppelbindungen.

In den Visualisierungsprogrammen kommt nun die maßstäbliche Anordnung zur Strukturformel hinzu (Abbildung  1). Die Atome erscheinen in ihren korrekten Positionen und lassen sich aus verschiedenen Richtungen betrachten. Hinzu kommt je nach Programm die Darstellung von Moleküloberflächen, funktionalen Komponenten oder Elektronendichtekarten. Was bei dem einfachen Äthylenmolekül in Abbildung 1 noch ein wenig nach technischem Overkill aussieht, entpuppt sich bei komplexen Molekülen wie der DNS als äußerst hilfreiche Möglichkeit.

Abbildung 1: Die verschiedenen Darstellungen des einfachen Kohlenwasserstoffmoleküls Äthylen, von der einfachen Summenformel über die plastische Strukturformel bis hin zur Visualisierung.

Bei der Darstellung der Elektronenverteilung um das Atomgerüst des Moleküls herum handelt es sich um eine eine weitere hervorragende Fähigkeit der Molekülvisualisierung: Will man verstehen, wie elektrostatische Anziehungs- und Abstoßungsprozesse innerhalb des Moleküls wirken, hilft eine solche Elektronendichtekarte auf die Sprünge. Um sie zu erzeugen, greift man auf den Electron Density Server der Universität Uppsala [1] zurück. Der Prozess ist kompliziert, aber er funktioniert, wie die in diesem Test nach der entsprechenden Anleitung [2] mit PyMol erzeugte Abbildung 2 zeigt.

Abbildung 2: Die Elektronendichte, berechnet beim Electron Density Server der Universität Uppsala, gibt den Raum rund um das Atomgerüst des Moleküls an, in dem ein Elektron sich aufhalten kann.

Diese folgende Kurzübersicht stellt einige Anwendungen vor, die ihre ganze beeindruckende Visualisierungskraft aber erst im eigenen Experiment zeigen. Sie sollten sich daher bei Interesse selbst von der Macht der bewegbaren Molekülbilder zu überzeugen. Speziell die DNS-Darstellung auf der Biomodel-Website von Angel Herráez an der spanischen Universidad de Alcalá [3] eignet sich als gute Anlaufstelle zum Verständnis des Potenzials, insbesondere für den Biologie-Unterricht an Gymnasien.

RasMol, der Klassiker

RasMol [4] war das erste Molekülvisualisierungsprogramm für Linux. Die hier vorgestellte, auf Gtk basierende Version 2.7.5 erfreut durch eine nur mäßig komplexe Bedienung und erlaubt schnelle Wechsel von einer Darstellung in die nächste. Auch Drehen und Zoomen gehen nach kurzer Zeit intuitiv von der Hand.

Sie können auch mehrere Moleküle gleichzeitig laden. Nach der Auswahl des sichtbaren Moleküls verändern Sie dessen Darstellung sowie Position und veranschaulichen damit beispielsweise das Zusammenwirken mehrerer Moleküle bei Syntheseprozessen.

RasMol läuft nicht nur unter Linux, sondern auch unter Mac OS X sowie Windows – allerdings jeweils nur auf dem Desktop. Das bedeutet, dass sich damit die für den Schulbetrieb so interessanten Web-Tutorials nicht realisieren lassen.

Abbildung 3: Das “Klenow-Enzym”, ein Protein-Fragment der DNA-Polymerase I des E.-Coli-Bakteriums, in der Cartoon-Darstellung von RasMol mit Fragmentfarbgebung. Neuere Visualisierungsprogramme lösen das das blaue Band in Molekülketten auf.

JMol, das Universaltalent

Das in Java geschriebene JMol [5] lässt sich nicht nur auf dem Desktop verwenden, sondern auch als Applet in HTML-Seiten einbinden. Damit ermöglicht es interaktive Tutorials, mit denen man insbesondere im Schulunterricht der gymnasialen Oberstufe ideal interaktive Lerneinheiten zusammenstellen kann. Viele schöne Beispiele rund um die DNS finden sich auf der bereits erwähnten spanischen Biomodel-Website [6] sowie in einer deutschsprachigen Anleitung [7].

Dank Java läuft JMol auf nahezu allen Betriebssystemen auch als Desktop-Anwendung und bietet dort eine übersichtliche, intuitiv zu bedienende Benutzeroberfläche (Abbildung 4).

Abbildung 4: Noch einmal das Klenow-Fragment, diesmal in der Cartoon-Darstellung von JMol mit Fragmentfarbgebung. Anders als RasMol löst JMol das blaue Band in Molekülketten auf.

Avogadro, der Baumeister

Avogadro [8] hat weniger die Darstellung bekannter Strukturen zum Ziel, obwohl die Anwendung das ebenfalls beherrscht: Vielmehr bauen Sie mit Avogadro Ihr eigenes Molekül, ohne dazu die Koordinaten der einzelnen Atome kennen zu müssen.

Sie beginnen einfach, von Atom zu Atom die grobe Struktur zu zeichnen. Dann starten Sie den Optimierungsmodus und lassen Avogadro die Geometrie des Moleküls nach energetischen Gesichtspunkten optimieren: Je geringer die Bindungsenergie, desto dichter fällt das Molekül in der realen Struktur aus.

Das so komponierte Molekül messen Sie anschließend aus und weisen Avogadro an, die Koordinaten der Atome auszugeben (Abbildung 5).

Abbildung 5: Als molekularer Baumeister ermöglicht Avogadro nicht nur die Ansicht von Molekülen, sondern auch deren Konstruktion sowie die Ausgabe der Atomkoordinaten.

PyMol, der Alleskönner

Die Leistungsfähigkeit von PyMol [9] demonstriert Abbildung 2, wo das Programm gemäß der Anleitung [2] in vielen Schritten die Elektronendichte berechnet und dargestellt hat. Aber so leistungsfähig PyMol ist, so komplex fällt auch die Bedienung aus. Es besteht aus zwei Fenstern, einem Skript- und einem Bildfenster, in dem es das eigentliche Bild darstellt.

Laden Sie mehrere Bilder, etwa das Molekül selbst sowie der Elektronendichteraum aus Abbildung 2, dann lassen sich die einzelnen Darstellungen über die Tasten mit den Bezeichnungen rechts im Bildfenster einstellen. Eine souveräne Nutzung des Programms klappt erfahrungsgemäß ohne einen gelegentlichen Griff zum Handbuch [10] nicht – Leistungsfähigkeit hat eben ihren Preis.

GChemPaint, der Außenseiter

Bei GChemPaint [11] handelt es sich streng genommen nicht um eine Visualisierungsprogramm. Es rutschte dadurch mit in diesen Test, dass es eine nette Eigenschaft hat: Es kann Molekül-Daten im verbreiteten PDB-Format lesen und dann direkt als Strukturformel anzeigen. Diese Strukturformel lässt sich dann in wissenschaftlichen Dokumentationen besser einsetzen als 3D-Visualisierungen – zumindest, solange die Moleküle nicht zu groß ausfallen (Abbildung 6).

Abbildung 6: GChemPaint ist der Außenseiter im Angebot. Das Programm wandelt PDB-Dateien in Strukturformeln um, die sich bei einfachen Molekülen besser für wissenschaftliche Publikationen eignen.

Fazit

Die Visualisierungsmöglichkeiten der modernen Bioinformatik sind auf dem Linux-Desktop angekommen. Geboten wird alles, was dem Verständnis biochemischer Reaktionen dienen kann. Eine riesige Bibliothek von Moleküldateien im PDB-Format [12] ermöglicht den Zugriff auf das biochemische Wissen der Welt.

Neben der reinen Darstellung der Moleküle wie in RasMol, JMol oder PyMol bietet Avogadro die Fähigkeit, Moleküle zu “designen” und die sich ergebenden Koordinaten für Berechnungen auszugeben. Der Alleskönner PyMol beherrscht selbst komplizierteste Visualisierungen. Als Java-Applet eignet sich JMol ganz hervorragend für die Entwicklung interaktiver Unterrichtseinheiten und sollte damit das Lieblingsprogramm aller Biologielehrer der gymnasialen Oberstufe sein. GChemPaint macht die Rolle rückwärts und bietet an, die PDB-Moleküldateien in einfache Strukturformeln zu überführen.