Les logiciels de visualisation moléculaire

1 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).

2 Les logiciels

L'utilisation pédagogique des logiciels peut viser une compréhension de la structure des macromolécules et du fonctionnement des enzymes, 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 la meilleure solution, même si elle est assez exigeante. L'utilisation de pages web dédiées à un apprentissage précis (en s'appuyant sur l'applet Jmol) peut constituer une première approche.

Nous privilégierons Jmol, disponible à la fois sous forme d'application indépendante et d'applet pour navigateur, ce qui à l'avantage de la cohérence. De plus ce logiciel basé sur Java fonctionne sur tous les systèmes d'exploitation (l'installation du jre est nécessaire); comme pour d'autres logiciels, les contraintes de sécurité posés par Java ont conduit au développement d'une version Javascript devenue de plus en plus populaire. L'application historique Rasmol, a un peu vieilli mais sa mise à jour se perpétue pour assurer sa compatibilité avec des systèmes d'exploitation récents sans que de grandes modifications des fonctionnalités soient apportées (elles ne sont pas vraiment nécessaires). Cn3d au contraire bénéfie d'un développement actif. Presque toutes les applications citées sont libres.

2.1 A l'affiche : Jmol

Jmol est un programme Java disponible à la fois comme application indépendante ou comme applet pour navigateur. Une troisième version est apparue récement sous forme d'un applet Javascript. Ce programme reprend le langage de commande de Rasmol. La vitesse d'affichage est très rapide (surtout pour un programme en Java). Comme pour Rasmol dont il s'inspire, il existe deux méthodes de travail pour afficher les molécules, l'une intuitive mais limitée faisant appel aux menus, l'autre en ligne de commande (la fenêtre de la console est nommée Rasmol scripts). Des exemples de scripts Jmol sont présentés sur ce site (liens dans le §3) où on se posera quelques questions pédagogiques.

La visualisation en ligne de molécules évolue avec le temps; dans un passé déjà lointain il fallait installer un module spécifique dans son navigateur. Les versions en ligne de Jmol sont représentées par un applet que le navigateur télécharge automatiquement. L'applet Java est assez long à charger, mais il présente une bonne compatibilité avec différents navigateurs et systèmes d'exploitation. Il exige évidemment le support de Java par la machine cliente. Malheureusement les problèmes de sécurités liés à Java on conduit à l'apparition d'une multitude d'avertissements. Sur des machines bien configurées, l'utilisation d'applets Java provenant de sites de confiance ne doit cependant pas susciter d'inquiétudes. Des solutions plus récentes comme JSmol, la version javascript de Jmol, cherchent à éviter le recours à Java.

2.2 GLmol

La page de présentation de cette application indique: "GLmol runs on newer versions of Firefox, Chrome, Safari or Opera. Safari users have to enable WebGL manually. Internet Explorer is not supported because IE doesn't implement WebGL". GLmol présente peu de possibilités d'interaction avec l'utilisateur ce qui en limite l'intérêt à un simple affichage. Toutefois GLmol est rapide et semble intéressant dans l'étude de molécules simples.

2.3 Rasmol

Rasmol est une application ancienne. Si elle est compatible avec votre système, 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 par l'application). L'importance donnée à la ligne de commande (à l'origine, c'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.

Les menus sont internationalisés, mais l'utilisation du français éloigne du langage de commande alors que les menus anglais en sont plus proches...

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 dans la même fenêtre, ce qui permet de comparer les structures spatiales. Malheureusement, elle est un peu dépassée (sous Windows, elle ne gère pas les noms de fichiers longs) et semble instable; il faut lui préférer une version plus récente (2.7.x).

Le développement de ce logiciel est en sommeil.

2.4 Rastop

Rastop inclut le moteur d'affichage de Rasmol, mais peut remplacer la ligne de commande par des menus. Personnellement, je trouve son interface encombrée. Ce logiciel est conçu pour ceux qui préférent naviguer à la souris dans des menus arborescents plutôt que de taper des commandes au clavier (question d'habitude). Cela dit Rastop possède aussi une fenêtre de commande (menu Editer, option Commande) et peut exécuter les fichiers de scripts de Rasmol. Cette application n'a donc rien a envier à son prédécesseur Rasmol (sauf qu'elle ne fonctionne que sous Windows).

Ici encore je conseille de laisser de côté les menus pour s'intéresser au langage de commande. Rastop apporte des possibilités nouvelles : sélection de portions de la molécule par clic de souris, superposition de plusieurs molécules dans la même fenêtre. Le logiciel existe en version anglaise et française (téléchargement à partir des liens ci-dessous), uniquement pour Windows et n'est plus développé.

2.5 Cn3d (See in 3D)

Compte tenu de l'absence de mise à jour des deux applications précédentes, voilà une concurence sérieuse. Cette application apporte une meilleure qualité de visualisation que Rasmol et affiche en plus la structure primaire. L'interface garde une apparence simple tout en laissant présager des possibilités étendues. L'application, qui bénéficie de mises à jour régulières, utilise un format PDB modifié : c'est d'abord une interface de consultation très performante pour la banque de données moléculaires du NCBI.

2.6 Chimera

Activement développée à l'université de Californie, cette application, que je n'ai pas eu l'occasion d'utiliser, a tout pour séduire. Originaire du monde Unix, elle est aujourd'hui disponible sous toutes les plateformes dans leurs versions les plus récentes.

2.8 DeepView (SwissPDB Viewer)

Puissant et complexe. 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 !

2.9 Comparatif

Ce tableau ne s'affiche pas sur les petits écrans (par exemple, smartphones).

3 Que faire des fichiers PDB ?

Les scripts "clés en main" sont peu intéressants dans les apprentissages scolaires, laissant l'élève dans le rôle de simple exécutant. Il semble qu'on puisse privilégier 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 (ce qui semble assurer une continuité pour le futur). Cependant, il demande un temps non négligeable d'appropriation. On peut progresser de l'utilisation d'exemples (donc de guidages fermés), à la résolution de petits problèmes (questions ouvertes) supposant la connaissance des différents niveaux de structure des molécules et des modes de visualisation offerts par l'application. C'est dans cet esprit que sont présentés les démonstrations qui suivent : ils ne sont pas destinés à remplacer une activité en ligne de commande mais à l'introduire. Les commandes peuvent être tapées dans Rasmol si on utilise l'application ou directement dans la fenêtre du navigateur grâce à JSmol.

Ces exemples utilisent tous la version Javascript de Jmol (JSmol) ce qui, en ligne, évite les avertissements de sécurité. Le chargement de l'application peut prendre plusieurs dizaines de secondes, soyez patients. L'affichage fenêtre unique est adaptée aux petits écrans; l'affichage double fenêtre est plus confortable sur un grand écran.

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

4 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.


Le logiciel Babel vous permettra, si nécessaire, de convertir les fichiers de coordonées moléculaires :