ナノスケールでの三角形の表面のための一般的で堅牢なレイキャスティングベースのアルゴリズム

ナノ生物科学分野で発生する複雑なマニホールド表面を三角測量するための一般的で堅牢で効率的なレイキャスティングベースのアプローチを提示します。この機能は、以下のより拡張されたフレームワークに挿入されます。i）いくつかの既存の定義に従ってナノメトリックシステムの分子表面を構築する、ii）は外部メッシュをインポートでき、iii）は正確な表面積推定、iv）を実行する、iv）は、ボリューム推定、キャビティ検出、および条件付き体積充填、およびV）を実行し、v）は、与えられた表面に従って、グリッドのポイントを色付けすることができます。公開されているNanoshaper Software Suite（www.electrostaticszone.eu）にメソッドを実装しました。CGALライブラリとアドホックレイキャスティングテクニックを使用して、堅牢性が達成されます。私たちのアプローチは、あらゆるマニホールド表面（非分子の表面を含む）を扱うことができます。ここで明示的に扱われているのは、コノリーリチャード（SES）、皮膚、ガウス表面です。テスト結果は、回転、スケール、および原子変位に堅牢であることを示しています。この最後の側面は、Fullereneの高度に対称的な構造の空洞検出によって証明されます。タイミングに関しては、NanoshaperはLindow et alの単一のスレッドバージョンの3倍速い皮膚表面を構築します。100,000原子タンパク質では、Kruithofアルゴリズムの少なくとも10倍の速さを三角測量します。Nanoshaperは、Delphi Poisson-Boltzmann方程式ソルバーと統合されました。そのSESグリッドの着色は、Delphiのカウンターパートよりも優れていました。大規模システムでの方法の生存率をテストするために、タンパク質データバンクの最大の分子構造の1つ、つまりヒトアデノウイルス（水素添加後180,000原子）に対応する1VSZエントリの1つを選択しました。中間ワークステーションで、対応するSESおよび皮膚表面（それぞれ620万枚の三角形、Åあたり2グリッドのスケールで）を三角測量することができました。

We present a general, robust, and efficient ray-casting-based approach to triangulating complex manifold surfaces arising in the nano-bioscience field. This feature is inserted in a more extended framework that: i) builds the molecular surface of nanometric systems according to several existing definitions, ii) can import external meshes, iii) performs accurate surface area estimation, iv) performs volume estimation, cavity detection, and conditional volume filling, and v) can color the points of a grid according to their locations with respect to the given surface. We implemented our methods in the publicly available NanoShaper software suite (www.electrostaticszone.eu). Robustness is achieved using the CGAL library and an ad hoc ray-casting technique. Our approach can deal with any manifold surface (including nonmolecular ones). Those explicitly treated here are the Connolly-Richards (SES), the Skin, and the Gaussian surfaces. Test results indicate that it is robust to rotation, scale, and atom displacement. This last aspect is evidenced by cavity detection of the highly symmetric structure of fullerene, which fails when attempted by MSMS and has problems in EDTSurf. In terms of timings, NanoShaper builds the Skin surface three times faster than the single threaded version in Lindow et al. on a 100,000 atoms protein and triangulates it at least ten times more rapidly than the Kruithof algorithm. NanoShaper was integrated with the DelPhi Poisson-Boltzmann equation solver. Its SES grid coloring outperformed the DelPhi counterpart. To test the viability of our method on large systems, we chose one of the biggest molecular structures in the Protein Data Bank, namely the 1VSZ entry, which corresponds to the human adenovirus (180,000 atoms after Hydrogen addition). We were able to triangulate the corresponding SES and Skin surfaces (6.2 and 7.0 million triangles, respectively, at a scale of 2 grids per Å) on a middle-range workstation.