Evaluación visual de modelos computacionales de la mesoescala biológica

Abstract

La erradicación de la viruela en el año 1977 se considera uno de los grandes hitos de la investigación científica. Sin embargo, los avances técnicos no han impedido que 40 años después de ese acontecimiento aún no haya cura para muchos otros virus. Es el caso del VIH, que afecta a más de 36 millones de personas en el mundo. Por sus características especiales el VIH es un área de investigación intensa en la que se producen descubrimientos cada mes. Para poder comprender y analizar su comportamiento e impacto en el ser humano es imprescindible la obtención de imágenes del virus. No obstante, el VIH junto con otras estructuras como orgánulos celulares o anticuerpos forma parte de la denominada mesoescala biológica, que es el rango de tamaño entre 10 y 100 nanómetros. Estas estructuras son demasiado pequeñas para ser observadas mediante microscopía óptica pero demasiado grandes y complejas para las técnicas con resolución a nivel atómico.
De ahí surge la necesidad de crear modelos computacionales que representen fielmente la realidad. Actualmente existe un número limitado de modelos de la mesoescala biológica, puesto que su desarrollo se ha llevado a cabo en los últimos años. Las herramientas software más novedosas como cellPACK permiten ensamblar automáticamente estos modelos. El algoritmo de cellPACK rellena contenedores biológicos con objetos moleculares respetando una lista de parámetros que incluye distribuciones preferentes, restricciones o interacciones entre objetos en un proceso conocido como packing.
El principal problema de esta técnica es la necesidad de analizar los modelos generados para comprobar que no solo se ajustan a la realidad sino que también ofrecen las mejores posibilidades para visualizar y comprender los sistemas biológicos. Con este fin, en esta tesis se desarrollará una herramienta software que permitirá una evaluación visual de la calidad de los modelos obtenidos a través de algoritmos de packing automático.
La herramienta software ha sido programada íntegramente en C++ junto con las librerías de Qt. La interfaz gráfica de usuario se ha diseñado con Qt Designer y consta de una pantalla principal compuesta por un área de visualización y una barra lateral con botones y cuadros combinados que dan acceso a las distintas funcionalidades de la herramienta.
En una primera fase del proyecto se trabajó con objetos colocados manualmente mediante el clic del ratón. Los objetos son representados por círculos de distinto tamaño.
También se incluyó una función de relleno automático para probar el resto de funciones sin tener que recurrir a modelos reales.
Una de las funcionalidades implementadas para la evaluación de modelos fue la "red de poros de vacío", que genera un mapa de distancias y zonas vacías, donde la distancia desde un punto de la visualización hasta el objeto más cercano viene codificado por un tono de color. Las áreas ocupadas se muestran en blanco mientras que aquellas muy distantes de cualquier objeto tienen un color rojo intenso.
Podemos concluir que los objetos del modelo dado están densamente empaquetados salvo en el área superior y que no hay colisión entre objetos. Además, se ha programado la función de tal manera que el usuario pueda elegir el tamaño del área de transición entre blanco y rojo puro y si dicha transición ocurre por niveles marcados o de forma fluida, de forma que la función se adapte a las necesidades del modelo con el que está trabajando. Se ha incluido también una herramienta que genera gráficos estadísticos para aportar información cualitativa sobre la distribución espacial de los objetos. Los gráficos miden la cantidad de objetos colocados en cada una de las secciones regulares en las que se ha dividido cada uno de los ejes. Se puede afirmar entonces que la distribución a lo largo del eje horizontal es homogéneo y lo contrario para el eje vertical.
El resto de funcionalidades se han probado usando modelos de cellPACK. Los datos que describen una sección 2D de dichos modelos se recogen en un archivo XML, que la herramienta abre y analiza para generar una visualización. La herramienta ha dibujado cada átomo mediante un cálculo que implica utilizar la matriz de rotación del cuaternión por el que vienen dadas sus posiciones en el archivo de código escrito. Se ha implementado también la opción de visualizar el modelo dibujando por cada macromolécula el círculo delimitador que lo rodea en lugar de todos sus átomos. De la misma manera, se ha posibilitado al usuario elegir el tipo de molécula con el que quiere trabajar e ignorar los demás.
Otra de las funciones disponibles es el contraste de modelos dos-a-dos, en la que se compara el color de cada píxel en las visualizaciones de dos modelos distintos y se genera una nueva imagen resaltando aquellas regiones en las que hay disparidad. Esto permite ver diferencias imperceptibles a primera vista.
La última función implementada que complementa a las demás es el zoom.
Las distintas funcionalidades y tipos de visualización presentadas deben ser combinadas por el usuario para efectuar un análisis adecuado del modelo. Por ejemplo, utilizar los gráficos de distribución puede ser lógico solo si antes se ha escogido un tipo de molécula determinada cuyo packing se desea estudiar.
Se puede concluir a la luz de los resultados que se ha alcanzado el objetivo de implementar una herramienta software, que si bien ya es funcional dotando al usuario de una serie de posibilidades básicas, debe servir como base para su posterior desarrollo hasta alcanzar una herramienta que cumpla totalmente con las necesidades de la comunidad científica. Se sugiere en esta memoria tanto los distintos aspectos que pueden ser mejorados, como la imposibilidad de escoger más de un tipo de molécula a la vez, como las líneas de futuro a seguir para mejorar el proyecto, que pasan por hacer la herramienta más intuitiva o posibilitar el análisis en tres dimensiones.