Ukázky použití programu CrystalCMP pro porovnávání pakování molekulárních krystalů

J. Rohlíček

Oddělení strukturní analýzy, Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. Na Slovance 1999/2
182 21 Praha 8

rohlicek@fzu.cz

Pravděpodobně každý krystalograf se dostal jednou do situace, kdy potřeboval porovnat dvě nebo více krystalových struktur organických nebo organokovových látek a hledal způsob a nástroj, jak to provést, aniž by nad tím zbytečně strávil čas navíc. Všechen ten čas uplynulý před monitorem, kdy se krystalografové pomocí ručního otáčení modelů krystalových struktur snažili mezi nimi najít podobnost, je němým svědkem toho, že nějaký nástroj pro tento účel je vhodné si osvojit.

V minulosti bylo publikováno několik metod pro porovnávání krystalových struktur [1–6]. Mezi uživatelsky přívětivé nástroje bych zařadil funkci Crystal Packing Similarity v programu Mercury [7], a programy COMPSTRU [8], xPac [9] a CrystalCMP [10]. Nástroj Crystal Packing Similarity je zpřístupněn uživateli jen v placené verzi programu Mercury. Program COMPSTRU je vytvořen jako online nástroj na stránkách Bilbao Crystallographic Server a programy xPac a CrystalCMP lze volně stáhnout.

Nástroje Crystal Packing Similarity, xPac a CrystalCMP používají podobný přístup pro porovnání pakování molekul v krystalových strukturách. Programy vyberou u každé porovnávané struktury reprezentativní molekulární klastr, kde je možné zvolit např. jen jeden typ molekuly (obvykle té největší ve struktuře). Následně provedou porovnání na základě rozdílů pozic molekul v obou klastrech. Jednotlivé implementace se liší ve způsobu porovnávání obou klastrů a v rychlosti porovnání. Metoda porovnání použitá programem COMPSTRU se od zbylých třech metod výrazně liší. Její přístup bych nazval jako více krystalografický. Program najde nejlepší transformaci základních buněk porovnávaných struktur a pak provede porovnání pozic atomů v základní buňce.

Uvedené nástroje určené pro porovnávání krystalových struktur se mezi sebou liší použitou metodou, uživatelským rozhraním a dostupností. Je tedy jen na uživateli, který z nich si nakonec vybere.

Jak už bylo zmíněno, metoda programu CrystalCMP je založena na porovnávání reprezentativního molekulárního klastru, do kterého je možné zahrnout jeden typ molekuly, obvykle té největší. Během porovnávání dojde k překrytí vygenerovaných molekulárních klastrů jednotlivých krystalových struktur a podobnost je spočítána jako odchylka středů překrývajících se molekul a úhlů natočení molekul od sebe. Výsledná podobnost (v tomto případě spíš rozdílnost) je dána vztahem:

kde D_c je průměrná vzdálenost (v Å) středů překrývajících se molekul a  A_d reprezentuje odchylku natočení překrývajících se molekul v prostoru. Hodnota w je volena uživatelem a reprezentuje váhu mezi D_c a A_d.

Větší váha je ve výchozím nastavení programu kladena na rozdíl natočení molekul v prostoru. Je to z toho důvodu, že stejné pakování není ani tak podmíněno stejnou pozicí molekul v prostoru, jako spíš jejich stejným natočením, viz. obr. 1. Pomocí takto definované funkce Ps_a,b je umožněno porovnávání molekulárních struktur, které byly změřeny za různých teplot. Objemová změna struktury má totiž na změnu Ps_a,b funkce malý vliv. Lze tedy porovnávat pakování molekul ve strukturách, jejichž expanze je způsobena např. přítomností molekul solventů či koformerů různých velikostí, jako je tomu např. v tzv. solvatomorfních řadách.

Výsledkem porovnání programem CrystalCMP je podobnostní matice a z ní vypočtený dendrogram, který seskupuje jednotlivé látky podle podobnosti v čitelné podobě. Samotné porovnání krystalových struktur je provedeno buď automaticky, nebo za interakce uživatele. Porovnání dvou krystalových struktur je v průměru provedeno během 0.5 s (reference), což umožňuje během několika minut porovnat desítky krystalových struktur mezi sebou.

Program je napsán v jazyce C/C++, využívá knihovny OpenBabel [11] pro generování SMILES definic a pro grafické rozhraní používá wxWidgets a OpenGL. Program je volně ke stažení na adrese http://sourceforge.net/projects/crystalcmp/, kde lze také nalézt jeho zdrojový kód.

Tento příspěvek byl financován projektem LO1603 v rámci Národního programu udržitelnosti Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy České republiky,

1. de Gelder, R.; Wehrens, R.; Hageman, J.A. A generalized expression for the similarity of spectra: application to powder diffraction pattern classification. J. Comput. Chem. 2001, 22, 273–289, doi:10.1002/1096-987X(200102)22:3<273::AID-JCC1001>3.0.CO;2-0.

2. Hundt, R.; Schön, J.C.; Jansen, M. CMPZ – an algorithm for the efficient comparison of periodic structures. J. Appl. Crystallogr. 2006, 39, 6–16, doi:10.1107/S0021889805032450.

3. Karfunkel, H.R.; Rohde, B.; Leusen, F.J.J.; Gdanitz, R.J.; Rihs, G. Continuous similarity measure between nonoverlapping X-ray powder diagrams of different crystal modifications. J. Comput. Chem. 1993, 14, 1125–1135, doi:10.1002/jcc.540141002.

4. Valle, M.; Oganov, A.R. Crystal fingerprint space – a novel paradigm for studying crystal-structure sets. Acta Crystallogr. A 2010, 66, 507–517, doi:10.1107/S0108767310026395.

5. Van Eijck, B.P.; Kroon, J. Fast clustering of equivalent structures in crystal structure prediction. J. Comput. Chem. 1997, 18, 1036–1042, doi:10.1002/(SICI)1096-987X(199706)18:8<1036::AID-JCC7>3.0.CO;2-U.

6. Willighagen, E.L.; Wehrens, R.; Verwer, P.; de Gelder, R.; Buydens, L.M.C. Method for the computational comparison of crystal structures. Acta Crystallogr. B 2005, 61, 29–36, doi:10.1107/S0108768104028344.

7. Chisholm, J.A.; Motherwell, S. COMPACK : a program for identifying crystal structure similarity using distances. J. Appl. Crystallogr. 2005, 38, 228–231, doi:10.1107/S0021889804027074.

8. de la Flor, G.; Orobengoa, D.; Tasci, E.; Perez-Mato, J.M.; Aroyo, M.I. Comparison of structures applying the tools available at the Bilbao Crystallographic Server. J. Appl. Crystallogr. 2016, 49, 653–664, doi:10.1107/S1600576716002569.

9. Gelbrich, T.; Threlfall, T.L.; Hursthouse, M.B. XPac dissimilarity parameters as quantitative descriptors of isostructurality: the case of fourteen 4,5′-substituted benzenesulfonamido-2-pyridines obtained by substituent interchange involving CF3/I/Br/Cl/F/Me/H. CrystEngComm 2012, 14, 5454, doi:10.1039/c2ce25508a.

10. Rohlicek, J.; Skorepova, E.; Babor, M.; Cejka, J. CrystalCMP: an easy-to-use tool for fast comparison of molecular packing. J. Appl. Crystallogr. 2016, 49, 2172–2183, doi:10.1107/S1600576716016058.

11. O’Boyle, N.M.; Banck, M.; James, C.A.; Morley, C.; Vandermeersch, T.; Hutchison, G.R. Open Babel: An open chemical toolbox. J. Cheminformatics 2011, 3, 33, doi:10.1186/1758-2946-3-33.