�Chemie und Computer�

Die dreidimensionale Welt der Moleküle

Oliver Koch

Die Cambridge Strukturdatenbank ist in ein System von Programmen eingebettet, um

Molekülgeometrien und -interaktionen innerhalb von Molekülkristallstrukturen zu analysieren.

� Die Datenbank Cambridge Structural Database (CSD) des Cam-bridge Crystallographic Data Centre (CCDC) enthält nach eigenen Aus-sagen die Gesamtheit der weltweit öffentlich verfügbaren Kristallstruk-turen von kleinen organischen Mo-lekülen und metallorganischen Ver-bindungen.1) Die CSD basiert auf Veröffentlichungen in der Primär-literatur und ist die offizielle Daten-bank für die Hinterlegung der Infor-mationen über Kristallstrukturen von über 80 Journalen. Die aktuelle

Version enthält 456 637 Strukturen: dreidimensionale Atomkoordinaten sowie bibliographische und che-mische Informationen.

Mit dem CSD-System lassen sich innerhalb der Datenbank Struktu-ren und Strukturmuster suchen (Conquest, WebCSD), Strukturen darstellen (Mercury), Daten aus-werten (Vista) und eigene Daten-banken erzeugen (Prequest). Die Programme Mogul (Molekülgeome-trien), Isostar (intermolekulare In-teraktionen) und Superstar (Pro-

teinbindetaschen-Interaktionsmus-ter) liefern aus der CSD abgeleitete Daten.

Conquest

� Der Startpunkt für Analysen ist meistens das Suchprogramm Con-quest (Abbildung 1). Die wichtigste seiner Suchfunktionen, die Sub-struktursuche, sucht innerhalb der CSD nach Strukturelementen und Interaktionsmustern. Die abgelegten bibliographischen Informationen wie Autor oder Name und die che-mischen Informationen wie Sum-menformeln sind ebenfalls durch-suchbar.

Die Daten der gefundenen Einträ-ge inklusive der dreidimensionalen Struktur lassen sich innerhalb von Conquest betrachten. Für detaillier-te Analysen sind die Resultate in die Programme Mercury oder Vista übertragbar.

Seit Neuestem lässt sich mit WebCSD, das ähnliche Suchfunktio-nen wie Conquest enthält, über ei-nen Browser auf die CSD zugreifen. Dafür stellt das kristallographische Zentrum CCDC einen öffentlichen Server bereit. Nutzer werden zudem eigene Server aufsetzen können.

Mercury

� Das Programm Mercury zeigt nach Eingabe des sechsstelligen Re-ferenzcodes einer Struktur die Koor-

Abb. 1. Das Programm Conquest mit Startpunkten für eine Suche in der kristallographischen Datenbank:

a) Substrukturmuster, b) Distanz zwischen N und O=C.

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dinaten direkt an. Ansonsten ver-arbeitet das Programm die Trefferlis-te aus einer Conquest-Suche.

Die frei verfügbare Version von Mecury enthält grundsätzliche Funktionen eines Visualisierers, kombiniert mit Analysen von bei-spielsweise Wasserstoffbrücken oder Molekülgeometrien innerhalb der Kristallstrukturen (Abbildung 2).

Die lizenzierte Version gestattet unter anderem, die Moleküle zu be-arbeiten, und sie visualisiert zudem Daten aus den Programmen Mogul und Isostar. Mit dem zusätzlichen Modul Materials lassen sich Kristall-packungseffekte und -interaktionen besser untersuchen.

Vista und Mogul

� Wurden in der Conquest-Suche Geometrien wie Torsionswinkel oder Abstände definiert, lassen sich diese mit dem Programm Vista ana-lysieren. Es stellt die Daten zum Beispiel in Histogrammen dar und untersucht sie statistisch mit linea-rer Regression oder Hauptkom-ponentenanalyse. Das besondere an den Vista-Analysen ist, dass die Datenpunkte mit den Ausgangs-strukturen verlinkt sind. Dies er-laubt eine genauere Analyse von Datenpunkten in den Original-Kris-tallstrukturen.

Das Programm Mogul enthält eine Bibliothek von bevorzugten Molekülgeometrien, die aus der CSD abgeleitet wurden. So sind Molekül-konformationen überprüfbar, indem das Programm beispielsweise Torsi-onswinkel innerhalb des Moleküls mit denen in den Kristallstrukturen vergleicht.

Isostar und Superstar

� Das Programm Isostar informiert über intermolekulare Interaktionen in Form von Scatterplots, welche die bevorzugte Verteilung von In-teraktionsgruppen um eine zentrale Gruppe zeigen. Zusätzlich zu den Daten aus der CSD liegen Protein-Ligand-Interaktionen aus der Pro-teindatenbank (Protein Data Bank, www.pdb.org) vor.

Die optionale Komponente Su-perstar nutzt die Information aus Isostar, um bevorzugte Interakti-onspunkte in einer Proteinbindeta-sche zu untersuchen und anzuzei-gen.

Das System

� Es sind überwiegend akademi-sche Einrichtungen, die Kristall-strukturen zur CSD beitragen. Sie stellen die Strukturdaten frei zur Verfügung, Datenbanknutzer müs-sen Zugriffe aber bezahlen. Dies stört viele Kritiker, die aber beden-ken sollten, dass das CCDC die Da-ten übernehmen und pflegen muss und zudem die Software weiter ent-wickelt.

Die Strukturen, die als zusätzli-che Daten für eine Veröffent-lichung zur Verfügung stehen, sind frei verfügbar. Sie lassen sich über ein Web-Frontend anfordern (www.ccdc.cam.ac.uk/products/csd/ request).

Das CSD-System ermöglicht ei-ne Analyse von Interaktionen und Molekülgeometrien anhand von ge-messenen Daten und kann sich im industriellen Umfeld somit als Hilfsmittel für strukturbasiertes

Design und medizinische Chemie erweisen.2)

Auch die Analyse unterschiedli-cher Kristallformen und der dafür zugrunde liegenden Kristall-packungsinteraktionen gewinnt an Bedeutung. Unterschiedliche Kris-tallformen können unterschiedli-che Eigenschaften zeigen und die reproduzierbare Herstellung be-stimmter Kristallformen ist bei-spielsweise in der Arzneimittelpro-duktion wichtig.

An manchen Stellen wirkt die Nutzeroberfläche der Programme nicht ganz zeitgemäß (Vista), dies beeinflusst deren Funktionalität aber nicht.

In der Lehre

� Ein spezielles Handbuch der Dokumentation beschreibt die in der Lehre nutzbaren Daten über Kristallstrukturen mit Beispielen. Mit der freien Version des Visuali-sierers Mercury lässt sich ein frei ver-fügbarer Datensatz mit 500 Struktu-ren analysieren, der speziell auf Lehrtätigkeiten ausgerichtet ist (www.ccdc.cam.ac.uk/free_services /teaching). Damit erfahren Studie-rende aus gemessenen Daten zum

Abb. 2. Der Visualisierer Mercury mit einem Ergebnis der Substruktursuche aus Abb 1a:

Kristallpackung und Interaktionsmuster zwischen den Säurefunktionen.

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Beispiel etwas über die Konforma-tionen von Ringsystemen oder über Stereoisomere im dreidimensiona-len Raum.

Inhaber einer Conquest-Lizenz können außerdem unbegrenzt Classroom-Conquest-Kopien in-stallieren. Diese Version ist voll funktionsfähig, es lässt sich aber nur eine Teilmenge der CSD durch-suchen. Um ausführlichere Ana-lysen mit Studenten durchführen zu können, sind alle Programme in-nerhalb des CSD-Systems notwen-dig. Akademische Einrichtungen erhalten entsprechende Lizenzen zu einem reduzierten Preis.

Oliver Koch arbeitet seit dem Jahr 2008 in der

Arzneistoffentwicklung und Biocheminforma-

tik in einer Kooperation zwischen dem Tier-

gesundheitsunternehmen Intervet Innovati-

on, Schwabenheim, und dem Lifescience- und

Chemieunternehmen Molisa, Magdeburg. Er

studierte Pharmazie in Marburg, promovierte

dort in Wirkstoffdesign und war Postdokto-

rand am Cambridge Crystallographic Data

Centre in Cambridge, Großbritannien.

oliver.koch@sp.intervet.com

Information und Literatur

1) www.ccdc.cam.ac.uk

2) K. A. Brameld, B. Kuhn, D. C. Reuter,

M. Stahl, J. Chem. Inf. Model. 2008, 48, 1.

� Auf einen Blick

Das Softwaresystem liefert eine

Datenbank über dreidimensio-

nale Kristallstrukturdaten von

organischen und metallorgani-

schen Verbindungen sowie eine

Programmsammlung zu deren

Analyse.

Drei DVDs enthalten die Instal-

lations- und Datenbank-Datei-

en für Windows, Linux und Mac

OS X. Der Isostar-Server steht

allerdings nur für Linux zur Ver-

fügung.

Es gibt eine Installationsdoku-

mentation und ein Handbuch

mit Tutorien, insbesondere für

die Lehre. Dokumentationen

sind als PDF- oder HTML-Ver-

sion verfügbar.

www.ccdc.cam.ac.uk/products/csd

Kurz notiert

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