UCSF ChimeraX—分子结构三维可视化与分析软件
软件简介
UCSF ChimeraX 是由美国加州大学旧金山分校（UC San Francisco）资源生物计算、可视化与信息学中心（RBVI）开发的下一代分子结构三维可视化与分析软件，是广受欢迎的 Chimera 软件的继任者。ChimeraX 基于 Python 与 Qt 技术构建，充分利用现代 GPU 图形管线，能够以极高的渲染质量展示蛋白质、核酸、糖类、脂质等生物大分子的三维结构，同时支持 cryoEM 密度图、体积数据与多通道光学显微镜图像的交互式显示与分析。
ChimeraX 内置了结构比对叠合、同源建模、虚拟突变、氢键与空腔分析、静电势与亲脂性势计算、序列保守性着色、密度图拟合、AlphaFold 数据库集成、虚拟现实（VR）沉浸式操作等数十项专业功能，是结构生物学、药物设计与生物化学研究领域广泛使用的一体化工作平台。软件对学术、政府、非营利组织及个人用户免费开放，商业用户可申请商业授权，支持 Windows、macOS 与 Linux 三大平台。
软件功能
从可视化到分析的一站式分子研究平台
ChimeraX 提供从结构展示、序列分析到建模计算、成果发布的完整工具链，无论您是处理单个蛋白结构、复杂的蛋白质-核酸复合物，还是大规模 cryoEM 密度图，都能在同一软件中高效完成。主要能力包括：
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• 蛋白质/核酸/糖类三维结构可视化与高质量渲染
• 卡通、分子表面、体积图、热椭球体等多种显示样式
• Matchmaker 结构叠合与 RMSD 统计
• 同源建模、虚拟突变与旋转异构体分析
• 氢键、空腔、链界面等相互作用分析
• 静电势、亲脂性势与序列保守性着色
• cryoEM/EMDB 密度图拟合与展示
• AlphaFold 预测结构获取与置信度着色
• 虚拟现实（VR）沉浸式分子操作
• 多通道光学显微镜图像与时序显示
• 3D 场景导出 GLTF 嵌入网页
• 跨平台支持与 Python 脚本自动化
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关于 ChimeraX
由 UCSF RBVI 开发的新一代分子可视化程序，Chimera 的继任者，免费开源，被全球结构生物学与药物设计领域的科研人员广泛使用，是 Cell、Science 等顶刊论文的高频引用的分析工具。
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功能全面的一体化平台
从可视化、结构比对、同源建模到相互作用分析、密度图拟合与成果发布，ChimeraX 在一个软件内完成分子结构研究的全流程，配合 Python 脚本可实现自动化分析流水线。
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跨平台与全球科研社区
支持 Windows、macOS 与 Linux 全平台，学术与非营利用户免费使用；支持 VR 沉浸式操作与多人共享会话，拥有活跃的全球开发者与用户社区。
核心功能详解
弯曲螺旋圆柱体（Curved Helix Cylinders）
蛋白质 α-螺旋可以弯曲圆柱体"管"的形式显示，作为标准螺旋缎带的替代方案，并与 coil 和 β-链卡通样式完全集成，让螺旋结构在整体构象中更醒目。示例：PDB 5l1f AMPA 型谷氨酸受体与抗癫痫药 perampanel 复合物。
可调 β-链平滑（Adjustable β-Strand Smoothing）
β-链缎带平滑度可在 0（关闭）到 1.0（默认完全开启）之间连续调节，可作用于全部残基或指定残基；当侧链显示但与缎带分离时，自动绘制系绳连接，系绳外观可自定义。示例：PDB 2mnr 扁桃酸消旋酶活性位点。
风格化核苷酸（Stylized Nucleotides）
提供多种核苷酸表示方式：填充环、碱基厚板（box / muffler / ellipsoid 形状）、厚板凸起指示碱基朝向、简单管替代核糖原子、连续或断开的梯子横档等；核苷酸可与缎带同色或独立配色，单一结构内可混用多种风格。
卡通/核苷酸预设（Cartoon/Nucleotide Presets）
Presets 菜单预置了多种卡通与核苷酸样式组合：缎带/厚板（ribbons/slabs）、圆柱/桩（cylinders/stubs）、甘草/椭圆（licorice/ovals）等，配合 Publication 预设与 lighting depthcue 设置，一键获得出版级渲染效果。
颜色调色板（Color Palettes）
使用 ColorBrewer 预定义有序色板或自定义颜色序列，对分子按顺序着色或按数值着色，适合展示多亚基复合物、不同链或按属性连续变化的数据。示例：PDB 5o3l 配对 tau 丝状体的 10 条链。
蠕虫图（Worms）
专用卡通样式，以"粗细"反映属性值（如 B-factor、序列保守性），配合 Render by Attribute、cartoon byattribute 与 color byattribute 命令使用，直观呈现柔性区域、热区等结构特征。示例：PDB 1pho 大肠杆菌孔蛋白三聚体的平均原子 B-factor。
环境光遮蔽分子表面（Ambient Occlusion Molecular Surfaces）
lighting soft / lighting gentle 光照模式从 64 个方向计算环境阴影，为分子表面赋予柔和的立体层次感，显著提升表面形貌与凹陷细节的可读性。示例：PDB 4hhb 血红蛋白。
cryoEM 环境光遮蔽（cryoEM Ambient Occlusion）
针对冷冻电镜密度图优化的环境光遮蔽显示，"简单"与"柔和"光照模式对比鲜明，使体积数据的立体层次与内部结构一目了然。示例：EMD-4321 26S 蛋白酶体冷冻电镜图。
热椭球体（Thermal Ellipsoids）
以热椭球体、轴或椭圆形式显示各向异性 B-factor 数据（aniso 命令 / Thermal Ellipsoids 工具），直观反映原子的位移各向异性。示例：PDB 1jw8 肌红蛋白的血红素残基及其配位/氢键侧链。（ChimeraX 1.10 及以上）
每模型裁剪（Per-Model Clipping）
前/后裁剪平面（可旋转）可选择性地应用于部分模型，最常用于切片分子表面而不切割对应的原子结构；裁剪平面可通过鼠标交互式平移与旋转，便于观察蛋白内部口袋与结合位点。示例：PDB 1g74 蛋白内部口袋中的油酸残基 OLA。
Matchmaker 结构叠合（Matchmaker Superposition）
通过创建成对序列比对自动叠合相关结构，无需关心残基编号或缺失残基；二级结构信息辅助远缘蛋白的序列比对，默认迭代拟合排除结构不相似区域，RMSD 等拟合统计在 Log 中报告，叠合结果序列比对可显示。示例：三个果胶裂解酶 PDB 1jta、1bn8、2pec。
序列保守性着色（Coloring by Sequence Conservation）
原子结构（包括卡通与分子表面）可按关联的多重序列比对中的保守性着色：蓝→白→红，从最不保守到最保守。保守性基于 AL2CO 熵度量（Pei 与 Grishin 提供，内置于 ChimeraX）。示例：PDB 3sn6 β2-肾上腺素受体信号复合物。
保守性网格标签（Conservation Grid Labels）
残基可以颜色编码的网格标签显示其在多重序列比对中的保守性（Profile Grid 工具 / sequence grid label 命令），在序列与结构之间建立直观的视觉映射。示例：PDB 2B1L 二硫键环内残基的保守性。（ChimeraX 1.12 及以上）
交互式氢键直方图（Interactive H-Bond Histogram）
识别氢键并绘制为交互式直方图（H-Bonds 工具 / hbonds 命令）：光标悬停在直方图柱上时，对应氢键在 3D 视图中临时放大、其余隐藏；支持残基标签或距离标签两种显示方式。示例：PDB 2ptt 自然杀伤细胞受体 2B4 与配体 CD48 复合物。
交互式链网络图（Interactive Chain Network）
通过埋藏表面积识别链-链界面并绘制为网络图：节点（圆圈）代表链，面积越大圆圈越大；边（线）代表链-链界面（默认 ≥300 Ų 埋藏面积），虚线表示界面小于最大界面的一半。上下文菜单支持"爆炸"结构、隐藏无关链、显示界面残基详细图等操作。示例：PDB 5v8m HIV 包膜糖蛋白三聚体与广谱中和抗体复合物。
查找空腔（Find Cavities）
基于 KVFinder 方法（基于表面形状，由巴西生物科学国家实验室开发）识别蛋白质结构中的口袋与空腔，结果在交互式空腔列表中展示，可显示为点云和/或表面，是药物结合位点分析的有力工具。示例：PDB 2gbp。（ChimeraX 1.10 及以上）
轴、平面和质心（Axes, Planes, and Centroids）
从原子集合定义轴、平面和质心（Axes/Planes/Centroids 工具 / define 命令），并测量对象间的距离与角度，适用于分析构象变化：如激动剂环系统间距约 9 Å、TM6 激活后倾斜约 15°、TM4 与膜成 80-85° 角等。示例：PDB 2rh1（失活）与 4lde（活化）β2-肾上腺素受体。
分子亲脂性势着色（Molecular Lipophilicity Potential）
计算蛋白质分子亲脂性势（MLP）并以色标显示于分子表面：深金菊色（最疏水）→ 白色 → 深青色（最亲水），用于分析膜蛋白跨膜区、疏水口袋与药物结合区域。示例：紫硫细菌光合反应中心（含 OPM 膜边界）。
库仑静电势（Coulombic Electrostatic Potential）
无需单独计算或输入 ESP 文件，直接计算库仑静电势（ESP）并以红-白-蓝着色显示于分子表面（默认范围 -10 至 10），快速评估蛋白表面的电荷分布与结合互补性。示例：PDB 3eeb 霍乱弧菌毒素蛋白酶结构域。
3D 糖类符号表示（3D Symbol Notation for Glycans）
以 3D 糖类符号命名法（3D-SNFG）显示碳水化合物残基：不同形状代表不同糖类，不同颜色代表立体化学，常见碳水化合物残基由 PDB 残基名自动识别（依据 wwPDB 化学组分字典），是糖生物学研究的利器。示例：PDB 1cap 中的 BDP、BGC、GAL、MAN 残基。（ChimeraX 1.12 及以上）
多链比较建模（Multichain Comparative Modeling）
通过 Modeller Comparative 接口（对接 Modeller）进行蛋白质与蛋白质复合物的比较（同源）建模：可从 UniProt 获取目标序列并关联到模板结构，序列-结构差异在 Sequence Viewer 中清晰显示（粉色框表示序列差异，灰色轮廓表示结构中缺失部分）。示例：从小鼠 PDB 3bp5（PD-1 与 PD-L2 复合物）建模人类复合物。
mmCIF 对称信息组装体（Assemblies from mmCIF Symmetry Information）
自动列出 mmCIF 文件中定义的多聚体组装体并重构（sym 命令），也可通过指定 rcsb_bio 或 pdbe_bio 作为源数据库获取生物组装体，快速获得完整的生物学功能单元。示例：PDB 3w1k 硒代半胱氨酸合成酶与 tRNASec 复合物。
密度图拟合（Fitting to Density Maps）
将原子结构和/或地图刚体拟合到其他地图中（Fit in Map 工具 / fitmap 命令），支持对称拟合、顺序拟合，以及通过全局搜索生成多个局部优化起点，是 cryoEM 结构解析的关键环节。示例：PDB 5m2n Elp2 拟合入 EMDB 4151 Elp123 子复合物地图。
MOLEonline 通道查看（View Channels from MOLEonline）
直接查看 MOLEonline 服务器计算的蛋白质结构通道（支持 JSON 格式下载）：每个通道生成球体模型，多通道时出现滑块界面逐一查看；通道是独立模型，可同时查看多个、更改颜色等。示例：PDB 2dkh 单体。（ChimeraX 1.5 及以上）
多通道光学显微镜（Multichannel Light Microscopy）
Volume Viewer 支持显示多通道光学显微镜的 3D 图像与时间序列：轻松隐藏/显示单个通道、更改颜色、鼠标调整阈值水平；样式包括 volume（半透明团块）、surface、mesh、最大强度投影、单平面、正交平面，同一数据集不同通道的步长、区域边界与显示样式耦合联动。示例：人类诱导多能干细胞（Allen Cell Explorer，AICS-14_0）。
AlphaFold 获取（AlphaFold Fetch）
搜索并加载来自 AlphaFold 数据库的预测蛋白质结构（AlphaFold 工具 / alphafold 命令），并按置信度自动着色：pLDDT 100-90 高精度、90-70 骨架精度、70-50 低置信度、50 以下无序区域；与 UniProt 集成，点击序列注释可在序列与 3D 结构中联动高亮相应区域。示例：UniProt TOM40_HUMAN 线粒体蛋白输入通道。
旋转异构体与虚拟突变（Rotamers and Swapaa Virtual Mutation）
显示氨基酸侧链旋转异构体并可选替换原始侧链（Rotamers 工具 / swapaa 命令）：可一次性显示全部或逐个浏览，同时计算并显示氢键（浅蓝虚线）与冲突（浅紫虚线），是评估点突变影响与设计突变体的高效工具。示例：PDB 3gws 甲状腺激素受体 β 的激素抗性突变 N331H 与 L346R。
3D 打印支撑结构（Struts for 3D Printing）
使用假键（pseudobonds）加固结构以用于 3D 打印（struts 命令）：可读取手动创建的假键文件，也可自动添加进一步加固，让您轻松打印出稳定、完整的分子模型。示例：PDB 5ego DNA-转录因子复合物。
形变动画（Morphing Movie）
计算两个原子结构之间的形变插值并播放动画（morph 命令），配合 view name（保存视角）与 save（保存会话）命令，制作构象变化演示动画。示例：FGFR1 激酶结构域从失活构象（PDB 3c4f，链 A）到活化构象（PDB 3gqi，链 A）的形变。
虚拟现实（Virtual Reality）
在 VR 头显（HTC Vive、Oculus Rift、Samsung Odyssey，通过 SteamVR 支持）中查看和操作 ChimeraX 中的任意结构、地图：旋转、平移、缩放、标签、距离测量、键旋转、在地图中放置标记、改变等值线水平；头显内可见图标工具栏一键更改显示。meeting 命令支持多用户共享 VR 会话。示例：PDB 3d9a 乙酰胆碱结合蛋白。
网页嵌入 3D 场景（Embed the 3D Scene in a Web Page）
将 ChimeraX 图形窗口中的 3D 内容嵌入网页：使用 save 命令将场景保存为 GLTF（*.glb）文件，再在网页 HTML 中引用该文件，即可实现分子结构的在线展示与共享（官方演示场景：feature_highlights/scene.glb）。
系统要求
ChimeraX 支持以下平台（64 位系统）：
| 操作系统 | Windows 10 / 11（64 位）、macOS 11 及以上、主流 Linux 发行版（Ubuntu、Fedora、Debian、Rocky Linux 等） |
| 显卡 | 支持 OpenGL 3.3 及以上的 GPU（建议独立显卡） |
| 内存 | 建议 4 GB 及以上（处理大型 cryoEM 地图与多通道图像时建议更高配置） |
| 磁盘空间 | 约 1 GB 可用空间（安装包与运行时） |
| 许可证 | 学术、政府、非营利组织与个人用户免费；商业用户需申请商业授权 |
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