Simulated Site-directed Mutations in a Virtual Reality Environment as a Powerful Aid for Teaching the Three-dimensional Structure of Proteins

Abstract

Molecular Visualization of the consequences of site-directed mutations can help teaching the structure-activity relationships of proteins to undergraduate and graduate students. However, experimental structural data are usually limited to a few mutations, mostly at active sites, and real-time computations are too time-consuming for standard classroom sessions. Since pre-calculation of all possible mutations for a given protein is impractical, a database of models with either a subtle (alanine), or aggressive site-mutations of the yeast pyrophosphatase homodimer was created. The models are displayed with the VMD package at IXTLI (virtual reality facility at UNAM). We programmed a user interface to create the illusion of real-time mutations at a mouse click. In a session, students worked with the program, under a semi-guided assignment, finding the interface friendly and learning to exploit the software quickly. Their performances varied substantially, but most were highly motivated, and seemed to have benefited from the session.

Translated abstract

La visualización molecular de las consecuencias de mutaciones dirigidas puede auxiliar a estudiantes de licenciatura y de grado en el aprendizaje de las relaciones estructura-actividad de proteínas. Sin embargo, los datos estructurales experimentales se limitan a unas pocas mutaciones, la mayoría sobre sitios activos y los cálculos de cómputo a tiempo real son muy lentos para ser utilizados en una sesión de clase estándar. Dado que el precálculo de todas las posibles mutaciones para una proteína dada no es factible, se optó por crear una base de datos de modelos con una mutación de sitio suave (alanina) o una agresiva de la pirofosfatasa homodimérica. Los modelos se despliegan con el paquete VMD en el laboratorio IXTLI (la instalación de realidad virtual de la UNAM). Programamos una interfase de usuario para crear la ilusión de mutaciones en tiempo real con un click del ratón. En una sesión, en la que los estudiantes trabajaron semi-guiados con el programa, encontraron amigable la interfase y explotaron las capacidades del software rápidamente. Su desempeño varió sustancial-mente, pero la mayoría se mostró altamente motivada y beneficiada por la sesión.