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MoleditPy ユーザーマニュアル

1. はじめに

MoleditPy は、Python で開発された分子編集ソフトウェアです。直感的なインターフェースを通じて、2D での分子構造の描画・編集、および 3D 構造の生成・表示・簡単な編集を行うことができます。

主な機能:

2D 分子編集: 原子や結合の追加・削除・変更、テンプレートを用いた構造作成。ユーザーが指定した構造を保存・利用できるユーザーテンプレートにも対応しています。
3D 構造生成: RDKit や Open Babel (オプション) を利用した 2D 構造からの 3D 座標生成および構造最適化。
3D 分子表示: Ball & Stick, CPK (空間充填), Wireframe, Stick など、複数のスタイルでの 3D 分子表示。
ファイル操作: 独自形式 (.pmeprj) でのプロジェクト保存・読み込み、標準的な化学ファイル形式 (MOL, SDF, XYZ) や SMILES, InChI 文字列のインポート・エクスポートに対応。エクスポートされたファイルは、DFT計算へ使用することができます。画像 (PNG) や 3D印刷用の3D モデル (STL, OBJ) としてのエクスポートも可能。
分子分析: SMILES, InChI, 分子式, 分子量, LogP, TPSA などの基本的な分子特性を表示。
3D 測定: 3D ビュー上で原子間の距離、3 原子間の角度、4 原子間の二面角を測定。
3D 編集: 分子全体の平行移動、選択原子の平面化、特定軸への整列、結合長・角度・二面角の調整、鏡像作成。
カスタマイズ: 3D 表示の背景色、ライティング、表示スタイル詳細などを設定可能。

2. インストールと起動

インストールはpipを用いて行えます。

Windows/MacOS

pip install moleditpy

Linux

pip install moleditpy-linux

起動:

以下のコマンドで起動できます。

moleditpy

3. 画面構成

MoleditPy のメインウィンドウは、主に以下の要素で構成されています。

メニューバー: ファイル操作、編集、表示、分析、設定、ヘルプなどの機能が含まれます。
メインツールバー: 原子・結合の描画モード選択、電荷・ラジカル設定、3D 表示スタイル変更などの基本的なツールが配置されています。
テンプレートツールバー: 環状構造などのテンプレートを選択するためのボタンが配置されています。
2D 編集ビュー: 分子構造を描画・編集するメインのキャンバスです。マウス操作で原子や結合を追加・編集できます。
3D 表示ビュー: 生成または読み込んだ分子の 3D 構造を表示します。マウスで回転、ズーム、パン操作が可能です。3D 測定や編集もこのビューで行います。
スプリッター: 2D ビューと 3D ビューの間の境界線です。ドラッグして各ビューの表示領域サイズを変更できます。
ステータスバー: 現在の操作モード、メッセージ、計算中の分子式・原子数などを表示します。

4. 基本的な操作 (2D 編集ビュー)

2D 編集ビューでは、マウスとツールバー、キーボードショートカットを使って分子構造を作成・編集します。

4.1. 描画モードの選択

メインツールバーのボタンをクリックするか、対応するキーボードショートカットを押して、描画モードを選択します。

Select (Space): 原子や結合を選択、移動するモード。
原子ボタン (C, H, N, O など): 対応する元素の原子を追加するモード。クリックで原子を配置、ドラッグで原子と結合を追加。
結合ボタン (単結合, 二重結合など): 対応する種類の結合を追加・変更するモード。原子間をドラッグして結合を作成、既存の結合をクリックして種類を変更。
電荷ボタン (+/-): 原子をクリックして電荷を増減させるモード。右クリックで電荷を 0 にリセット。
ラジカルボタン (Radical): 原子をクリックしてラジカル電子数をトグル (0 -> 1 -> 2 -> 0) するモード。右クリックで 0 にリセット。
テンプレートボタン (ベンゼン環など): キャンバスをクリックしてテンプレート構造を追加するモード。既存の原子や結合にスナップして融合させることも可能。

4.2. 原子・結合の操作

原子の追加:
1. ツールバーで追加したい元素ボタンを選択 (例: ‘C’)。
2. キャンバスの任意の位置をクリックすると、その元素の原子が配置されます。
結合の追加:
1. ツールバーで追加したい結合ボタンを選択 (例: 単結合)。
2. 原子 A の上でマウスボタンを押し、原子 B までドラッグして離すと、A と B の間に結合が作成されます。
3. 空白領域でドラッグを開始し、原子 A 上で離すと、空白領域の開始点に新しい原子 (デフォルトは炭素) が作られ、原子 A との間に結合が作成されます。
4. 原子 A 上でドラッグを開始し、空白領域で離すと、離した位置に新しい原子 (デフォルトは炭素) が作られ、原子 A との間に結合が作成されます。
原子・結合の選択:
1. ツールバーで ‘Select’ モードを選択。
2. 原子または結合をクリックして選択 (複数選択は Shift + クリック)。
3. キャンバスの空白領域をドラッグして矩形選択。
移動:
1. ‘Select’ モードで、選択した原子または結合をドラッグします。原子を移動すると、接続している結合も追従します。
削除:
1. ‘Select’ モードまたは任意の描画モード (テンプレート、電荷、ラジカル以外) で、削除したい原子または結合を右クリックします。
2. ‘Select’ モードでアイテムを選択し、Delete または Backspace キーを押します。
元素の変更:
1. ツールバーで変更したい先の元素ボタンを選択。
2. 既存の原子をクリックすると、その原子の元素が変更されます。
3. または、マウスカーソルを原子上、ホバー状態で、キーボードショートカット (例: ‘N’ で窒素) を押します。
結合次数の変更:
1. ツールバーで変更したい先の結合ボタンを選択。
2. 既存の結合をクリックすると、その結合の種類が変更されます。
3. または、’Select’ モードで結合を選択し、キーボードショートカット (例: ‘2’ で二重結合) を押します。
立体結合 (Wedge/Dash) の設定:
1. ツールバーで Wedge (太線) または Dash (破線) ボタンを選択。
2. 既存の単結合をクリックすると、立体表示が設定されます。もう一度クリックすると方向が反転します。
3. または、’Select’ モードで単結合を選択し、’W’ (Wedge) または ‘D’ (Dash) キーを押します。
二重結合の E/Z 配置:
1. ツールバーで ‘Toggle E/Z’ ボタン (Z⇌E アイコン) を選択。
2. 既存の二重結合をクリックすると、立体配置が Z -> E -> (指定なし) の順にトグルします。
3. または、結合にマウスカーソルを合わせ、’Z’ または ‘E’ キーを押します。

4.3. テンプレートの使用

標準テンプレート: テンプレートツールバーのボタン (ベンゼン環、シクロヘキサン環など) をクリックしてモードを選択し、キャンバスをクリックして配置します。既存の原子や結合の上でクリックすると、構造を融合できます。
ユーザーテンプレート:
1. テンプレートツールバーの ‘USER’ ボタンをクリックするか、メニューの File > Save 2D as Template... で現在の構造をテンプレートとして保存します。
2. ‘USER’ ボタンをクリックすると、ユーザーテンプレートダイアログが開きます。
3. ダイアログで使いたいテンプレートをクリックすると、そのテンプレートを使用するモードになります。キャンバスをクリックして配置します。ダイアログは開いたままなので、連続して異なるテンプレートを使用できます。

4.4. Undo/Redo

メニューの Edit > Undo (Ctrl+Z) および Redo (Ctrl+Y / Ctrl+Shift+Z) を使用して、操作を取り消したり、やり直したりできます。

4.5. コピー/カット/ペースト

‘Select’ モードで原子や結合を選択し、メニューの Edit > Copy (Ctrl+C) または Cut (Ctrl+X) を実行します。
メニューの Edit > Paste (Ctrl+V) を実行すると、クリップボードの内容がカーソル位置に貼り付けられます。MoleditPy 内部のコピー＆ペーストに対応しています。

5. ファイル操作

メニューバーの File メニューから各種ファイル操作を行います。

5.1. プロジェクトファイル (.pmeprj (Python Molecular Editor Project File))

New (Ctrl+N): 現在の作業内容をすべてクリアし、新規状態にします。未保存の変更がある場合は確認ダイアログが表示されます。
Open Project… (Ctrl+O): 以前に保存したプロジェクトファイル (.pmeprj または .pmeraw) を開きます。
Save Project (Ctrl+S): 現在の作業内容 (2D 構造、生成済みの 3D 構造など) を現在のプロジェクトファイルに上書き保存します。ファイル名が未設定の場合は「名前を付けて保存」ダイアログが開きます。 .pmeprj (JSON 形式) が推奨される形式です。
Save Project As… (Ctrl+Shift+S): 現在の作業内容を新しい名前または場所でプロジェクトファイル (.pmeprj) として保存します。

5.2. インポート

Import > MOL/SDF File…: MOL または SDF ファイルを読み込み、2D 構造として表示します。ファイルに 3D 座標が含まれていても、2D 座標が再計算されます (立体化学は保持されます)。
Import > SMILES…: SMILES 文字列を入力するダイアログを開き、入力された分子を 2D 構造として表示します。
Import > InChI…: InChI 文字列を入力するダイアログを開き、入力された分子を 2D 構造として表示します。
Import > 3D MOL/SDF (3D View Only)…: 3D 座標を持つ MOL/SDF ファイルを読み込み、3D ビューのみに表示します (2D エディタはクリアされます)。3D ビューアモードになります。
Import > 3D XYZ (3D View Only)…: XYZ ファイルを読み込み、3D ビューのみに表示します (2D エディタはクリアされます)。原子間距離に基づいて結合が推定されます。3D ビューアモードになります。

5.3. エクスポート

Export > PME Raw Format…: プロジェクトデータを旧式のバイナリ形式 (.pmeraw) で保存します。
Export > 2D Formats > MOL File…: 現在の 2D 構造を MOL ファイルとして保存します。
Export > 2D Formats > PNG Image…: 現在の 2D 編集ビューの内容を PNG 画像ファイルとして保存します。背景を透過させるか選択できます。
Export > 3D Formats > MOL File…: 現在表示されている 3D 構造を 3D 座標を持つ MOL ファイルとして保存します。
Export > 3D Formats > XYZ File…: 現在表示されている 3D 構造を XYZ ファイルとして保存します。
Export > 3D Formats > PNG Image…: 現在の 3D 表示ビューの内容を PNG 画像ファイルとして保存します。背景を透過させるか選択できます。
Export > 3D Formats > STL File…: 現在の 3D モデルを STL ファイル (色なし、3D プリント用など) として保存します。
Export > 3D Formats > OBJ/MTL (with colors)…: 現在の 3D モデルを OBJ ファイルと MTL ファイル (色情報付き) として保存します。

6. 3D 機能

MoleditPy は、描画した 2D 構造から 3D 構造を生成し、表示、測定、編集を行う機能を提供します。

6.1. 2D から 3D への変換

2D 編集ビューで分子構造を描画します。
左下の Convert 2D to 3D ボタンをクリックするか、メニューの Edit > Convert 2D to 3D (Ctrl+K) を選択します。
計算が開始され、ステータスバーに進捗が表示されます。RDKit (ETKDGv2 アルゴリズム) を使用して 3D 座標が生成され、力場計算 (MMFF94 または UFF) によって簡単な構造最適化が行われます。
成功すると、3D 表示ビューに生成された 3D 構造が表示されます。

(設定): メニューの Settings > 3D Conversion から、変換に使用するライブラリ (RDKit, Open Babel) の優先順位を設定できます。Open Babel がインストールされていない場合、関連するオプションは無効になります。

6.2. 3D 構造の最適化

3D 構造が表示されている状態で、右下の Optimize 3D ボタンをクリックするか、メニューの Edit > Optimize 3D (Ctrl+L) を選択します。
選択されている力場 (MMFF または UFF) を用いて、より詳細な構造最適化計算が実行されます。
完了すると、最適化された構造が 3D ビューに再描画されます。

(設定): メニューの Edit > 3D Optimization Settings または Settings > 3D Optimization Settings から、使用する力場計算ライブラリとメソッド (RDKit MMFF/UFF) を選択できます。

6.3. 3D 表示スタイルの変更

メインツールバー右側の 3D Style ドロップダウンメニューから、表示スタイルを選択できます。

Ball & Stick: 原子を球 (ファンデルワールス半径の縮小版)、結合を棒で表示します。標準的なスタイルです。
CPK (Space-filling): 原子をファンデルワールス半径に基づいた空間充填球で表示します。分子の体積や形状を視覚化するのに適しています。
Wireframe: 結合のみを細い線で表示します。原子は表示されません。
Stick: 結合を太い棒で、原子を小さな球で表示します。

(設定): 各表示スタイルの詳細 (原子サイズ、結合半径、描画品質など) は、メニューの Settings > 3D View Settings... から調整できます。

6.4. 3D ビューの操作

回転: マウスの左ボタンドラッグ。
ズーム: マウスホイールの回転 (Ctrl + ホイールでも可)。
パン (移動): マウスの中ボタンドラッグ、または Shift + 左ボタンドラッグ。
ビューのリセット: メニューの View > Reset 3D View (Ctrl+R) で、カメラの位置とズームを初期状態に戻します。

6.5. 3D 測定機能 (“3D Select” モード)

メインツールバーの 3D Select ボタンをクリックして、測定モードを有効にします。
3D ビュー上で原子をクリックして選択します。選択された原子には順番に番号 (1, 2, 3, 4) が赤いラベルで表示されます。
選択した原子の数に応じて、以下の測定値が計算され、3D ビューの左上に表示されます。
- 2 原子選択: 原子間距離 (Å)
- 3 原子選択: 距離 (1-2) および角度 (1-2-3) (°)
- 4 原子選択: 距離 (1-2)、角度 (1-2-3) および二面角 (1-2-3-4) (°)
原子以外をクリックするか、または 3D Select ボタンを再度クリックしてモードを解除すると、選択と測定値がクリアされます。

6.6. 3D 編集機能 (“3D Drag” モード / Alt キー)

3D 構造の原子座標を直接編集できます。メインツールバーの 3D Drag ボタンをオンにするか、Alt キーを押しながら操作します。

原子のドラッグ: 3D Drag モード中、原子をクリックしてドラッグすると、その原子を 3D 空間内で移動できます。マウスボタンを離すと位置が確定します。

その他の 3D 編集機能 (メニュー 3D Edit):

これらの機能は、3D 構造が表示されている場合にメニューから利用できます。多くは専用のダイアログが開き、そこで原子を選択したり、パラメータを入力したりします。

Translation…: 分子全体または選択した原子群を、指定した座標に平行移動します。
Align to > Axis > (X/Y/Z)-axis…: 選択した 2 原子を結ぶ線が、指定した座標軸 (X, Y, または Z) に沿うように、分子全体を回転・移動します (1 番目の原子が原点に、2 番目の原子が軸上に配置されます)。
Align to > Plane > (XY/XZ/YZ)-plane…: 選択した 3 原子以上を含む平面が、指定した座標平面 (XY, XZ, または YZ) と平行になるように、分子全体を回転します。
Mirror…: 分子全体の鏡像を指定した平面 (XY, XZ, YZ) に対して作成します。
Adjust Bond Length…: 選択した 2 原子間の距離を指定した値に変更します。片方の原子（または接続グループ）を固定するか、両方を動かすか選択できます。
Adjust Angle…: 選択した 3 原子 (1-2-3) がなす角度を指定した値に変更します。原子 3 側（または接続グループ）を回転させるか、両腕を均等に回転させるか選択できます。
Adjust Dihedral Angle…: 選択した 4 原子 (1-2-3-4) がなす二面角を指定した値に変更します。原子 4 側（または接続グループ）を回転させるか、両グループを均等に回転させるか選択できます。

6.7. 原子情報の表示

メニューの View > 3D Atom Info Display から、3D ビューの各原子の上に表示する情報を選択できます。

Show Original ID / Index (または Show XYZ Unique ID): 2D エディタ由来の場合は元の ID、XYZ ファイル由来の場合は XYZ ファイル内でのインデックスを表示します。
Show RDKit Index: RDKit 内部での原子インデックスを表示します。
Show Coordinates (X,Y,Z): 各原子の 3D 座標を表示します。
Show Element Symbol: 各原子の元素記号を表示します。

同じメニュー項目を再度選択すると、表示がオフになります。

7. 分子分析

メニューの Analysis > Show Analysis... を選択すると、現在 3D ビューに表示されている分子 (XYZ 由来を除く) の基本的な特性を計算し、表示するダイアログが開きます。

表示される情報例:

SMILES 文字列
InChI 文字列 / InChIKey
分子式
分子量
精密質量
重原子数
環の数
LogP (オクタノール/水分配係数)
TPSA (極性表面積)
水素結合供与体/受容体の数

各値の横にある Copy ボタンで、その値をクリップボードにコピーできます。

8. 設定

メニューの Settings > 3D View Settings... から、3D 表示に関する様々な設定を変更できます。

設定可能な項目:

Scene タブ:
- 背景色
- 3D 座標軸の表示/非表示
- ライティングの有効/無効
- 光の強度
- 表面の光沢 (Specular) とその強さ (Specular Power)
- カメラの投影モード (Perspective / Orthographic)
Common タブ:
- 多重結合の表示オフセットと太さ
- XYZ ファイルインポート時に化学的妥当性チェックをスキップするかどうか
各表示スタイル (Ball & Stick, CPK, Wireframe, Stick) タブ:
- 原子サイズ/半径のスケール
- 結合半径
- 描画品質 (Resolution)

Apply ボタンで設定を即座に反映し、OK ボタンで適用してダイアログを閉じます。Reset Current Tab / Reset All で設定をデフォルトに戻すこともできます。設定は次回起動時にも保持されます。

9. キーボードショートカット

キー	機能 (Select モード)	機能 (描画/編集モード)
`Space`	Select モードに切り替え / 全選択 (選択なしの場合)	Select モードに切り替え
`C`, `H`, `N`, `O`, `S`, `P`, `F`, `I`, `B`	対応する原子描画モードに切り替え / カーソル下の原子をその元素に変更	対応する原子描画モードに切り替え
`Shift`+`C`	Cl 描画モード / カーソル下の原子を Cl に変更	Cl 描画モード
`Shift`+`S`	Si 描画モード / カーソル下の原子を Si に変更	Si 描画モード
`Shift`+`B`	Br 描画モード / カーソル下の原子を Br に変更	Br 描画モード
`1`	単結合描画モード / 選択結合 or カーソル下結合を単結合に / 原子に原子を追加	単結合描画モード
`2`	二重結合描画モード / 選択結合 or カーソル下結合を二重結合に	二重結合描画モード
`3`	三重結合描画モード / 選択結合 or カーソル下結合を三重結合に	三重結合描画モード
`W`	Wedge 結合描画モード / 選択結合 or カーソル下結合を Wedge に (クリックで反転)	Wedge 結合描画モード
`D`	Dash 結合描画モード / 選択結合 or カーソル下結合を Dash に (クリックで反転)	Dash 結合描画モード
`Z` / `E`	(カーソル下の二重結合に対して) Z / E 配置を指定	(カーソル下の二重結合に対して) Z / E 配置を指定
`.` (ピリオド)	選択原子 or カーソル下原子のラジカルをトグル (0->1->2->0)	選択原子 or カーソル下原子のラジカルをトグル (0->1->2->0)
`+` / `-`	選択原子 or カーソル下原子の電荷を増減	選択原子 or カーソル下原子の電荷を増減
`Delete` / `Backspace`	選択アイテム or カーソル下のアイテムを削除	(描画操作中に) 操作をキャンセル / 選択アイテム or カーソル下のアイテムを削除
`Ctrl`+`Z`	Undo	Undo
`Ctrl`+`Y` / `Ctrl`+`Shift`+`Z`	Redo	Redo
`Ctrl`+`C`	Copy Selection	Copy Selection
`Ctrl`+`X`	Cut Selection	Cut Selection
`Ctrl`+`V`	Paste	Paste
`Ctrl`+`A`	Select All	Select All
`Ctrl`+`N`	New	New
`Ctrl`+`O`	Open Project…	Open Project…
`Ctrl`+`S`	Save Project	Save Project
`Ctrl`+`Shift`+`S`	Save Project As…	Save Project As…
`Ctrl`+`J`	Optimize 2D	Optimize 2D
`Ctrl`+`K`	Convert 2D to 3D	Convert 2D to 3D
`Ctrl`+`L`	Optimize 3D	Optimize 3D
`Ctrl`+`+`	Zoom In (2D View)	Zoom In (2D View)
`Ctrl`+`-`	Zoom Out (2D View)	Zoom Out (2D View)
`Ctrl`+`0`	Reset Zoom (2D View)	Reset Zoom (2D View)
`Ctrl`+`9`	Fit to View (2D View)	Fit to View (2D View)
`Ctrl`+`R`	Reset 3D View	Reset 3D View
`Ctrl`+`1`	Panel Layout 50:50	Panel Layout 50:50
`Ctrl`+`2`	Panel Layout 70:30 (2D Focus)	Panel Layout 70:30 (2D Focus)
`Ctrl`+`3`	Panel Layout 30:70 (3D Focus)	Panel Layout 30:70 (3D Focus)
`Ctrl`+`H`	Toggle 2D Panel Visibility	Toggle 2D Panel Visibility
`Alt`+`Drag`	(3D View) 一時的に 3D Drag モード	(3D View) 一時的に 3D Drag モード
`Ctrl`+`Q`	Quit	Quit

10. バージョン情報 / ライセンス

バージョン: 1.9.7
作者: Hiromichi Yokoyama
ライセンス: Apache-2.0 license
リポジトリ: https://github.com/HiroYokoyama/python_molecular_editor
DOI: 10.5281/zenodo.17268532

メニューの Help > About からバージョン情報を確認できます。

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