src/figures/schematic/unfolding.asy

   1 // Protein unfolding graphic
   2
   3 //size(x=9cm,keepAspect=true);
   4
   5 import stats;    // for unitrand
   6 import base_afm; // for Cantilever, Substrate, ...
   7
   8 struct Wiggle {
   9   // Generate a horizontal wiggly line, centered at CENTER (x,y)
  10   // with a width WIDTH x
  11   // and randomly distributed heights.
  12   // The random points are unformly distributed within an envelope
  13   // with the maximum possible deviation given by ROUGHNESS x
  14
  15   pair start;
  16   pair end;
  17   real roughness;
  18   real tense;
  19   int num;
  20   int random_seed;
  21   pair points[];
  22
  23   void generate(bool labels=false) {
  24     int n = this.num;
  25     pair step = (this.end-this.start) / (n-1);
  26     pair perp = scale(this.roughness)*rotate(90)*unit(step);
  27     real y, envelope;
  28     srand(this.random_seed);
  29     for (int i=0; i < n; i+=1) {
  30       if (i == (n-1)/2 || i == 0 || i == n-1) {
  31         y = 0.0;
  32       } else {
  33         real frac = i/n;
  34         envelope = (frac*(1.0-frac)*4)**3;
  35         y = (2*unitrand()-1.0) * envelope;
  36       }
  37       this.points.push(this.start + i*step + perp*y);
  38       if (labels==true)
  39         dot(format("%d", i), this.points[-1], S);
  40     }
  41   }
  42
  43   guide guide() {
  44     guide g;
  45     for (int i; i < this.points.length; i+=1) {
  46       g = g .. tension this.tense .. this.points[i];
  47     }
  48     this.end = point(g, length(g));
  49     return g;
  50   }
  51
  52   void operator init(pair start=(0,0), pair end=(1cm,0), real roughness=1cm,
  53                      real tense=1, int num=15, int random_seed=5) {
  54     this.start = start;
  55     this.end = end;
  56     this.roughness = roughness;
  57     this.tense = tense;
  58     this.num = num;
  59     this.random_seed = random_seed;
  60     this.generate();
  61   }
  62 }
  63
  64 struct ProteinChain {
  65   // Generate and draw a mixed protein (2nd protein unfolded)
  66   // starting at START (x,y)
  67   // of folded length LEN, with NUM segments
  68   // with the unfolded protein's dimensions given by UNFOLD_LEN and UNFOLD_WID
  69   // (so the final length with be LEN - LEN/NUM + UNFOLD_LEN
  70   pair start;
  71   pair end;
  72   real angle;
  73   real len_u = 2cm;
  74   real len_f = 0.5cm;
  75   real rough_u = 0.4cm;
  76   real rough_f = 0.6cm;
  77   Wiggle prot_u;
  78   Wiggle prot_f;
  79   bool folded[];
  80
  81   void gen_prots() {
  82     this.prot_u = Wiggle(end=(0,this.len_u), roughness=this.rough_u);
  83     this.prot_f = Wiggle(end=(0,this.len_f), roughness=this.rough_f);
  84   }
  85
  86   pair prot_start(int n) {
  87     assert(n < this.folded.length);
  88     pair start = this.start;
  89     pair u = dir(this.angle);
  90     for (int i; i < n; i+=1) {
  91       if (this.folded[i] == true)
  92         start += u*this.len_f;
  93       else
  94         start += u*this.len_u;
  95     }
  96     return start;
  97   }
  98
  99   Wiggle prot(int n) {
 100     assert(n < this.folded.length);
 101     if (this.folded[n] == true)
 102       return this.prot_f;
 103     else
 104       return this.prot_u;
 105   }
 106
 107   guide guide() {
 108     guide g;
 109     guide p;
 110     for (int i=0; i < this.folded.length; i+=1) {
 111       p = shift(this.prot_start(i))*this.prot(i).guide();
 112       g = g .. p;
 113     }
 114     return g;
 115   }
 116
 117   void operator init(pair start=(0,0), real angle=90,
 118                      bool folded[]={true,true,false,true}) {
 119     this.start = start;
 120     this.angle = angle;
 121     this.folded = folded;
 122     this.gen_prots();
 123     guide g = this.guide();
 124     this.end = point(g, length(g));
 125   }
 126 }
 127
 128 defaultpen(fontsize(size=10pt, lineskip=10pt));
 129
 130 bool folded[] = {true,true,false,true};
 131 ProteinChain p = ProteinChain(folded=folded);
 132 draw(p.guide(), red);
 133 label("\vbox{\hbox{Folded}\hbox{protein}}", p.prot_start(1)+(1.4*p.rough_f, 0)/2, E);
 134 label("\vbox{\hbox{Unfolded}\hbox{protein}}", p.prot_start(2)+(1.3*p.rough_u, p.len_u)/2, E);
 135
 136
 137 Cantilever c = Cantilever();
 138 // position base so tip touches protein when bent
 139 c.set_tip_for_dx(12pt);
 140 c.align_tip(p.end);
 141 // unbend the tip and draw it in grey
 142 c.set_tip_for_dx(0);
 143 pair unbent_tip = c.tip;
 144 filldraw(c.tip_guide(), fillpen=grey, grey);
 145 draw(c.arm_guide(), grey);
 146 // rebend the tip and draw it in black
 147 c.set_tip_for_dx(12pt);
 148 filldraw(c.tip_guide(), fillpen=black);
 149 draw(c.arm_guide(), black);
 150 label("Cantilever", c.base-(0,16pt), SW);
 151
 152 Substrate s = Substrate();
 153 s.draw(dir=S);
 154
 155 real xt_x = -0.45*s.substrate_width;
 156 real xi_x = -0.27*s.substrate_width;
 157 real bar_extra = 6pt;
 158 distance("$x_t$", (xt_x, 0), (xt_x, unbent_tip.y));
 159 distance("$x_c$", (xi_x, c.tip.y), (xi_x, unbent_tip.y));
 160 distance("$x_{f1}$", (xi_x, p.prot_start(3).y), (xi_x, c.tip.y));
 161 distance("$x_u$", (xi_x, p.prot_start(2).y), (xi_x, p.prot_start(3).y));
 162 distance("$x_{f2}$", (xi_x, 0), (xi_x, p.prot_start(2).y));
 163 real y;
 164 y = unbent_tip.y;      draw((xt_x-bar_extra,y)--(xi_x+bar_extra,y));
 165 y = p.prot_start(2).y; draw((xi_x-bar_extra,y)--(xi_x+bar_extra,y));
 166 y = p.prot_start(3).y; draw((xi_x-bar_extra,y)--(xi_x+bar_extra,y));
 167 y = c.tip.y;           draw((xi_x-bar_extra,y)--(xi_x+bar_extra,y));