化学信息学微服务V3：基于Web的化学结构操作与分析统一门户

为解决开源化学信息学工具包因技术实现障碍（如复杂安装、依赖管理和集成挑战）而难以广泛应用的问题，研究人员开发了Cheminformatics Microservice V3。该研究通过RESTful API框架整合RDKit、CDK和Open Babel等工具，并提供基于React的交互式Web前端，支持结构编辑、PubChem集成、批量分子处理及InChI/RInChI生成等功能，显著降低了化学信息学方法的访问门槛，促进了跨学科研究中的可重复工作流。

　　

在过去的三十年中，化学信息学领域取得了显著进展，这主要得益于众多开源软件工具包的开发。然而，研究人员在实际整合多种工具到工作流中时，仍面临诸多实际障碍，包括复杂的安装程序、依赖和兼容性问题、部署开销以及编程专业知识的需求。化学工具包在不同编程语言和平台上的碎片化，进一步加剧了集成研究工作流开发的复杂性。

为了应对这些限制并简化对化学信息学功能的访问，Cheminformatics Microservice V3应运而生。这一平台通过统一的RESTful API框架，整合了广泛使用的工具包，如RDKit、Chemistry Development Kit (CDK)和Open Babel，使研究人员能够通过一致的接口访问核心化学信息学操作。最新版本还引入了基于React开发的交互式Web前端，为用户提供了直观的图形界面，用于操作和分析化学结构，显著提升了工具的可用性和可访问性。

该研究由Kohulan Rajan等人开展，并发表在《Journal of Cheminformatics》上。研究团队通过采用现代Web技术（如React和Tailwind CSS）和容器化部署（Docker），确保了平台的稳定性、可维护性和可扩展性。此外，平台还集成了多项新功能，包括Ertl功能组查找器、统一过滤套件（涵盖PAINS、Lipinski规则、Veber、REOS、Ghose和Rule-of-3等）、PubChem搜索以及批量分子处理能力，进一步扩展了其应用范围。

主要技术方法

研究采用Python和FastAPI框架构建后端RESTful API，通过JPype桥接Java工具（如CDK、Sugar Removal Utility和OPSIN）。前端使用React和Tailwind CSS实现响应式设计，通过Axios库与后端交互。平台通过Docker容器化确保环境一致性，并集成Prometheus、Grafana和Matomo等工具进行监控和隐私保护。此外，利用GitHub Actions实现CI/CD自动化部署。

研究结果

技术架构

后端保留了初始版本的稳定模块化架构，使用FastAPI框架通过RESTful API暴露化学信息学功能。工具包集成采用混合方法：Python原生库（如RDKit和Open Babel）直接集成，而Java工具（如CDK、Sugar Removal Utility和OPSIN）通过JPype桥接访问。系统通过Docker容器化，确保可重复性和跨环境一致部署。前端基于React开发，采用组件化架构和模块化服务层，通过Axios管理与后端的HTTP通信，实现了关注点分离和可维护性。

功能特性

平台在保留现有五模块架构（chem、convert、depict、ocsr和tools）的基础上，新增了三项工具：Ertl功能组查找器、统一过滤套件（包括PAINS、Lipinski规则、Veber、REOS、Ghose、Rule-of-3、QED、SA评分和NP似然度指标）以及PubChem搜索。格式转换支持批量处理，depict模块提供了更精细的2D渲染控制（包括旋转和子结构高亮）。前端引入了交互式Web图形界面，支持PubChem分子查询和检索、InChI/RInChI标识生成、Ketcher结构编辑器集成以及批量转换和可视化功能（最多50个分子）。

InChI和RInChI实现

平台通过Ketcher结构编辑器与InChI和RInChI库结合，使用mol文件作为输入生成InChI及其键、AuxInfo和日志语句。RInChI利用RXN文件计算RInChI、键和RAuxInfo。用户可通过复选框或下拉菜单选择InChI选项，并支持不同版本（如1.07.3、1.06和分子无机物原型）。

用户界面与可访问性

前端界面分为五个主要标签页（Chemical Analysis、Format Conversion、Depiction、Tools和OCSR），提供模块化访问功能。界面采用响应式设计，兼容不同屏幕尺寸，支持暗模式和数据本地存储（保护用户隐私）。平台通过公开实例（https://app.naturalproducts.net）和完整文档（https://api.naturalproducts.net/latest/docs）确保易用性和可扩展性。

结论与讨论

Cheminformatics Microservice V3通过将模块化微服务架构与用户友好的图形Web界面结合，显著降低了化学信息学工具的访问门槛，使研究人员无需专业软件或编程知识即可使用先进功能。平台统一集成多个开源工具包，减少了用户管理独立软件环境的需求，同时通过容器化部署和CI/CD自动化确保了可重复性和可维护性。其强调可重复性和可扩展性，使其成为数据驱动化学分析和合作项目的重要工具，进一步促进了化学信息学方法在跨学科研究中的广泛应用。