---
title: "Genom v Theodorově spirále"
slug: "genom-theodorove-spirale"
section: "volna-tvorba"
date: 2026-01-01
thumbnail: "/images/genom-theodorove-spirale-nahled.png"
thumbnailAlt: "Genom v Theodorově spirále"
excerpt: ""
draft: false
---

import ImageFigure from "../../components/ImageFigure.astro";

Tato vizualizace převádí lineární genetickou informaci (DNA/RNA) do souvislé 2D [Theodorovy spirály](https://en.wikipedia.org/wiki/Spiral_of_Theodorus).

Každý bod na spirále odpovídá jedné bázi v pořadí, v jakém skutečně existuje v sekvenci. Začátek sekvence je ve středu spirály. Barva bodu reprezentuje typ báze.  

Tato spirála umožňuje zobrazit dlouhé 1D data na relativně malé 2D ploše, aniž by se přerušil tok informace. Nevznikají umělá přerušení, například návraty na začátek řádku, která jsou běžná u textových reprezentací.  

Jako příklad jsem vizualizoval genomy tří organismů s různou délkou. Všechny mají lineární genom, který je pro tuto formu vizualizace nejvhodnější.  

[**HIV-1:**](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/170878295)
<ImageFigure
  src="/images/genom-theodorove-spirale-obr-1.png"
  alt=""
  caption=""
  width="half"
  align="left"
/>

[**Ebola virus:**](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/10313991?utm_)
<ImageFigure
  src="/images/genom-theodorove-spirale-obr-2.png"
  alt=""
  caption=""
  width="half"
  align="left"
/>

[**SaRS-CoV-2:**](https://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/OM065388.1)
<ImageFigure
  src="/images/genom-theodorove-spirale-obr-3.png"
  alt=""
  caption=""
  width="half"
  align="left"
/>

**Zdrojový kód**  
Zdrojový Python kód pro tento projekt je dostupný zde:  
```python
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from collections import Counter
from pathlib import Path

# =========================
# KONFIG
# =========================

SEQ_TXT_PATH = r"ebola_virus_complete_genome.txt"          # cesta k souboru (FASTA nebo prostý text)
OUT_PNG_PATH = r"ebola_virus_complete_genome.png"          # kam uložit PNG výstup

WIDTH_PX  = 4000
HEIGHT_PX = 4000

SHOW_LEGEND = False  # defaultně žádný text
LEGEND_TEXT = "genom na Theodorově spirále"

# RGBK (A,C,G,T/U -> R,G,B,K)
COLORS = {
    "A": (1.0, 0.0, 0.0),  # Red
    "C": (0.0, 1.0, 0.0),  # Green
    "G": (0.0, 0.0, 1.0),  # Blue
    "T": (0.0, 0.0, 0.0),  # Black (Key)
    "U": (0.0, 0.0, 0.0),  # RNA U taky do K
}

# Vzhled
DRAW_SPIRAL_LINE = False
LINE_WIDTH = 0.12
LINE_ALPHA = 0.25

POINT_SIZE = 90.0
POINT_ALPHA = 1

CROP_PADDING_RATIO = 0.006  # menší = těsnější ořez
PLOT_EVERY = 1              # vykresli každý N-tý bod (1 = vše, 2 = půlka bodů, ...)

BACKGROUND = "white"        # nebo "black"
TRANSPARENT_BG = False      # true = průhledné PNG

# =========================
# IMPLEMENTACE
# =========================

def read_sequence(path: str) -> str:
    """Načte sekvenci a nechá jen A/C/G/T/U."""
    txt = Path(path).read_text(encoding="utf-8", errors="ignore").upper()
    seq = "".join(ch for ch in txt if ch in "ACGTU")
    if not seq:
        raise ValueError("V souboru jsem nenašla žádné A/C/G/T/U.")
    return seq

def theodorus_vertices(n: int) -> tuple[np.ndarray, np.ndarray]:
    """Souřadnice vrcholů Theodorovy spirály pro indexy 0..n (0 = origin)."""
    theta = np.zeros(n + 1, dtype=float)
    if n >= 2:
        theta[2:] = np.cumsum(np.arctan(1.0 / np.sqrt(np.arange(1, n))))
    r = np.sqrt(np.arange(0, n + 1, dtype=float))
    x = r * np.cos(theta)
    y = r * np.sin(theta)
    return x, y

def main():
    seq = read_sequence(SEQ_TXT_PATH)
    if PLOT_EVERY > 1:
        seq = seq[::PLOT_EVERY]

    n = len(seq)
    x, y = theodorus_vertices(n)

    pos = np.arange(1, n + 1)  # vrchol i mapuje seq[i-1]
    seq_bytes = np.frombuffer(seq.encode("ascii"), dtype=np.uint8)
    counts = Counter(seq)

    # Figsize = pixely / dpi; dpi si zvolíme jen jako interní převod.
    dpi_internal = 100
    figsize = (WIDTH_PX / dpi_internal, HEIGHT_PX / dpi_internal)

    fig = plt.figure(figsize=figsize, dpi=dpi_internal, facecolor=BACKGROUND)
    ax = fig.add_axes([0, 0, 1, 1])  # žádné okraje, čistý full-bleed
    ax.set_facecolor(BACKGROUND)

    if DRAW_SPIRAL_LINE:
        ax.plot(
            x[1:], y[1:],
            linewidth=LINE_WIDTH,
            color=(0, 0, 0),
            alpha=LINE_ALPHA
        )

    for base in ["A", "C", "G", "T", "U"]:
        mask = (seq_bytes == ord(base))
        if not np.any(mask):
            continue
        idxs = pos[mask]
        ax.scatter(
            x[idxs], y[idxs],
            s=POINT_SIZE,
            c=[COLORS[base]],
            alpha=POINT_ALPHA,
            linewidths=0
        )

    # Tight crop + vycentrování na formát
    xmin, xmax = x[1:].min(), x[1:].max()
    ymin, ymax = y[1:].min(), y[1:].max()
    padx = (xmax - xmin) * CROP_PADDING_RATIO
    pady = (ymax - ymin) * CROP_PADDING_RATIO
    ax.set_xlim(xmin - padx, xmax + padx)
    ax.set_ylim(ymin - pady, ymax + pady)

    ax.set_aspect("equal", adjustable="box")
    ax.axis("off")

    if SHOW_LEGEND:
        title_counts = ", ".join(f"{b}:{counts.get(b, 0)}" for b in ["A", "C", "G", "T", "U"])
        ax.text(
            0.5, 0.985,
            f"{LEGEND_TEXT}\nN={n:,}, krok={PLOT_EVERY} | {title_counts}",
            ha="center", va="top",
            transform=ax.transAxes,
            fontsize=14,
            color="black" if BACKGROUND == "white" else "white"
        )

    fig.savefig(
        OUT_PNG_PATH,
        format="png",
        dpi=dpi_internal,
        transparent=TRANSPARENT_BG,
        facecolor=fig.get_facecolor()
    )
    plt.close(fig)
    print(f"Uloženo: {OUT_PNG_PATH}")

if __name__ == "__main__":
    main()

```