Кіріспе

Белок-лигандты докинг молекулалық модельдеу әдісі болып табылады. Протеин-лигандты тегістеудің мақсаты - лигандтың (шағын молекуланың) белок рецепторына немесе ферментке байланған кездегі орнын және бағытын болжау. Фармацевтикалық зерттеулер әр түрлі мақсаттарда, әсіресе дәрілік препараттарды таңдау үшін қол жетімді химиялық заттардың үлкен деректер базасын виртуалды скринингте сүйрелу әдістерін қолданады. АльфаФолд сияқты бағдарламалармен белок құрылымын анықтаудың есептеу қабілеті тез дамыды, ал сәйкес белок лигандының доктау болжамына деген сұраныс дәл модельдерді таба алатын бағдарламалық жасақтаманы іске асыруға ықпал етеді. Белсенің бүлінуін және әртүрлі құрылымдардың лигандтарының белокқа қалай байланатынын дәл болжау мүмкін болғаннан кейін, дәрі-дәрмекті дамытудың әлдеқайда жылдам қарқынмен даму мүмкіндігі болады.

Тарих

Компьютерлік дәрі-дәрмектерді жобалау (КДД) жаңа дәрі-дәрмектерді анықтау үшін 1980-ші жылдары енгізілді. Негізгі болжам - зерттеушілер белгілі бір дәрілік затты жасауға жарамды болуы мүмкін химиялық қосылыстар үшін өте үлкен деректер жиынтығын талдау арқылы олардың барлығын тәжірибелік тестілеусіз жаңалықтың санын азайта алды. Нысаналы байлау орындарын дәл болжау мүмкіндігі - бұл жаңа құбылыс, бірақ ол химиялық қосылыстардың дерек жиынтығын қарапайым талдау қабілетін кеңейтеді; қазір есептеу қабілетін арттырудың арқасында ақуыз лигандының байлау орнының нақты геометриясын зертханада тексеруге болады. Компьютерлік техниканың жетістігі дәрі-дәрмектерді зерттеудің осы құрылымға бағдарланған әдістерін 21-ші ғасырдағы биофармациядағы келесі шекараға айналдырды. Жаңа алгоритмдерді ақуыз лигандының байланысу қабілетінің нақты геометриясын түсіру үшін нәзік жаттығу үшін рентген кристаллографиясы немесе NMR спектроскопиясы сияқты әдістерді қолдану арқылы тәжірибелік жиналған деректер жиынтығын пайдалануға болады. Тамырдың орташа квадраттық ауытқуы - ақуыз лиганды құрылымының байланысу режиміне сәйкес әртүрлі бағдарламалық қамтамасыз етудің өнімділігін бағалаудың стандартты әдісі. Нақтырақ айтқанда, бұл лигандтың бағдарламалық жасақтамамен болжалған жанасу күйі мен эксперименттік байлау режимі арасындағы орташа квадраттық ауытқу. RMSD өлшемі ақуыз мен лиганд арасындағы ықтимал байланыстардың компьютерде жасалған барлық позициялары үшін есептеледі. Бағдарлама әрқашан үміткерлер арасындағы RMSD бағалау кезінде нақты физикалық позаны жақсы болжамайды. Кейін ақуыздықты тежеуді болжау үшін компьютерлік алгоритмнің күшін бағалау үшін компьютерлік кандидаттар арасында RMSD реттілігін зерттеп, тәжірибелік позаның шынымен де пайда болғанын, бірақ таңдалмағанын анықтау керек.

Белоктың икемділігі

Есептеу қабілеті соңғы 20 жылда күрт өсті, бұл компьютерлік көмекпен дәрі-дәрмектерді жобалауда күрделі және есептеуді қажет ететін әдістерді қолдануға мүмкіндік береді. Алайда, докинг әдістемелерінде рецептордың икемділігімен жұмыс істеу әлі де күрделі мәселе болып табылады. Бұл қиындықтың басты себебі - бұл есептеулерде ескерілетін еркіндік деңгейлерінің көптігі. Алайда, көп жағдайда, оны елемеу, нақты әлемдегі жағдайларда байлаушы поза болжамы тұрғысынан нашар сүйемелдеу нәтижелеріне әкеледі. Бұл мәселені шешу үшін ірі түйіршікті ақуыз үлгілерін қолдану перспективалы тәсіл болып көрінеді. AutoDock - дәрі-дәрмектерді зерттеу кезінде белоктар мен лигандтар арасындағы өзара әрекеттесуді модельдеу үшін жиі қолданылатын есептеу құралдарының бірі. Эффективті позицияны іздеу үшін классикалық қолданылатын алгоритмдер рецептор ақуыздарын қатаң деп санайды, ал лиганд орташа икемді, бірақ жаңа тәсілдер рецептордың икемділігі шектеулі модельдерді де іске асырады. AutoDockFR - бұл рецептор ақуызында осы ішінара икемділікті имитациялай алатын жаңа модель, ол ақуыздың бүйірлік тізбектеріне олардың конформациялық кеңістігінде әртүрлі позициялар алуына мүмкіндік береді. Бұл алгоритмге сыналған әрбір лиганд үшін энергетикалық тұрғыдан маңызды позицияның әлдеқайда үлкен кеңістігін зерттеуге мүмкіндік береді. Болжам алгоритмдерін іздеу кеңістігінің күрделілігін жеңілдету үшін әртүрлі гипотезалар сыналды. Мұндай гипотезалардың бірі - көп атомды және үлкен көлемді айналымдарды қамтитын бүйірлік тізбектің конформациялық өзгерістері, энергия кедергілерінің пайда болуына байланысты кішігірім айналымдарға қарағанда, аз болуы мүмкін. Осы үлкен өзгерістермен енгізілген стерикалық кедергі және айналымдық энергия шығыны олардың нақты ақуыз лиганды түріне кіруін аз мүмкін етті. Осындай жаңалықтар ғалымдарға іздеу кеңістігінің күрделілігін төмендететін және алгоритмдерді жақсартатын эвристикаларды әзірлеуді жеңілдетеді.

Қолданылу

Түрлі байлау орындарының молекулалық модельдерін сынаудың бастапқы әдісі 1980 жылдары енгізілді, онда рецепторды беткі жарықтарды алып жатқан сфералар арқылы шамамен бағалау жүргізілді. Лигандты тиісті көлемді алатын көп сфералармен шамалады. Содан кейін байланыстырушы және қабылдаушы сфералардың сфералары арасындағы стерикалық үстіртпелерді барынша арттыру үшін іздеу жүргізілді. Алайда молекулалық динамика мен ақуыз лигандының дoкинг әлеуетін бағалауға арналған жаңа балл функциялары бақыланатын молекулалық динамикалық тәсілді іске асырады. Негізінде, симуляция - бұл лиганд пен белоктың массалық орталығы арасындағы қашықтық есептелетін шағын уақыт терезелерінің тізбектері. Қашықтық мәндері тұрақты жиілікпен жаңартылады, содан кейін кері регрессиялық түрде сызықтық түрде орнатылады. Егер еңіс теріс болса, лиганд байлау орнына жақындап келеді және керісінше. Лиганд байлау орнын тастап кеткен кезде, қажетсіз есептеулерді болдырмау үшін мүмкіндіктер ағашы дәл сол сәтте кесіледі. Бұл әдістің артықшылығы - модельді эксперименттік шындыққа дейінгі нақты картадан бұзатын кез келген энергетикалық бейістіксіз жылдамдық.