Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
Protein–ligand docking is a molecular modelling technique. The goal of protein–ligand docking is to predict the position and orientation of a ligand (a small molecule) when it is bound to a protein receptor or enzyme. Pharmaceutical research employs docking techniques for a variety of purposes, most notably in the virtual screening of large databases of available chemicals in order to select likely drug candidates. There has been rapid development in computational ability to determine protein structure with programs such as AlphaFold, and the demand for the corresponding protein ligand docking predictions is driving implementation of software that can find accurate models. Once the protein folding can be predicted accurately along with how the ligands of various structures will bind to the protein, the ability for drug development to progress at a much faster rate becomes possible.
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.
Computer aided drug design (CADD) was introduced in the 1980s in order to screen for novel drugs. The underlying premise is that by parsing an extremely large data set for chemical compounds which may be viable to make a certain pharmaceutical, researchers were able to minimize the amount of novel without testing them all experimentally. The ability to accurately predict target binding sites is a new phenomena, however, which expands on the ability to simply parse a data set of chemical compounds; now due to increasing computational capability, it is possible to inspect the actual geometries of the protein ligand binding site in vitro. Hardware advancements in computation have made these structure oriented methods of drug discovery the next frontier in the 21st century biopharma. In order to finely train the new algorithms to capture the accurate geometry of the protein ligand binding capability, an experimentally gathered dataset can be used by applying techniques such as X ray crystallography or NMR spectroscopy. Root Mean Square Deviation is the standard method of evaluating various software performance within the binding mode of the protein ligand structure. Specifically, it is the root mean squared deviation between the software predicted docking pose of the ligand and the experimental binding mode. The RMSD measurement is computed for all of the computer generated poses of the possible bindings between the protein and ligand. The program does not always perfectly predict the actual physical pose when evaluating the RMSD between candidates. In order to then evaluate the strength of a computer algorithm to predict protein docking, the ranking of RMSD among computer generated candidates must be examined to determine whether the experimental pose actually was generated but not selected.
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.
Computational capacity has increased dramatically over the last two decades making possible the use of more sophisticated and computationally intensive methods in computer assisted drug design. However, dealing with receptor flexibility in docking methodologies is still a thorny issue. The main reason behind this difficulty is the large number of degrees of freedom that have to be considered in this kind of calculations. However, in most of the cases, neglecting it leads to poor docking results in terms of binding pose prediction in real world settings. Using coarse grained protein models to overcome this problem seems to be a promising approach. AutoDock is one of the computational tools frequently used to model the interactions between proteins and ligands during the drug discovery process. Although the classically used algorithms to search for effective poses often assume the receptor proteins to be rigid while the ligand is moderately flexible, newer approaches are implementing models with limited receptor flexibility as well. AutoDockFR is a newer model that is able to simulate this partial flexibility within the receptor protein by letting side chains of the protein to take various poses among their conformational space. This allows the algorithm to explore a vastly larger space of energetically relevant poses for each ligand tested. In order to simplify the complexity of the search space for prediction algorithms, various hypotheses have been tested. One such hypothesis is that side chain conformational changes that contain more atoms and rotations of greater magnitude are actually less likely to occur than the smaller rotations due to the energy barriers that arise. Steric hindrance and rotational energy cost that are introduced with these larger changes made it less likely that they were included in the actual protein ligand pose. Findings such as these can make it easier for scientists to develop heuristics that can lower the complexity of the search space and improve the algorithms.
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.
The original method of testing the molecular models of various binding sites was introduced in the 1980s where the receptor was estimated in a rough manner by spheres which occupied the surface clefts. The ligand was approximated by more spheres which would occupy the relevant volume. Then a search was executed for maximizing the steric overlap between the spheres of both the binding and receptor spheres. However, the new scoring functions to evaluate molecular dynamics and protein ligand docking potential are implementing supervised molecular dynamic approach. Essentially, the simulations are sequences of small time windows by which the distance between the center of mass of the ligand and protein is computed. The distance values are updated at regular frequencies and then regressively fitted linearly. When the slope is negative, the ligand is getting nearer to the binding site, and vice versa. When the ligand is departing from the binding site, the tree of possibilities is pruned right at that moment so as to avoid unnecessary computation. The advantage of this method is speed without the introduction of any energetic bias which could foul the model from accurate mappings to the experimental truths.