Введение
Докинг белка-лиганда - это метод молекулярного моделирования. Целью стыковки белковых лигандов является предсказание положения и ориентации лиганда (маленькой молекулы), когда он связывается с белковым рецептором или ферментом. Фармацевтические исследования используют методы стыковки для различных целей, в частности, для виртуальной проверки больших баз данных доступных химических веществ для выбора вероятных кандидатов на лекарства. Было быстрое развитие вычислительной способности определять структуру белка с помощью таких программ, как AlphaFold, и спрос на соответствующие прогнозы стыковки белковых лигандов стимулирует внедрение программного обеспечения, которое может находить точные модели. Когда можно будет точно предсказать склад белка и то, как лиганды различных структур будут связываться с белком, возможно будет гораздо более быстрый прогресс разработки лекарств.
История
Компьютерная помощь при разработке лекарственных препаратов (CADD) была введена в 1980-х годах для скрининга новых лекарств. Основная предпосылка заключается в том, что, анализируя чрезвычайно большой набор данных по химическим соединениям, которые могут быть жизнеспособными для производства определенного фармацевтического препарата, исследователи смогли свести к минимуму количество новых веществ, не тестируя их все экспериментально. Однако способность точно предсказывать целевые места связывания - это новое явление, которое расширяет способность просто анализировать набор данных химических соединений; теперь, благодаря увеличению вычислительных возможностей, можно проверить фактические геометрии места связывания белкового лиганда in vitro. Развитие компьютерных технологий сделало эти структуроориентированные методы исследования лекарств следующим направлением в биофармации 21-го века. Для того, чтобы тонко обучить новые алгоритмы, чтобы захватить точную геометрию способности связывания белковых лигандов, экспериментально собранный набор данных может быть использован с помощью таких методов, как рентгеновская кристаллография или спектроскопия NMR. Уровень квадратного отклонения коренного значения является стандартным методом оценки производительности различных программных продуктов в режиме связывания структуры белкового лиганда. В частности, это среднее квадратное отклонение корня между предсказанной программным обеспечением докинг-позицией лиганда и экспериментальным режимом связывания. Измерение RMSD рассчитывается для всех генерируемых компьютером позиций возможных связей между белком и лигандом. Программа не всегда точно предсказывает фактическую физическую позу при оценке RMSD между кандидатами. Для того, чтобы затем оценить силу компьютерного алгоритма для прогнозирования стыковки белков, необходимо изучить ранжирование RMSD среди генерируемых компьютером кандидатов, чтобы определить, была ли экспериментальная поза фактически сгенерирована, но не выбрана.
Гибкость белка
За последние два десятилетия вычислительные мощности резко возросли, что позволило использовать более сложные и вычислительно-интенсивные методы в разработке лекарств с помощью компьютера. Однако решение проблемы гибкости рецепторов в методологии стыковки по-прежнему является проблемой. Основная причина этой сложности заключается в большом количестве степеней свободы, которые необходимо учитывать при расчетах такого рода. Однако в большинстве случаев пренебрежение этим методом приводит к плохим результатам стыковки с точки зрения предсказания обязательной позы в реальных условиях. Использование моделей с грубым зерном белка для преодоления этой проблемы, кажется, является многообещающим подходом. AutoDock - один из вычислительных инструментов, часто используемых для моделирования взаимодействий между белками и лигандами в процессе открытия лекарств. Хотя классически используемые алгоритмы для поиска эффективных позиций часто предполагают, что белки рецептора являются жесткими, в то время как лиганд умеренно гибкий, новые подходы также реализуют модели с ограниченной гибкостью рецептора. AutoDockFR - более новая модель, которая способна имитировать эту частичную гибкость внутри белка-рецептора, позволяя боковым цепям белка занимать различные позы в их конформационном пространстве. Это позволяет алгоритму исследовать гораздо большее пространство энергетически релевантных позиций для каждого испытанного лиганда. Для упрощения сложности пространства поиска алгоритмов прогнозирования были проведены различные гипотезы. Одна из таких гипотез заключается в том, что изменения конформации боковой цепи, содержащие больше атомов и вращения большей величины, на самом деле менее вероятно, чем меньшие вращения из-за возникающих энергетических барьеров. Стерические помехи и затраты на энергию вращения, которые вводятся с этими большими изменениями, делают менее вероятным, что они были включены в фактическую позу белкового лиганда. Такие результаты могут облегчить ученым разработку эвристики, которая может снизить сложность пространства поиска и улучшить алгоритмы.
Реализация
Первоначальный метод тестирования молекулярных моделей различных связывающих мест был введен в 1980-х годах, когда рецептор был приблизительно оценен сферами, которые занимали поверхностные щели. Лиганд был приближен к большему количеству сфер, которые занимали бы соответствующий объем. Затем был выполнен поиск для максимизации стерического перекрытия между сферами как связывающей, так и рецепторной сфер. Однако новые функции оценки для оценки молекулярной динамики и потенциала стыковки белковых лигандов реализуют контролируемый молекулярный динамический подход. По сути, моделирование представляет собой последовательность небольших временных окон, с помощью которых вычисляется расстояние между центром массы лиганда и белка. Значения расстояния обновляются с регулярной частотой, а затем регрессивно линейно настраиваются. Когда наклон отрицательный, лиганд приближается к месту связывания и наоборот. Когда лиганд отходит от места связывания, дерево возможностей обрезается в тот самый момент, чтобы избежать ненужных вычислений. Преимущество этого метода - скорость без введения каких-либо энергетических искажений, которые могут испортить модель от точных отображений до экспериментальных истин.