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随着现代计算机科学技术的飞跃发展,计算机辅助药物设计(CADD)在药物研发中发挥的作用越来越重要。药物研发人员也更加倾向于使用计算机手段来缩短新的药物研发周期,和减少研发成本,大大减少了新药研发过程中的盲目性和偶然性。而如何合理有效的使用现今的计算资源来处理海量的生物信息、化学信息数据成为当下亟待解决的问题。
本文中,我们提出并设计一个全新的计算机辅助药物设计系统。该理论是基于web的SAAS的系统,用户可以随时随地的访问并使用该系统。现今有分子碎片模块、AMBER结合自由能(MM-PBSA)计算模块和分子数据库(包括蛋白质数据库、蛋白质配体数据库和小分子碎片数据库三部分)三个模块。并将在今后的工作中把该系统逐步完善成一套完整平台,能够涵盖计算机药物设计的全部流程。向药物设计人员提供一整套的计算机辅助药物设计工具。
本系统的分子碎片算法是一种全新设计的分子碎片方法,该算法能够满足根据要做碎片的分子所定义的核心或重要官能团,将分子的所有可能碎片进行组合,得到全新的碎片分子,在对这些分子进行合成性、药物设计中的Ro5等规则进行筛选,由此得到一系列全新的针对特定靶点的分子数据我们对激酶896个配体碎片处理,依据Ro5规则得到碎片分子3304个,Ro3规则分子碎片677个。最终同实验结合,对结果再次依据氢键的给体和受体处理数目均不得大于3个,得到395个碎片分子,然后对这395个碎片分子处理得到若干有活性的新颖化合物,并已经申请专利。
在计算自由结合能模块,该系统采用AMBER11的MM-PBSA模块,即对AMBER11进行封装。在处理过程中,首先对提供蛋白质和其配体文件进行预处理包括配体分离,溶剂处理,水分子分去除,配体分子加氢等等步骤;然后在利用AMBER11的分子动力学对上一步的文件优化处理;最后将处理好的文件交给AMBER的MM-PBSA模块运算,计算结束后,将得到结果文件自动发给用户提供的e-mail中。
我们根据蛋白质靶点和结合口袋对HIV、HCV等等蛋白质配体进行整理和分类,目前数据库收集了HIV-1蛋白酶、HCV、kinase、HSP90、PTB1B和锌、镁相关蛋白质等6类蛋白质数据17911个及其相关配体数据6270个,后期会对数据库持续更新。在分子的搜索方法上,该系统采用的分子指纹的方式和对分子进行相似度和片段搜索。这在相似性搜索中,利用计算分子指纹间的Tanimoto指数,来确定其相似度值。而在碎片搜索时,首先使用分子指纹在耗费大量计算资源的匹配前,来筛选可能的分子。
本项目使用了若干开源化学信息软件包,包过CDK,RDKit,Openbabel,Ketcher等,同时也使用了开源的数据库MySQL和python web框架Django。