Разработка новых лекарственных препаратов связана с крупными финансовыми вложениями и может длиться не одно десятилетие. Именно поэтому ученые непрестанно занимаются поиском перспективных методов создания лекарств. Одним из таких методов является технология компьютерного моделирования. ИТ-разработка лекарств имеет большой потенциал, так как этот подход позволяет создавать виртуальные химические вещества и оценивать их эффективность на компьютерной модели. Компания Fujitsu разработала технологию молекулярного моделирования, которая в 10 раз снижает вероятность возникновения ошибок на этапе моделирования новых химических веществ. В этой статье мы расскажем о ней подробно.
Эффект химического вещества в качестве лекарства проявляется, когда оно связывается с целевым белком. В этом случае вещество меняет свою форму в соответствии с формой целевого белка. Уровень изменения напрямую связан с аффинностью* связывания вещества и белка и позволяет получить общее представление об эффективности лекарства. В процессе исследований ученым очень важно точно спрогнозировать этот показатель.
Для подсчета уровня изменения химического вещества используются методики, основанные на принципах квантовой или ньютоновской механики. Неэмперические расчеты на основе квантовой механики обеспечивают высочайшую точность, представляя собой анализ состояния электронов на основе типа и положения атомов. Однако выполнение подобных исследований занимает очень много времени. Для точного моделирования уровня изменения химических веществ с помощью этого метода требуются годы, что делает его не пригодным для практического применения.
Напротив, приближенные вычисления на основе молекулярного моделирования выполняются очень быстро и широко распространены в науке. Они используют принципы ньютоновской механики для подсчета силы взаимодействия между атомами и могут применяться для выявления состояния больших молекул, включая белок.
С точки зрения ньютоновской механики, силы, возникающие между атомами, выражаются следующим образом:
- Как сила, которая зависит от расстояния между двумя связанными атомами;
- Как сила, которая зависит от углов между тремя связанными атомами;
- Как сила, которая зависит от уровня скрученности в связке;
- Как сила, которая зависит от расстояния между несвязанными атомами.
Когда химическое вещество связано с целевым белком, уровень скрученности связки отражает степень деформации. Тем не менее, при использовании существующих технологий точность определения двугранного угла, значение которого необходимо для подсчета скрученности связки, достаточно низкая, что вызывает проблему низкой точности определения аффинности связывания.
Двугранный угол (угол, образованный плоскостью атомов A, B и C и плоскостью атомов B, C и D)
В чем суть разработки Fujitsu?
Fujitsu занимается разработкой молекулярного моделирования более десяти лет. Используя накопленный опыт, ученые компании создали технологию, которая учитывает не только места примыкания, в которых возникает скрученность, но и влияние расположенных рядом атомов друг на друга.
Существующая технология оценивает значение двухгранных углов на основании положения от 4 до 2 атомов в связке и других атомов, к которым привязаны эти атомы. Однако, в зависимости от структуры молекулы, существуют случаи, когда атомы, не включенные в эти 4 учитываемых атома, оказывают большое влияние на соседние, и в таких случаях высока вероятность возникновения ошибок в расчетах.
Специалисты Fujitsu создали базу данных формул оценки для тех случаев, когда влияние атомов, расположенных далеко от связки, принципиально важно. Используя соответствующую формулу оценки, теперь можно выполнять точную оценку молекулярной скрученности, чего ранее сделать было нельзя.
Пример молекулярной структуры: 3-(метиламино) пиразол
После того как Fujitsu интегрировала эту технологию со специализированным ПО, в лабораторных условиях была изучена точность вычислений новой разработки. Fujitsu провела оценку этой технологии для 190 типов химических веществ, сравнивая полученные результаты с верными, полученными в ходе неэмпирических расчетов, и подсчитывая коэффициент погрешности. Исследование позволило доказать, что вероятность возникновения ошибок при оценке уровня скрученности у новой разработки, в среднем, в 10 раз ниже по сравнению с используемой ранее технологией.
Практическое применение
Оценка параметра двугранного угла с использованием 190 типов структур химических веществ
Новый способ определения аффинности связывания целевых белков и химических веществ демонстрирует гораздо более точные результаты измерений по сравнению с ранее используемой технологией General AMBER Force Field 1.8 (GAFF 1.8). Ученые предполагают, что ее практическое внедрение позволит создать принципиально новые лекарственные средства. Компания Fujitsu также планирует включить эту технологию в собственный сервис разработки лекарств.
*термодинамическая характеристика, количественно описывающая силу взаимодействия веществ
Автор: FeeAR
