Способ моделирования и прогнозирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями методами квантовой механики с учетом влияния растворителя

Способ моделирования и прогнозирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями методами квантовой механики с учетом влияния растворителя

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к разработке новых соединений для медицины, биотехнологии, физики конденсированных сред и различных областей материаловедения, в которых существенны межмолекулярные взаимодействия, и может быть использовано при разработке новых лекарственных препаратов методами in silico - то есть путем численного моделирования комплекса лекарственного вещества с рецептором или целевым белком. В ходе такого моделирования могут быть получены значения энергетических величин, характеризующих интенсивность взаимодействия белка и лекарственного вещества. На основании этих значений можно сделать вывод об устойчивости комплекса лекарственного вещества с рецептором или целевым белком. Устойчивость комплекса прямо связана с возможной эффективностью лекарственного соединения.

Для этой цели в настоящее время широко используются модели силового поля (например, такие, как AMBER2002, OPLS-AA, CHARMM, ab-initio силовое поле MMFF), в которых атомы в молекулах рассматриваются как классические частицы, взаимодействующие друг с другом с помощью потенциалов взаимодействия.

Несмотря на широкое использование моделей силового поля для численного моделирования взаимодействия молекул друг с другом, эта методология часто неадекватно описывает поведение молекулярных систем. Это обусловлено тем, что поведение атомов в молекулах и электронов в атомах подчиняется законам квантовой, а не классической механики. В настоящее время квантовая механика широко применяется для вычисления характеристик молекул сравнительно небольшого размера (десятки атомов) и их взаимодействия между собой. В последнее время в связи с быстрым увеличением мощности компьютеров стали возможны квантовые расчеты молекулярных систем, содержащих сотни и даже тысячи атомов. Точность и время таких расчетов зависят от применяемых методов вычислений и используемых вычислительных мощностей. Учитывая интенсивное развитие первых и быстрый рост вторых, ясно, что применение квантовой механики для численного моделирования молекулярных систем будет возрастать. В частности, для вычисления интенсивности связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью методы классических силовых полей будут вытесняться методами, основанными на уравнениях квантовой механики.

Однако методы квантовой механики ранее крайне редко использовались для описания биологических молекул, которые, как правило, являются макромолекулами, содержащими сотни и тысячи атомов. Так, неэмпирический метод Хартри-Фока и метод функционала плотности (DFT) использованы в работах [1-3] для описания квантовой части системы, которая погружена в молекулярное окружение, описываемое классически с помощью некоторого силового поля. Это так называемое QM/MM приближение, в котором описание части системы происходит по законам квантовой механики (QM), а другой части системы - по законам классической молекулярной механики (MM). В частности, вычисление энергии взаимодействия (а точнее энтальпии взаимодействия) между двумя биологическими молекулами проведено в работе [2], в которой моделировалась фермент-субстратная реакция.

Более простой и соответственно более быстрый квантово-химический полуэмпирический метод PM3 использован в работе [4] для моделирования активного центра в ферменте цитидин деаминаза. Рассмотренная при моделировании молекулярная система содержала активный центр из 1330 атомов. Для расчета столь большой молекулярной системы использовался так называемый метод Divide-and-Conquer (разделяй и побеждай) или сокращенно D&C или DAC.

Полуэмпирический квантово-механический метод AM1 применялся для исследования электронной структуры биологических макромолекул в растворе [5], при этом использовалась континуальная модель растворителя. Энтальпии связывания белок - белок и белок - ДНК получены как разность между энтальпиями образования соответствующих комплексов и энтальпиями образования отдельных их компонентов, однако полученные данные оказались достаточно нереалистическими (около 5-20 эВ).

Несколько органических макромолекул, содержащих от 256 до 9378 атомов, были рассчитаны в рамках полуэмпирического метода PM3 с использованием метода D&C в рамках пакета квантово-химических программ MOPAC [6]. При этом расчеты проводились как в вакууме, так и в водном растворе с использованием приближения COSMO, в котором растворитель моделировался континуально. При этом также не определялись энергетические характеристики исследуемых химических систем, и основное внимание уделялось получению оптимизированных структур макромолекул и времени, требуемому на оптимизацию.

Большинство известных квантово-механических исследований биологических макромолекул посвящено расчету энергетических характеристик различных ферментативных реакций. При этом исследовались механизмы различных реакций с участием молекул воды, их переходные комплексы и соответствующие энергетические барьеры. Однако во всех этих работах нет оценок интенсивности связывания белков и лигандов в их межмолекулярных комплексах, и не учитывается влияние растворителя на рассматриваемые процессы в макромолекулах.

Таким образом, из известной литературы видно, что при применении методов квантовой механики в способах моделирования биологических макромолекул отсутствует единый подход в определении интенсивности связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями. В известных способах с помощью методов квантовой механики определяются, в основном, структурные и электронные характеристики индивидуальных макромолекул с использованием механизмов и энергетических барьеров ферментативных реакций разрыва пептидной связи в белках. Сравнение таких вычисленных данных с экспериментально полученными данными свидетельствует о неудовлетворительной точности полученных величин. Из уровня техники не известны способы моделирования на основе квантово-механических расчетов энергетических характеристик межмолекулярного взаимодействия молекул-лигандов и молекул-мишеней. Кроме того, в существующих способах квантово-механического исследования макромолекул не обеспечивается корректным образом учет влияния растворителя, что очень важно при моделировании связывания биологических молекул-мишеней с молекулами-лигандами, где существенную роль играют водородные связи.

В связи с этим задачей настоящего изобретения является создание способа моделирования межмолекулярного взаимодействия в водном растворе на основе методов квантовых расчетов с учетом влияния растворителя, как на молекулярном уровне, так и в виде экранирующего континуума, с учетом пространственной релаксации атомов и перераспределения электронной плотности при образовании межмолекулярного комплекса. Такой способ моделирования должен быть применим к определению интенсивности связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями независимо от состава и размера этих молекул, а также независимо от типа применяемого метода квантового расчета. Этот способ должен использовать минимальное количество подгоночных параметров и опираться по возможности только на основные принципы квантовой механики. Техническим результатом является создание способа моделирования и прогнозирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями методами квантовой механики с учетом влияния растворителя.

Указанный результат достигается тем, что предложен способ моделирования и прогнозирования связывания молекул-мишеней и молекул-лигандов, при котором, исходя из структуры и состава межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганды, формируют модели межмолекулярного комплекса и его компонентов с явным и неявным учетом растворителя, которые используются далее при моделировании связывания молекулы-лиганда и молекулы-мишени с учетом влияния растворителя методами квантовой механики с выбранными параметрами моделирования. Используя результаты этого моделирования, вычисляют энтальпию, энтропию и свободную энергию связывания выбранной молекулы-лиганда и молекулы-мишени, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, которые для известных лигандов сравнивают с известными экспериментальными данными. Для новых лигандов вычисленные величины при подобранных параметрах моделирования являются критерием интенсивности связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью и, следовательно, являются критерием при прогнозировании лигандов как потенциальных лекарственных веществ.

В заявленном способе моделирования структуру и состав молекулы-мишени и молекулы-лиганда получают с помощью экспериментальных измерений, из базы данных PDB (Protein Data Bank) [7], кроме того, структуру, состав и координаты атомов новой молекулы-лиганда могут получать с помощью специальных программ - построителей новых лигандов. Если в исходных структурах молекул-мишеней и молекул-лигандов отсутствуют данные о декартовых координатах водородных атомов, координаты недостающих атомов добавляют к координатам атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда, используя различные компьютерные программы построения молекулярных структур. Положения в пространстве добавленных атомов водорода определяют при молекулярно-механической или квантово-механической оптимизации из условия, при котором полная энергия молекулы-мишени и молекулы-лиганда достигает минимума при варьировании координат добавленных водородных атомов.

Структуру межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда получают с помощью стыковки молекулы-лиганда и молекулы-мишени или, как чаще принято называть, докинга, для чего выполняют преобразование координат атомов этих молекул таким образом, чтобы наименьшее расстояние между каждым из атомов лиганда и заданными атомами молекулы-мишени находилось в заданном диапазоне.

Для того чтобы учесть при моделировании влияние растворителя на связывание молекулы-мишени и молекулы-лиганда в рамках явного учета растворителя, множество координат молекул растворителя добавляют к множеству координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и к множествам координат молекулы-лиганда и молекулы-мишени по отдельности. Это делают так, чтобы молекулы растворителя заполняли собой без взаимопересечений и пересечений с атомами межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда все пространство вокруг этих молекулярных систем. Положение молекул растворителя оптимизируют, как правило, в рамках пакетов молекулярной механики или молекулярной динамики вблизи межмолекулярного комплекса и его компонентов, взятых индивидуально.

Квантово-механические модели молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса строят на основе полученных структур этого межмолекулярного комплекса и его компонентов с явно учитываемым растворителем. Для этого проводят сортировку атомов межмолекулярного комплекса, молекулы-мишени и молекулы-лиганда вместе с атомами растворителя на две группы. Для межмолекулярного комплекса в первую группу должны войти все атомы молекулы-лиганда, а также атомы молекулы-мишени и молекулы растворителя, расстояния от которых до каждого из атомов молекулы-лиганда не превышают заданное значение, а во вторую группу входят все остальные атомы молекулы-мишени и все остальные молекулы растворителя. Для модели молекулы-мишени в первую группу атомов должны войти те же атомы молекулы-мишени, которые входят в первую группу атомов межмолекулярного комплекса. Кроме этого, в первую группу должны войти молекулы растворителя, которые находятся от атомов молекулы-мишени, включенных в первую группу, на расстоянии, не превышающем заданную величину, а во вторую группу входят все остальные атомы молекулы-мишени и все остальные молекулы растворителя. Для модели молекулы-лиганда в первую группу атомов должны войти все атомы молекулы-лиганда, а также молекулы растворителя, которые находятся от атомов молекулы-лиганда на расстоянии, не превышающем заданную величину, а во вторую группу входят все остальные молекулы растворителя.

Как правило, атомы первой группы всех рассматриваемых молекулярных систем моделируются методами квантовой механики, а атомы второй группы моделируются методами классической механики, или же атомы второй группы исключаются из моделирования. Для моделирования стыковки двух групп атомов, рассчитываемых в рамках квантового и классического методов, вводятся дополнительные атомы вблизи области пространства, где атомы первой и второй групп находятся на расстоянии друг от друга, не превышающем заданную величину. При этом дополнительные пограничные атомы рассчитывают одновременно в классическом и квантовом приближениях. Если только атомы первой группы рассчитываются в рамках квантового метода, а атомы второй группы исключаются из моделирования, добавленные атомы также рассчитываются в рамках квантового подхода. При этом дополнительные атомы добавляют таким образом, чтобы они образовывали новые ковалентные связи взамен оборванных ковалентных связей между атомами первой и второй групп.

Для полученных моделей определяют зарядовые состояния различных молекулярных групп и согласно этому добавляют или убирают дополнительные атомы в соответствующих местах этих молекулярных групп. По этим зарядовым состояниям определяют полный заряд построенных моделей межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени и молекулы-лиганда.

Когда растворителем является вода, для того, чтобы лучше воспроизвести образование и разрыв водородных связей, при переходе от комплекса к его компонентам, в модели вводят дополнительные молекулы воды. К межмолекулярному комплексу добавляют молекулы воды так, чтобы они находились между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом и образовывали с ними водородные связи. К молекуле-мишени и к молекуле-лиганду добавляют молекулы воды так, чтобы с их участием восстановить оборванные водородные связи, которые присутствовали в межмолекулярном комплексе между молекулой-мишенью и молекулой-лигандом и которые были оборваны при удалении молекулы-лиганда из молекулы-мишени.

Однако для правильного учета влияния растворителя, как правило, недостаточно учесть явно некоторое количество молекул растворителя, и в этом случае требуется учесть растворитель в неявной модели, когда его экранирующее влияние учитывается путем введения в модель непрерывной среды с нужным значением диэлектрической проницаемости. В предложенном методе моделирования связывания мишени и лиганда использованы три типа модели неявного учета растворителя, а именно модель, реализующая решение уравнения Пуассона, модель непрерывного проводника и модель, реализующая решение уравнения Пуассона-Больцмана.

Все данные, полученные на этапе построения моделей молекулы-мишени, молекулы-лиганда и межмолекулярного комплекса, используются для формирования входных файлов для квантово-механического моделирования. В этих входных файлах содержится информация о координатах и типах всех атомов рассматриваемых молекулярных систем, их полный заряд и мультиплетность, координаты и тип атомов молекул растворителя, добавленных в явной модели к межмолекулярному комплексу и его компонентам, параметры растворителя в неявной модели. Кроме того, во входных файлах содержится информация о параметрах оптимизационного процесса, а именно метод и параметры метода моделирования, тип оптимизационной процедуры, пределы самосогласования и минимизации.

Входные файлы используют для того, чтобы с помощью соответствующей программы моделирования полной энергии молекулярной системы, основанной или на комбинации квантово-механического и классического приближения или только на квантово-механическом приближении, найти минимум полной энергии трех рассматриваемых молекулярных систем при варьировании положений всех или некоторых дополнительно определенных атомов. Полученные значения полных энергий молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса используют для вычисления энтальпии связывания компонентов в комплексе. Энтальпия связывания вычисляется как разность между полной энергией межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны, при соблюдении и при не соблюдении баланса молекул растворителя.

В соответствии с настоящим изобретением вычисление энтальпии связывания молекулы-мишени и молекулы-лиганда можно проводить, используя другой метод, при котором полные энергии молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса рассчитывают не в точке минимума, а как средние значения полных энергий, полученных для ряда конфигураций межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. При этом координаты атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, соответствующие каждой из таких конфигураций, могут быть получены в рамках молекулярно-динамического моделирования. В качестве исходных данных при таком виде моделирования также используется структура молекулы-мишени и молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, полученного стыковкой координат его компонентов. При молекулярно-динамическом моделировании может использоваться как явная, так и неявная модели растворителя, которые вводятся способами, описанными ранее.

Для межмолекулярного комплекса, вне зависимости от модели растворителя, моделирование осуществляется путем решения уравнений Ньютона или Лагранжа при учете теплового движения всех взаимодействующих друг с другом атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда с учетом наличия молекул растворителя, при этом определяют состояние молекулярной системы, при котором она достигает теплового равновесия. Затем определяют траектории движения всех атомов системы после достижения их теплового равновесия и определяют координаты всех атомов взаимодействующих молекулы-мишени, молекулы-лиганда и молекул растворителя через определенные промежутки времени заданное количество раз для заданного набора конфигураций межмолекулярного комплекса мишень-лиганд. Аналогично получают набор конфигураций молекулы-мишени и молекулы-лиганда.

Для каждого набора координат межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда в явной или неявной модели растворителя проводят сортировку всех атомов на группы аналогично тому, как это осуществлялось ранее. Для каждой конфигурации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда формируют входной файл для квантово-механического моделирования межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, как описано выше. Для каждого входного файла, то есть для каждой конфигурации межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда, с помощью выбранного метода моделирования проводят расчет полной энергии этих молекулярных систем в растворителе без оптимизации пространственного строения комплекса. Затем вычисляют средние значения полной энергии межмолекулярного комплекса мишень-лиганд, молекулы-мишени, молекулы-лиганда в растворителе по всему выбранному набору конфигураций этой молекулярной системы. Используя полученные средние значения полных энергий межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, вычисляют энтальпию связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе как разность между полной энергией межмолекулярного комплекса мишень-лиганд в растворителе, с одной стороны, и суммой полных энергий молекулы-мишени в растворителе и молекулы-лиганда в растворителе, с другой стороны.

Расчет энтропии связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью в растворителе связывания можно разделить на расчет трех ее компонентов, а именно колебательной, поступательной и вращательной составляющих.

Энтропия, связанная с потерей колебательных степеней свободы при переходе от свободных состояний молекулы-мишени и молекулы-лиганда в растворителе к их межмолекулярному комплексу, определяется колебательными частотами молекул, участвующих в рассматриваемом процессе. Для получения колебательных частот рассматриваемых молекулярных систем, в рамках используемого способа квантово-механического моделирования рассчитываются силовые постоянные или вторые производные полных энергий, относящиеся к межмолекулярному комплексу, молекуле-мишени и молекуле-лиганду, по всем координатам атомов в точках соответствующих минимумов.

В изменение энтропии при связывании молекулы-лиганда с молекулой-мишенью вносит вклад и то, что эти молекулы при связывании теряют и поступательные и вращательные степени свободы, которыми они обладали в свободном состоянии. Для вычисления этой части энтропии используются только координаты и атомные веса атомов молекулы-мишени, молекулы-лиганда и их межмолекулярного комплекса, и этот расчет, как правило, вынесен за рамки квантово-механического моделирования. Полное изменение энтропии при связывании молекулы-лиганда с молекулой-мишенью рассчитывают как сумму изменений различных ее компонент.

Процесс связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью происходит в растворителе. Каждая из этих молекул создает в растворителе полость, расталкивая молекулы растворителя. Этот процесс требует затраты определенной свободной энергии, которая называется энергией кавитации, и она зависит только от свойств растворителя и формы молекулы, помещаемой в растворитель. Изменение кавитационной энергии при связывании молекулы-мишени и молекулы-лиганда вычисляется дополнительно и учитывается при расчете свободной энергии связывания в комплексе. Последняя рассчитывается как сумма энтальпийного, энтропийного членов и члена, характеризующего изменение кавитационной энергии.

Рассчитанные энтальпия, энтропия и свободная энергия связывания являются энергетическими характеристиками интенсивности связывания молекулы-мишени и молекулы-лиганда и используются для прогнозирования связывания новых лигандов с молекулами-мишенями.

Изобретение поясняется на примерах осуществления, иллюстрируемых чертежами, на которых представлено следующее:

Фиг.1 - блок-схема способа квантово-механического моделирования и прогнозирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью;

Фиг.2 - блок-схема способа выбора молекулы-мишени и молекулы-лиганда и построения межмолекулярного комплекса, состоящего из лиганда и мишени;

Фиг.3 - блок-схема способа построения квантово-механических моделей межмолекулярного комплекса лиганд-мишень и его компонентов с явным и неявным учетом растворителя;

Фиг.4 - блок-схема способа квантово-механического моделирования межмолекулярного взаимодействия между молекулой-лигандом и молекулой-мишенью с учетом растворителя, включающего вычисления энтальпии, энтропии, свободной энергии связывания лиганда и мишени.

Фиг.5 - блок-схема молекулярно-динамического способа квантово-механического моделирования связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями в растворителе.

Фиг.6 - структурные формулы (левая колонка) и квантово-механически оптимизированные структуры (правая колонка) лигандов, соответствующих комплексам белок-лиганд, которые были выбраны как тестовые системы для моделирования связывания в системе белок-лиганд методами квантовой механики.

Фиг.7 - модель активного центра комплекса 1AJ6 (система 5 по таблице 1). Белок представлен тонкими палочками, молекулы воды представлены толстыми палочками, молекула лиганда представлена шариками и палочками. Пунктирные линии обозначают водородные связи в комплексе белок-лиганд.

Фиг.8 - схема способа W1 добавления молекул воды к компонентам комплекса белок-лиганд.

Фиг.9 - схема способа W2 добавления молекул воды к компонентам комплекса белок-лиганд.

На фиг.1 изображена общая схема заявленного способа моделирования и прогнозирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью. На этапе 1 выбирают молекулу-мишень и молекулу-лиганд и получают их структуру. Из выбранных молекулы-мишени и молекулы-лиганда на этапе 2 формируют их межмолекулярный комплекс. Исходя из структуры и состава этого межмолекулярного комплекса, на этапе 3 формируют модели межмолекулярного комплекса мишень-лиганд и его компонентов с явным и неявным учетом растворителя, которые используются далее на этапе 4 при моделировании связывания молекулы-лиганда и молекулы-мишени с учетом влияния растворителя методами квантовой механики с выбранными параметрами моделирования. Используя результаты этого моделирования, на этапе 5 вычисляют числовые данные, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, а именно энтальпию, энтропию и свободную энергию связывания выбранной молекулы-лиганда и молекулы-мишени, и записывают эти величины в виде числовых данных на носитель информации. На этапе 6 экспериментально измеряются аналогичные величины, характеризующие интенсивность связывания заданной молекулы-лиганда с заданной молекулой-мишенью. Затем рассчитанные при моделировании величины, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, сравниваются на этапе 7 с измеренными на этапе 6 соответствующими величинами. В случае расхождения выше заданного предела рассчитанных и измеренных величин на этапе 8 корректируются модель построения межмолекулярного комплекса и параметры квантово-механического моделирования взаимодействия молекулы-мишени и молекулы-лиганда, в частности корректируется модель учета влияния растворителя на связывание. Затем снова проводят моделирование на этапе 4 и рассчитывают на этапе 5 величины, характеризующие интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью. Этот процесс выработки оптимальной модели и параметров моделирования продолжается до тех пор, пока расхождение между рассчитанными и измеренными величинами, характеризующими связывание молекул между собой, не станет меньше заданной величины. После этого процесс подгонки параметров моделирования для заданной пары молекулы-мишени и молекулы-лиганда считается законченным.

Далее, выбирается другая пара молекулы-лиганда и молекулы-мишени, и для нее повторяются описанные выше этапы формирования модели межмолекулярного комплекса (3), квантово-механического моделирования (4), вычисления величин, характеризующих связывание молекулы-лиганда с молекулой-мишенью (5), измерения этих величин (6), сравнения вычисленных и измеренных величин (7) и корректировки параметров (8). В качестве начальных параметров используются значения параметров моделирования, полученные для предыдущей пары молекулы-мишени и молекулы-лиганда. Затем выбирается следующая пара молекулы-мишени и молекулы-лиганда и т.д.

В результате такой самосогласованной процедуры определяются параметры моделирования, которые позволяют получать с заданной точностью значения величин, характеризующих интенсивность связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью, а именно энтальпию, энтропию и свободную энергию связывания, для определенного множества пар молекул-мишеней и молекул-лигандов. Этот процесс расширения множества пар молекул-мишеней и молекул-лигандов и самосогласованной подгонки параметров моделирования продолжается до тех пор, пока для очередной взятой вновь пары молекулы-мишени и молекулы-лиганда характеризующие интенсивность связывания величины, вычисленные с использованием параметров моделирования, полученных для других пар молекул, не будут совпадать с заданной точностью с измеренными для данной пары молекул величинами, характеризующими интенсивность связывания. После этого окончательные значения параметров моделирования записываются на этапе 7 (фиг.1) на носитель информации, и в дальнейшем они используются для прогнозирования.

На этапе 9 проводится подтверждение правильности выбранных методов формирования квантово-механических моделей и методов моделирования межмолекулярного взаимодействия в комплексе путем демонстрации совпадения с заданной точностью (которая должна быть порядка точности самих квантовых расчетов 0,1-2,0 ккал/моль) экспериментальных и вычисленных в рамках выработанной модели величин, характеризующих интенсивность связывания для очередных пар молекул-мишеней и молекул-лигандов, которые не использовались в итерационной процедуре разработки способа моделирования. В дальнейшем процедура построения квантово-механической модели и моделирования межмолекулярного взаимодействия в комплексе, состоящем из молекулы-лиганда и молекулы-мишени, используются для определения на этапе 10 группы новых лигандов, имеющих лучшее связывание с заданной молекулой-мишенью.

Прогнозирование на этапе 11 молекул-лигандов, которые достаточно сильно связываются с заданной молекулой-мишенью и могут быть новыми потенциальными лекарственными веществами, заключается в следующем. Для заданной молекулы-мишени формируется множество молекул-лигандов, кандидатов для прогнозирования, исходя из различных баз данных и библиотек фрагментов с помощью программ, использующих определенные правила построения лигандов в активном центре молекулы-мишени. Исходные базы данных содержат информацию о структуре молекул или структуре фрагментов молекул, полученную в различных экспериментах, или содержат координаты атомов молекул или фрагментов молекул, построенных с помощью различных компьютерных программ. Количество молекул в таком множестве молекул-лигандов, являющихся кандидатами для прогнозирования, может быть огромно, до нескольких миллионов, и каждая из этих молекул существует в реальности или может быть синтезирована. Важно, чтобы для молекул этого множества имелась информация об их химическом составе, трехмерной структуре и координатах всех атомов. Для каждой молекулы-лиганда из выбранного множества проводится моделирование на этапе 5 (фиг.1) процесса связывания и вычисление на этапе 6 величин, характеризующих связывание, с учетом влияния растворителя, молекулы-лиганда с заданной молекулой-мишенью, а именно энтальпии, энтропии и свободной энергии связывания с использованием окончательных значений параметров моделирования, полученных на предыдущем этапе. В результате такого моделирования получают величины, характеризующие интенсивность связывания всех молекул-лигандов из выбранного множества с заданной молекулой-мишенью. По результатам моделирования выбирают ряд наиболее перспективных молекул-лигандов, имеющих лучшие значения величин, характеризующих интенсивность связывания. Те молекулы-лиганды, для которых прогнозируется хорошее связывание, могут быть использованы в реальных химических экспериментах по связыванию с заданной молекулой-мишенью. Очевидно, что при таком подходе существенно сокращается число молекул-лигандов, для которых необходимо проводить экспериментальные тестирования. Таким образом, предлагаемый способ компьютерного прогнозирования молекул-лигандов, которые могут быть новыми потенциальными лекарственными веществами, позволяет избежать значительных временных и материальных затрат на синтез новых веществ и проведение экспериментов по измерению величин, характеризующих интенсивность связывания молекул-лигандов с молекулами-мишенями.

Далее подробно описаны основные этапы, представленные на фиг.1, заявленного квантово-механического способа моделирования связывания молекулы-лиганда с молекулой-мишенью с учетом влияния растворителя.

На фиг.2 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ формирования межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда (этап 2 на фиг.1) в соответствии с изобретением.

Исходя из множества 12 известных молекул-лигандов на этапе 13 выбирают молекулу-мишень, для которой необходимо произвести моделирование и прогнозирование связывания с ней различных молекул-лигандов. Структуру и состав этой молекулы-мишени получают на этапе 14 с помощью экспериментальных измерений, например с помощью рентгеноструктурного анализа, методами рассеяния нейтронов или ядерного магнитного резонанса. Структуру и состав молекулы-мишени можно также получить в виде набора декартовых координат соответствующих атомов, полученных в ходе молекулярно-механического или молекулярно-динамического моделирования, проводимого после считывания с соответствующих носителей информации предварительно сохраненных данных, извлеченных из различных баз данных о строении молекулы-мишени. В том случае, когда молекула-мишень является белком, ее структуру и состав получают из базы данных PDB (Protein Data Bank) [7], доступной через Интернет.

Как правило, в исходных структурах молекул-мишеней отсутствуют данные о декартовых координатах водородных атомов. Координаты недостающих атомов водорода добавляют на этапе 15 там, где это необходимо, к координатам тяжелых атомов молекулы-мишени, используя различные компьютерные программы построения молекулярных структур. Оптимизированные значения декартовых координат добавленных атомов водорода определяют на этапе 16 из условия, при котором полная энергия молекулы-мишени достигает минимума (при молекулярно-механической или квантово-механической оптимизации) при варьировании координат добавленных водородных атомов.

Информацию о структуре и составе, а также о координатах всех атомов, включая координаты добавленных атомов водорода молекулы-мишени, записывают на этапе 17 на носитель информации в соответствующем формате.

Исходя из множества 18 известных молекул-лигандов на этапе 19 выбирают молекулу-лиганд, для которой далее будет проводиться моделирование связывания ее с выбранной молекулой-мишенью. Помимо этого можно построить множество 20 новых лигандов, исходя из различного рода баз данных или библиотек фрагментов лигандов, и выбрать на этапе 19 из этого множества молекулу-лиганд, для которой далее будет проводиться прогнозирование связывания ее с выбранной молекулой-мишенью. Структуру, состав и координаты атомов известной молекулы-лиганда получают на этапе 21 аналогично тому, как это делалось для молекулы-мишени, а именно или с помощью экспериментальных измерений, в рамках молекулярно-механического или молекулярно-динамического моделирования или исходя из базы данных PDB. Структуру, состав и координаты атомов новой молекулы-лиганда могут получать с помощью специальных программ - построителей новых лигандов.

Если экспериментально известная или вновь сформированная структура молекулы-лиганда не содержит атомов водорода, то на этапе 22 к координатам тяжелых атомов лиганда добавляют там, где это необходимо, координаты недостающих атомов водорода, используя различные компьютерные программы формирования молекулярных структур. Координаты этих атомов водорода определяют на этапе 23 путем минимизации (или в рамках молекулярной механики, или в рамках квантовой механики) полной энергии молекулы-лиганда при варьировании координат добавленных атомов водорода. Координаты всех атомов молекулы-лиганда, включая координаты добавленных атомов водорода, записывают на этапе 24 на носитель информации в соответствующем формате.

Затем на этапе 25 с помощью стыковки молекулы-лиганда и молекулы-мишени получают структуру межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-лиганда (2 на фиг.1), который впоследствии используется в квантово-механическом моделировании. Для этого считывают координаты всех атомов молекулы-мишени и молекулы-лиганда, включая координаты добавленных атомов водорода, с носителя информации в память компьютера. После этого выполняют преобразование координат атомов этих молекул таким образом, чтобы наименьшее расстояние между каждым из атомов лиганда и заданными атомами молекулы-мишени находилось в заданном диапазоне. Такая процедура стыковки или, как чаще принято называть, докинга, необходима для совмещения в пространстве двух молекул, так как обычно координаты их атомов получаются из различных источников информации. Полученные таким образом координаты атомов межмолекулярного комплекса молекулы-мишени и молекулы-