Ανάπτυξη μοντέλου θεωρητικής μεθοδολογίας για το σχεδιασμό βιολογικώς ενεργών χημικών ενώσεων με χρήση υπολογιστή

Abstract

In order to elucidate some basic principles for protein-ligand interactions, a subset of 87 structures of human proteins with their ligands was obtained from the PDB databank. After a short molecular dynamics simulation (to ensure structure stability), a variety of interaction energies and structural parameters were extracted. Linear regression was performed to see which of these parameters have a potentially significant contribution to the protein-ligand interaction. Important factors seem to be the number of ligand atoms, the ratio of N, O and S atoms to total ligand atoms, the hydrophobic/polar aminoacid ratio and the ratio of cavity size to the sum of ligand plus water atoms in the cavity. An important factor also seems to be the immobile water molecules in the cavity. Nine of these parameters were used as known inputs to train a neural network in the prediction of seven other. Eight structures were left out of the training to test the quality of the predictions. After optimization of the neural network, the predictions were fairly accurate given the relatively small number of structures, especially in the prediction of the number of nitrogen, oxygen and sulfur atoms of the ligand. After that, extensions of the predictions were examined such as forecasting if a ligand acts as agonist or antagonist, taking into account and the parameter of immobilized water molecules too.

Σκοπός της εργασίας ήταν να εξαχθούν συμπεράσματα για τους μηχανισμούς με τους οποίους χημικές ουσίες τροποποιούν τη λειτουργία πρωτεϊνών, δημιουργώντας ένα ρόλο φαρμακευτικής δράσης. Έγινε χρήση ενός επιλεγμένου δείγματος τριδιάστατων δομών από την PDB (Protein Data Bank). Διερευνήθηκε η παρουσία γενικών κανόνων και σχέσεων που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε in silico σχεδιασμό φαρμάκων. Έγινε συνδυασμός μιας μεγάλης ποικιλίας τεχνικών όπως: νευρωνικών δικτύων, στατιστικής ανάλυσης, περιγραφικής ανάλυσης τριδιάστατων δομών, μοριακών προσομοιώσεων, ενεργειακών υπολογισμών (που συνήθως χρησιμοποιούνται μεμονωμένες). Δοκιμάστηκε ένα μεγάλο εύρος υπολογισμών που παλινδρομήθηκαν με τα θερμοδυναμικά κατώφλια (που προέκυψαν μετά από προσομοίωση και μετά από προσομοίωση και ενεργειακή ελαχιστοποίηση) προκειμένου να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με το ρόλο διάφορων μηχανισμών που ενδεχομένως ερμηνεύουν τον τρόπο αλληλεπίδρασης πρωτεΐνης - υποκαταστάτη. Επισημάνθηκαν κάποιοι ισχυροί μηχανισμοί στον σχηματισμό των παρατηρούμενων ενεργειακών κατωφλιών όπως είναι το μέγεθος του θύλακα σε σχέση με το αριθμό ατόμων του υποκαταστάτη και των μορίων νερού, η αναλογία υδρόφοβων αμινοξέων προς πολικά, οι αναλογίες των διάφορων τύπων ατόμων του υποκαταστάτη, η αναλογία ατόμων νερού προς άτομα υποκαταστάτη στο θύλακα και η παρουσία ακινητοποιημένων μορίων νερού. Συνδέθηκε η σημασία των ακινητοποιημένων μορίων νερού με τη διαμερισματοποίηση του θύλακα κατά την αλληλεπίδραση με τον υποκαταστάτη σε περιοχές ισχυρής και μη ισχυρής πρόσδεσης (ή ακόμη και απώθησης) και έτσι εξετάστηκε η συμβολή των ακινητοποιημένων μορίων νερού στη διαφοροποίηση του μηχανισμού αγωνιστή – ανταγωνιστή του μοριακού υποδοχέα. Τα αποτελέσματα παρουσιάζουν ισχυρή στατιστική σημαντικότητα παρά το μικρό σχετικά δείγμα (87 αρχεία pdb). Κατόπιν τα αποτελέσματα χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία νευρωνικού δικτύου (με το πρόγραμμα JustNN) με σκοπό να ελεγχθεί κατά πόσο είναι ικανά να προβλέψουν τη σύσταση του υποκαταστάτη (δηλαδή από τι άτομα και ομάδες ατόμων αποτελείται). Για αυτό τον λόγο 8 περιπτώσεις από τους υποκαταστάτες τέθηκαν εκτός των ομάδων προπόνησης (training) και αξιολόγησης (validating) του νευρωνικού δικτύου, προκειμένου να διαπιστωθεί κατά πόσο η πρόβλεψη πλησιάζει την πραγματική σύσταση του υποκαταστάτη και φαίνεται ότι τα αποτελέσματα είναι αρκετά ενθαρρυντικά για αφετηρία. Στο τέλος εξετάζονται προοπτικές επέκτασης των προβλέψεων με νευρωνικά δίκτυα, με σκοπό την πρόβλεψη αν ένας υποκαταστάτης αποτελεί αγωνιστή ή ανταγωνιστή υποδοχέα λαμβάνοντας υπόψιν και την παράμετρο των ακινητοποιημένων μορίων νερού.