WikiSort.ru - Компьютерные программы

AutoDock — пакет программ предназначенный для автоматизированного молекулярного докинга. В основном применяется для белок-лигандного докинга, в том числе, с учётом подвижных остатков белка, Autodock также используется для «слепого докинга», когда активный сайт белка не известен.

О программе

AutoDock — один из пакетов программ позволяющих предсказывать связывание маленьких молекул с белками известной структуры. Настоящие дистрибутивы AutoDock включают в себя два поколения ПО: AutoDock 4 и AutoDock Vina. Является свободным программным обеспечением, последняя 4-я версия которого распространяется в соответствии с открытым лицензионным соглашением GNU General Public License, AutoDock Vina доступна под Apache license.

На данный момент используется примерно 29000 пользователями по всему миру. В 2006 г. была наиболее цитируемой программой докинга, в январе 2011 г. индекс цитирования ISI Citation Index указал на более чем 2700 опубликованных работ, в которых были предоставлены ссылки на первичные источники AutoDock.

AutoDock поддерживается и разрабатывается лабораториями The Scripps Research Institute и Olson Laboratory.

История версий

Физическая модель

Модель физических взаимодействий, использующаяся для предсказания энергии взаимодействия молекул, считает эту энергию суммой энергий взаимодействий между всеми парами неделимых элементов. За неделимые элементы взяты атомы, каждый из которых описывается своими координатами и типом. Остальные же характеристики рассчитываются в соответствии с его окружением^[8].

Оценка энергии упрощена за счет рассмотрения так называемого поля сил вокруг белка, которое для каждой точки пространства определяет силу взаимодействия белка с помещенным в эту точку атомом. Причем, для каждого типа атома создается отдельное поле.

Полуэмпирическая формула свободной энергии поля сил, с помощью которой AutoDock оценивает энергию взаимодействия атомов, содержит как слагаемые, отвечающие молекулярно-механическим взаимодействиям, так и эмпирические слагаемые, оценивающие взаимодействие с водой. Это отличается от традиционного молекулярно-механического поля сил, которое также основывается на попарных взаимодействиях, но обычно явно использует молекулы воды, чтобы оценить вклад сольватации. Предназначением эмпирической свободной энергии является учёт сложных вкладов энтальпии и энтропии в энергию, с помощью ограниченного числа легко подсчитываемых слагаемых^[8].

Свободная энергия взаимодействия полагается равной разнице между суммой энергий лиганда и белка в разделенном не связанном состоянии, и энергии комплекса лиганд-белок.

Подсчет энергии комплекса разбит на две стадии:

• Для каждой молекулы отдельно оценивается изменение внутренней энергии при переходе к конформации, в котором она находится в комплексе;
• Подсчитывается энергия межмолекулярных взаимодействий при образовании комплекса.

Формула свободной энергии поля сил включает 6 слагаемых, отвечающих всевозможным попарным взаимодействиям и оценке потери конформационной энтропии при связывании:

${\displaystyle \Delta G=(V_{\text{bound}}^{L-L}-V_{\text{unbound}}^{L-L})+(V_{\text{bound}}^{P-P}-V_{\text{unbound}}^{P-P})+(V_{\text{bound}}^{P-L}-V_{\text{unbound}}^{P-L}+\Delta S_{\text{conf}})}$

В данном равенстве, L соответствует лиганду, а P обозначает белок в комплексе лиганд-белок. Однако, данный метод работает для любых типов молекул в комплексе.

Первые два члена являются оценкой внутримолекуляной энергии лиганда в связанной и не связанной с белком конформациях; следующие два члена являются оценкой изменения внутримолекулярной энергии белка. Изменение межмолекулярной энергии находится в третьей скобке.

Парные слагаемые содержат оценку Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения/отталкивания, водородные связи, электростатику и десольватацию:

${\displaystyle V=W_{\text{vdw}}\sum \limits _{i,j}\left({\dfrac {A_{ij}}{r_{ij}^{12}}}-{\dfrac {B_{ij}}{r_{ij}^{6}}}\right)+W_{\text{hbond}}\sum \limits _{i,j}E(t)\left({\dfrac {C_{ij}}{r_{ij}^{12}}}-{\dfrac {D_{ij}}{r_{ij}^{10}}}\right)+W_{\text{elec}}\sum \limits _{i,j}{\dfrac {q_{i}q_{j}}{e(r_{ij})r_{ij}}}+W_{\text{sol}}\sum \limits _{i,j}\left(S_{i}V_{j}-S_{j}V_{i}\right)e^{\left(-r_{ij}^{2}/2\sigma ^{2}\right)}}$

Взвешивающие коэффициенты W подобраны так, чтобы минимизировать различие оценки энергии связывания с экспериментальными данными.

Первый член — типичный 6/12 потенциал для Ван-дер-Ваальсовых сил притяжения/отталкивания. Параметры A и B взяты из поля сил AMBER. Второй член отвечает направленным водородным связям, основным на 10/12 потенциале.

Параметры C и D взяты такие, что минимум энергии в −5ккал/моль достигается на расстоянии 1.9 Å для O-H и N-H, и минимум в −1 ккал/моль достигается при расстоянии 2.5 Å для S-H. Направленность взаимодействия водородной связи E(t) зависит от угла t отклонения от идеальной геометрии связывания. Направленность далее улучшена ограничением количества водородных связей, доступных для каждой точки сетки, числом водородных связей, что могут быть сформированы.

Электростатические взаимодействия оценены экранированым Кулоновским потенциалом, таким же, что использовался в AutoDock 3.

Последний член отвечает за потенциал энергии сольватации, зависящий от объёма атомов, окружающих данный атом, взвешенное сольватационным параметром (S) и экспоненциальным выражением, зависящим от расстояния. Взвешивающий фактор расстояния принят равным σ = 3.5 Å^[12].

Входные файлы

Файлы с расширением .pdb являются основным форматом хранения информации о конформации и строении молекул. Такие файлы получают из экспериментальных данных полученных рентгеновской кристаллографией или ЯМР-спектроскопией, либо методами предсказания структуры молекул. Самым крупным банком данных 3-D структур в формате .pdb является protein data bank.

Начиная с версии AutoDock 4 процедура докинга требует два файла в формате .pdbqt; один для рецептора, другой для лиганда. Преобразование файлов .pdb в формат .pdbqt возможно с помощью программы AutoDock Tools^[9].

Файлы pdbqt содержат следующую информацию:

• Координаты атомов,
• Полярные водороды,
• Частичные заряды на атомах,
• Тип атомов, например, есть два разных типа для алифатического и ароматического углерода,
• Сведения о подвижных связях.

Если в белке необходимо учитывать подвижность некоторых аминокислот, то создается третий файл, содержащий информацию об атомах в подвижных частях белка.

Механизм работы

Докинг с использованием AutoDock 4 разбивается на 5 этапов:

• Скачивание/создание файла .pdb с координатами атомов для каждой молекулы.
• Преобразование файлов .pdb в формат .pdbqt, что возможно с использованием программы AutoDock Tools.
• Вычисление потенциала в узлах сетки программой AutoGrid.
• Запуск AutoDock для поиска оптимальных с точки зрения энергии расположений лиганда относительно белка.
• Визуализация и анализ результатов с помощью программы AutoDock Tools.

Докинг проводится в кубическую область внутри рецептора (docking box).

С помощью AutoGrid для рецептора создается набор бинарных файлов — сеток потенциалов. Они описывают для каждого атома, входящего в docking box, его потенциал взаимодействия с пробным атомом определённого химического элемента. Сколько нужно элементов определяется химическим составом лигандов, с которыми требуется провести докинг. На каждый вид химического элемента создается по 1-2 файла^[12].

AutoDock, используя эти файлы, проводит докинг. Лиганд, помимо совокупности атомов, связей и зарядов, внутри autodock описывается набором чисел — положением в docking box, поворотом всех активных торсионных углов. Autodock оптимальным образом перебирает все возможные комбинации этих чисел, чтобы в итоге найти самое оптимальное с точки зрения энергии взаимодействия с рецептором положение лиганда в docking box. Поэтому в качестве docking box обычно выбирают куб со стороной 10-30 ангстрем таким образом, чтобы он включал в себя активный центр рецептора.

Полный перебор всех возможных положений в активном центре и всех конформаций лиганда — очень время- и ресурсо-затратная задача. Для этого в Autodock применяются алгоритмы поиска глобального минимума: монте карло, имитации отжига, генетические алгоритмы: LGA.

Пример работы Autodock 4.2:

1. Генерируется популяция лигандов определённого размера (300 по умолчанию).
2. Для них рассчитывается энергия взаимодействия с рецептором.
3. Для каждого лиганда генерируется новое положение путем изменения некоторых параметров, описывающих его по определённому алгоритму (доступно несколько). Для него рассчитывается энергия, если она лучше прошлой — новые параметры лиганда сохраняются и он заменяет исходный.
4. Шаг 3 повторяется определённое большое количество раз (или пока изменения не перестанут происходить).
5. Вся последовательность шагов выполняется несколько раз (независимые запуски).
6. Результаты множественных запусков кластеризуются по положению в docking box с отсечкой по RMSD 1 ангстрем.
7. Для всех находок в кластере считается энергия взаимодействия с рецептором. Энергией кластера считается самая лучшая в этом кластере
8. Финальная энергия рассчитывается для лучших кластеров как разность между разностями энергий перехода из несвязанного положения в связанное рецептора с лигандом^[13].

Интерпретация результатов

В результате работы Autodock для одного лиганда получается dlg файл. В нём записан подробный отчет о работе программы. Он содержит в себе результаты каждого конкретного запуска с конечным положением лиганда (структура лиганда записана в формате pdbqt), определённой энергией затраченным на расчет временем:

	BEGINNING LAMARCKIAN GENETIC ALGORITHM DOCKING

Run:	198 / 200
Date:	Sun Apr 27 18:19:56 2008
Output level is set to 1.

Creating an initial population of 500 individuals.

Assigning a random translation and a random orientation to each of the 500 individuals.

Beginning Lamarckian Genetic Algorithm (LGA), with a maximum of 10000000
energy evaluations.

Generation: 100   Oldest's energy: -3.254    Lowest energy: -3.254    Num.evals.: 465685   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 200   Oldest's energy: -3.258    Lowest energy: -3.258    Num.evals.: 930783   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 300   Oldest's energy: -3.258    Lowest energy: -3.258    Num.evals.: 1395938   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.00s,  System= 0.00s
Generation: 400   Oldest's energy: -3.289    Lowest energy: -3.289    Num.evals.: 1841909   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 500   Oldest's energy: -3.307    Lowest energy: -3.307    Num.evals.: 2293760   Timing: Real= 0.00s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 600   Oldest's energy: -3.307    Lowest energy: -3.307    Num.evals.: 2751641   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 700   Oldest's energy: -3.308    Lowest energy: -3.308    Num.evals.: 3198004   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 800   Oldest's energy: 207607.188    Lowest energy: -3.313    Num.evals.: 3653584   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 900   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 4113757   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1000   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 4574886   Timing: Real= 0.00s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1100   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 5037904   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1200   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 5483971   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1300   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 5939687   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.00s,  System= 0.00s
Generation: 1400   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 6398825   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.00s,  System= 0.00s
Generation: 1500   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 6850116   Timing: Real= 0.00s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1600   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 7296265   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1700   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 7747442   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1800   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 8189692   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 1900   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 8646513   Timing: Real= 0.01s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 2000   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 9097712   Timing: Real= 0.02s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Generation: 2100   Oldest's energy: -3.314    Lowest energy: -3.314    Num.evals.: 9559184   Timing: Real= 0.00s,  CPU= 0.01s,  System= 0.00s
Final-Value: -3.315

Run completed;  time taken for this run:
Real= 1m 01.77s,  CPU= 1m 01.76s,  System= 0.00s

6:20 58" p.m., 04/27/2008
Total number of Energy Evaluations: 10003206
Total number of Generations:        2196

	FINAL LAMARCKIAN GENETIC ALGORITHM DOCKED STATE
	_______________________________________________

State:	7.500 9.610 -6.446  -0.058 0.619 0.784 157.287

DOCKED: MODEL      198
DOCKED: USER    Run = 198
DOCKED: USER    DPF = fucose.2OBS_v4.dpf
DOCKED: USER
DOCKED: USER    Estimated Free Energy of Binding    =   -3.31 kcal/mol  [=(1)+(2)+(3)-(4)]
DOCKED: USER    Estimated Inhibition Constant, Ki   =    3.72 mM (millimolar)  [Temperature = 298.15 K]
DOCKED: USER
DOCKED: USER    (1) Final Intermolecular Energy     =   -3.31 kcal/mol
DOCKED: USER        vdW + Hbond + desolv Energy     =   -3.32 kcal/mol
DOCKED: USER        Electrostatic Energy            =   +0.01 kcal/mol
DOCKED: USER    (2) Final Total Internal Energy     =   +0.00 kcal/mol
DOCKED: USER    (3) Torsional Free Energy           =   +0.00 kcal/mol
DOCKED: USER    (4) Unbound System's Energy         =   +0.00 kcal/mol
DOCKED: USER
DOCKED: USER
DOCKED: USER    NEWDPF move fucose.pdbqt
DOCKED: USER    NEWDPF about 16.516399 11.864500 -8.193000
DOCKED: USER    NEWDPF tran0 7.500210 9.609984 -6.445766
DOCKED: USER    NEWDPF quaternion0 -0.057288 0.606502 0.768178 0.196913
DOCKED: USER    NEWDPF axisangle0 -0.058432 0.618614 0.783519 157.286960
DOCKED: USER    NEWDPF quat0 -0.058432 0.618614 0.783519 157.286960 # deprecated
DOCKED: USER
DOCKED: REMARK  0 active torsions:
DOCKED: REMARK  status: ('A' for Active; 'I' for Inactive)
DOCKED: USER                              x       y       z     vdW  Elec       q    Type
DOCKED: USER                           _______ _______ _______ _____ _____    ______ ____
DOCKED: ROOT
DOCKED: ATOM      1  C1  FUC B   1       6.967   9.452  -7.966 -0.10 -0.00    +0.303 C
DOCKED: ATOM      2  C2  FUC B   1       6.884  10.670  -6.981 -0.18 -0.01    +0.244 C
DOCKED: ATOM      3  C3  FUC B   1       6.889  10.171  -5.507 -0.35 +0.01    +0.220 C
DOCKED: ATOM      4  C4  FUC B   1       8.190   9.395  -5.257 -0.28 +0.01    +0.212 C
DOCKED: ATOM      5  C5  FUC B   1       8.281   8.227  -6.264 -0.29 -0.00    +0.151 C
DOCKED: ATOM      6  C6  FUC B   1       9.594   7.454  -6.112 -0.37 -0.00    +0.035 C
DOCKED: ATOM      7  O1  FUC B   1       5.693   8.669  -7.961 -0.04 +0.01    -0.187 OA
DOCKED: ATOM      8  O2  FUC B   1       5.714  11.421  -7.235 -0.14 +0.04    -0.215 OA
DOCKED: ATOM      9  O3  FUC B   1       6.809  11.260  -4.595 -0.61 -0.04    -0.218 OA
DOCKED: ATOM     10  O4  FUC B   1       9.308  10.266  -5.403 -0.81 +0.00    -0.218 OA
DOCKED: ATOM     11  O5  FUC B   1       8.173   8.726  -7.623 -0.14 -0.00    -0.327 OA
DOCKED: ENDROOT
DOCKED: TORSDOF 0
DOCKED: TER
DOCKED: ENDMDL
________________________________________________________________________________

Результаты определённой энергии доступны в виде совокупности слагаемых скоринг функции, а также конечной энергии взаимодействия ΔG ккал/моль, а также константы ингибирования Ki.

DOCKED: USER    Estimated Free Energy of Binding    =  -11.16 kcal/mol  [=(1)+(2)+(3)-(4)]
DOCKED: USER    Estimated Inhibition Constant, Ki   =    6.64 nM (nanomolar)  [Temperature = 298.15 K]
DOCKED: USER
DOCKED: USER    (1) Final Intermolecular Energy     =  -15.00 kcal/mol
DOCKED: USER        vdW + Hbond + desolv Energy     =  -14.46 kcal/mol
DOCKED: USER        Electrostatic Energy            =   -0.53 kcal/mol
DOCKED: USER    (2) Final Total Internal Energy     =   -1.18 kcal/mol
DOCKED: USER    (3) Torsional Free Energy           =   +3.84 kcal/mol
DOCKED: USER    (4) Unbound System's Energy         =   -1.18 kcal/mol

После этого показан результат кластеризации, и далее отдельно вынесен результат для каждого кластера показана населенность (Num in cluster), лучшая энергия (Lowest binding energy), к какому конкретно запуску она относится (Run):

	CLUSTERING HISTOGRAM
	____________________

________________________________________________________________________________
     |           |     |           |     |                                    
Clus | Lowest    | Run | Mean      | Num | Histogram
-ter | Binding   |     | Binding   | in  |                                    
Rank | Energy    |     | Energy    | Clus|    5    10   15   20   25   30   35
_____|___________|_____|___________|_____|____:____|____:____|____:____|____:___
   1 |     -3.44 | 150 |     -3.44 |   2 |##
   2 |     -3.42 |  63 |     -3.41 |  42 |#x42
   3 |     -3.42 | 187 |     -3.40 |  83 |#x83
   4 |     -3.38 | 115 |     -3.36 |  33 |#x33
   5 |     -3.32 | 128 |     -3.31 |  37 |#x37
   6 |     -3.28 | 122 |     -3.27 |   3 |###
_____|___________|_____|___________|_____|______________________________________

Собственно результатами являются энергия ΔG и положение лиганда в активном центре рецептора.

Разница энергий лигандов в первом приближении показывает, насколько один лиганд лучше связывается рецептором, чем другой. Положение лиганда в активном центре позволяет предсказывать механизм связывания^[14].

Области применения

AutoDock находит применение в следующих областях:

— Рентгеноструктурный анализ,

— Дизайн лекарств,

— Виртуальный скрининг,

— Белок-белковый докинг,

— Исследования химических процессов.

Autodock широко применяется в научном сообществе как программа для молекулярного докинга, так и для виртуального скрининга больших библиотек соединений (например ZINC)^[15].

С его помощью нашли ингибиторы ВИЧ протеазы^[16].

Autodock (в основном Vina) широко применяется в большом числе автоматических систем виртуального скрининга^[17][18][19].

Сотрудничество с проектами

World Community Grid предлагает свою помощь в получении бесплатной вычислительной мощности для ускорения исследований, проводимых на основе AutoDock.

AutoDock запущен в работу на основе World Community Grid со следующими проектами:

— FightAIDS@Home от The Scripps Research Institute^[20],

— Discover Dengue Drugs — Together от The University of Texas Medical Branch^[21],

— Help Fight Childhood Cancer^[22],

— Influenza Antiviral Drug Search^[23],

— GO Fight Against Malaria^[24].

Альтернативные программы

ADAM, CIM, DARWIN, DIVALI, DOCK, DockVision, EUDOC, FlexX, FLOG, FTDOCK, GOLD, Hammerhead, LOGON, LUDI, MCDOCK, Produce, PRO LEADS, QXP, SZNDOCK, Soft Docking^[25]

Примечания

Ссылки

• Сайт разработчиков