2.3 Использование программы AutoDock для моделирования молекулярных процессов
Докинг – одна из самых главных и важных стадий процесса компьютерного моделирования лекарств. Основной задачей докинга является построение модели структуры комплекса молекулы лиганда (биологически активного вещества) и молекулы рецептора (биомишени). Обычно молекула рецептора представляет собой белковую макромолекулу, а молекула лиганда - малую молекулу. Реже встречаются примеры белок-белкового докинга [13].
Молекулярный докинг предсказывает структуру межмолекулярного комплекса, сформированного между двумя или больше молекулами. При докинге необходимо учитывать конформационную подвижность как молекулы рецептора так и лиганда.
Молекулярный докинг рассматривается как размещение низкомолекулярного вещества в активный сайт белка и предсказание энергетически выгодного расположения. Когда активный сайт белка не известен, поиск сайт соединения и конформации лиганда называют "слепым докингом". Исследование при слепом докинге также ценны для поиска белок-белковых взаимодействий, когда обе макромолекулы, как предполагается, дополняют друг друга формой и межмолекулярными взаимодействиями. В слепом докинге предполагается, что энергетически выгодная конформация с учетом комплементарности является искомой структурой. Для решения данных задач применяется одна из наиболее эффективных программ – AutoDock [14] .
Программа AutoDock позволяет проводить молекулярный докинг с целью поиска локального минимума энергии взаимодействия между лигандом и белком, а также проводить поиск глобального минимума энергии взаимодействия между лигандом и белком, если положение лиганд связывающего центра не определено эксперементально. В частности, программа применяется для разработки лекарств, специфически связывающихся с тем или иным белком, при виртуальном высокопроизводительном скрининге, при белок-белковом докинге, а так же для изучения химических механизмов взаимодействия, для определения геометрии лиганд-рецепторных комплексов рецепторов на основе использования экспериментальных или расчетных данных о строении лиганд-связывающего центра. При расчете энергии связывания учитываются ван-дер-ваальсовы и электростатические взаимодействия, водородные связи, а также вклад энергии десольватации. Эффективность докинга в программе AutoDock повышается путем построения карт электростатических потенциалов, силового поля AMBER. Результаты, полученные с помощью программы Autodock, позволяют анализировать минимальную энергию связывания лиганда с макромолекулой, вероятность нахождения лиганда в активном центре белка в положении, отвечающем наименьшей энергии связывания, и среднеквадратичное отклонение найденного положения лиганда от данных рентгеноструктурного анализа [13,14].
AutoDock состоит из двух главных программ: AutoDock выполняющий докинг лигандов в сайт связывания мишений белка в решетке; AutoGrid предварительно вычисляет размер этой решетки. В дополнение к использованию существует GRID - распределение визуализированных моментов между этими двумя частями. Это может быть полезным, например, при дизайне синтетических органических соеденений, когда запросы программы очень массивные и идет большая нагрузка на процессор компьютера.
Также разработан графический пользовательский интерфейс, который называется AutoDockTools или сокращенно ADT, который позволяет визуализировать вращение лиганда, просматривать места взаимодействия лиганда и молекулеы управлять докингом.
Программа AutoDock применяется в:
1. Рентгеновской кристаллографии;
2. Дизайне структуры кандидатов на роль лекарств
3. Проведении оптимизации;
4. Виртуальном скрининге (HTS);
5. Дизайне комбинаторных библиотек;
6. Белок-белковых взаимодействий;
7. Механизмах химических исследований [13,14].
Современную науку трудно себе представить без информационных технологий. В данной работе были рассмотрены методы использования ИТ в молекулярной биологии. Постановка многих экспериментов в молекулярной биологии была бы крайне затруднительна без использования компьютерных устройств и программного обеспечения. Такие программы как Vector NTI, SQ позволяют изучать, визуализировать, манипулировать и конструировать биологические молекулы, разрабатывать стратегии клонирования молекул, тем самым в большой степени повышая продуктивность работы молекулярного биолога. Также при помощи целого ряда программ, таких RasWin, Modeller, AutoDock возможно не только 3D моделирование макромолекул, но процессов, идущих на молекулярном уровне.
1. Николайчик Е. А., Валентович Л. Н.. SQ –компьютерная программа для редактирования и анализа биологических последовательностей // Труды Белорусск. гос. ун-та. Сер.: Физиологические, биохимические и молекулярные основы функционирования биосистем. 010. –Т.5. –Ч.1. –с.57-67.
2. Rice, P., Longden, I., & Bleasby, A. EMBOSS: the European Molecular Biology Open Software Suite // Trends in Genetics: TIG – 2000. – Vol. 16. – P. 276-277.
3. Sequence Manipulation Suite [Electronic resource] / University of Alberta. – Canada, 2004. – Mode of access: http://sherb.lin.irk.ru/sms2/index.html. – Date of access: 10.12.2010.
4. Хмелько, И. Приложения в составе Vector NTI Suite / Практическая молекулярная биология [Электронный ресурс].– 2007. – Режим доступа: http://molbiol.ru/protocol/09_09a.html. – Дата доступа: 10.12.2010.
5. Хмелько, И. Конструирование молекул / Практическая молекулярная биология [Электронный ресурс].– 2007. – Режим доступа: http://molbiol.edu.ru/review/03_02c.html. – Дата доступа: 15.12.2010.
6. Genetic Sequence Data Bank NCBI-GenBank Flat File Release 180.0 [Electronic resource] / National Center for Biotechnology Information – USA, 2010. – Mode of access: ftp://ftp.ncbi.nih.gov/genbank/gbrel.txt.– Date of access: 12.12.2010.
7. Elzanowski, A., Ostell, J. The Genetic Codes // National Center for Biotechnology Information [Electronic resource] – 2010. – Mode of access: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Taxonomy/Utils/wprintgc.cgi?mode=c. – Date of access: 12.12.2010.
8. Roberts, R. J., Vincze, T., Posfai, J., & Macelis, D. REBASE-a database for DNA restriction and modification: enzymes, genes and genomes // Nucleic Acids Research – 2010. – Vol. 38. – P. D234-236.
9. SQ: редактор биологических последовательностей для молекулярных биологов // Биологический факультет Белорусск. гос. ун-та [Электронный ресурс].– 2003. – Режим доступа: http://www.bio.bsu.by/sq/about.html. – Дата доступа: 10.12.2010.
10. A Resource for Studying Biological Macromolecules // Protein Data Bank [Electronic resource] – 2008. – Mode of access: http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do. – Date of access: 19.12.2010.
11. Программа Modeller - что это и для чего? // Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].– 2009. – Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/modeller/programma-modeller-chto-eto-i-dlya-chego.html. – Дата доступа: 19.12.2010.
12. Mollder [Electronic resource] / Departments of Biopharmaceutical Sciences and Pharmaceutical Chemistry, California Institute for Quantitative Biomedical Research, 2010. – Mode of access: http://salilab.org/modeller/download_installation.html. – Date of access: 19.12.2010.
13. Энгелевский Н. Докинг: определение, виды, методы, проблемы и решения. Программы для докинга / Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].– 2009. – Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/drugie-programmyi/doking-opredelenie-vidyi-metodyi-problemyi-i-resheniya.-programmyi-dlya-dokinga.html. – Дата доступа: 19.12.2010.
14. Мартынюк А. Молекулярный докинг: понятие, применение, программы для докинга / Биоинформатика и познания [Электронный ресурс].– 2009. – Режим доступа: http://www.bioinformatix.ru/drugie-programmyi/molekulyarnyiy-doking-ponyatie-sut-programmyi-dlya-dokinga.html. – Дата доступа: 19.12.2010.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ К РЕФЕРАТУ
A
AutoDock, 14, 15, 16
G
GenBank, 8, 9, 11
M
Modeller, 13, 14, 16
R
RasWin, 12, 13, 16
S
SQ, 10, 11, 16
V
Vector NTI, 7, 8, 9, 10, 16
Б
база данных, 7, 8, 11, 12, 13, 14
белок, 4, 5, 6, 8, 13, 14, 15, 16
Д
ДНК, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 13
докинг, 14, 15
К
клонирование, 7, 10, 11, 16,
М
молекулярная биология, 4, 7, 10, 16,
П
праймер, 5, 7, 11
ПЦР, 5, 10, 11
Р
рестрикционный анализ, 5, 11,
Ф
фермент, 6, 7, 11,
ИНТЕРНЕТ РЕСУРСЫ В ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ
http://www.molbiol.edu.ru/
Практическая молекулярная биология. Сайт является незаменимым для биохимиков, генетиков, микробиологов и молекулярных биологов. Это крупнейшая биологическая база данных. Сайт содержит подробный справочник, который состоит из наиболее важных разделов. Здесь можно найти руководства и рекомендации по выполнению тех или иных операций, подробное описание методов исследования (работа с бактериями, бактериофагами, эукариотическими организмами, дигибридные системы, методы выделения и анализа ДНК про- и эукариотических организмов, работа с белками), методики и расчеты для приготовления растворов, подбор необходимых для исследования ферментов и реактивов. Можно следить за свежими публикациями. Имеются обзоры различных биологических ресурсов и программ, а также ссылки на биологические журналы и гранты биологического профиля. Внимание уделяется также образованию и образовательным ресурсам. Имеются сведения о компаниях и русскоязычных институтах биологического профиля, а также ссылки на полезные web-ресурсы. Также пользователи могут разместить на сайте используемые ими протоколы экспериментов, обзоры и дополнения к уже опубликованным материалам.
http://www.cellbiol.ru/
Информационный сайт-справочник по биологии и медицине. Он включает в себя образовательные материалы, которые могут быть полезны как школьникам, так и студентам биологических факультетов. Помимо образовательной информации, на сайте публикуются биографии известных ученых в области биологии, генетики, физиологии, медицины и многих других.
http://www.molbiol.ru/
Информационный проект, поддерживаемый русскоязычным биологическим сообществом. Здесь можно найти руководства и рекомендации по выполнению тех или иных операций, подробное описание методов исследования (работа с бактериями, бактериофагами, эукариотическими организмами, дигибридные системы, методы выделения и анализа ДНК про- и эукариотических организмов, работа с белками), методики и расчеты для приготовления растворов, подбор необходимых для исследования ферментов и реактивов. Можно следить за свежими публикациями. Имеются обзоры различных биологических ресурсов и программ, а также ссылки на биологические журналы и гранты биологического профиля. На этом сайте есть форум для его пользователей, в котором можно получить ответы на многие интересующие вопросы, касающиеся материалов представленных на данном сайте.