Моделирование молекул

Заказчик

Научно-исследовательская компания Van Drie Research LLC предоставляет услуги по компьютерному моделированию новых лекарственных препаратов.

Задача

В методиках открытия лекарства в современной фармакологии важной составной частью является виртуальное сканирование. Это процесс отбора наиболее активных молекул против цели - данной молекулы протеина (которая является составной частью вируса). Отбор происходит из электронной химической базы данных существующих молекул-реагентов на основании присутствия у молекул определенных свойств. Одно из желаемых свойств – это запрет на покрытие молекулой определенной области пространства (так называемые пространственно-запрещенные регионы, sterically-forbiddenregions). Клиентом был предложен алгоритм построения некоей вспомогательной сущности, так называемой термоусадочной поверхности, для проверки наличия этого свойства.

Термоусадочная поверхность представляет собой аппроксимацию оболочки объединения молекулярных поверхностей Ван-Дер-Ваальса, которые выбираются из множеств поверхностей конформаций (конформация - пространственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации) нескольких молекул, исходя из критерия минимизации объема результирующей поверхности.

Требовалось создать вычислительный инструмент, который получает на входе данные о молекулах в виде специфических форматов файлов (mol, mol2, sdf, pdb), перерабатывать их, используя геометрический алгоритм построения, и генерировать на выходе файл с поверхностью в формате obj (набор 3D-координат вершин и граней). Также генерируется файл, содержащий некоторые числовые характеристики результатов (например, объемы взаимопроникновения молекул, которые отражают количественную меру разницы геометрического расположения молекул). Кроме того, были сделаны некоторые улучшения существующего пакета CDKPsearch для поиска молекул по базе, используя алгоритм Кабша.

разработка системы компьютерного моделирования
Рис 1. Аппроксимация молекулярной поверхности циклоспорина:
162 вершины, 642 вершины, 2562 вершины

Краткое описание алгоритмов

Для построения поверхностей Ван-Дер-Ваальса исходных молекул, а также требуемой термоусадочной поверхности, была использована икосаэдрическая сетка (которая более равномерна, чем классическая сферическая, и легко итерируется на более высокой уровень).

создание системы компьютерного моделирования
Рис 2. Примеры икосаэдрических сеток с последовательно возрастающим числом вершин
система компьютерного моделирования
Рис 3. Тетраэдр и усеченный тетраэдр

Аппроксимация молекулярной поверхности строится следующим образом:

1 Этап

Вычисляются точки атомов молекулы, лежащие в узлах сферических сеток (молекулярные точки).

2 Этап

Для каждой молекулярной точки находится ближайшая икосаэдрическая точка (если вычислять близость по углу между радиус-векторами) и соответственно ее сферический радиус приравнивается к максимуму между текущим значением и радиусом текущей молекулярной точки.

3 Этап

Происходит заполнение оставшихся «дырок» через аппроксимацию радиусов ближайших вычисленных направлений. При достаточно большом количестве молекулярных точек относительно размера икосаэдрической сетки (что достигается увеличением частоты сферических сеток атомов) мы получаем хорошее приближение исходной молекулярной поверхности.


Для дальнейших вычислений мы применяли процедуру вычисления объемов взаимопроникновения молекул, основанную на простом вычислении объема усеченного тетраэдра через определитель 3-го порядка и дальнейшем суммировании по всем таким тетраэдрам.

Технологии

Язык
Java
Библиотека научных вычислительных методов
JSci
Импорт/экспорт различных форматов данных, генерация 3D-структур
The Chemistry Development Kit
Подбор/поиск фармакофоров
CDKPsearch
Контрольная визуализация
Molsoft ICM-Browser
Мы найдем лучшее решение вашей задачи!

Совпадений: 0