AutoDock

AutoDock
Tip de Modelare moleculară
Dezvoltator Institutul de Cercetare
Scris in C / C++
Sistem de operare Windows , macOS , Linux , Solaris
ultima versiune 4.2.6 (04.08.2012)
Stat activ
Licență GPL2+ (AutoDock 4) / ASL 2.0 (AutoDock Vina)
Site-ul web autodock.scriptps.edu

AutoDock  este un pachet software conceput pentru andocare moleculară automată . Este folosit în principal pentru andocarea proteinelor-ligand , inclusiv luând în considerare reziduurile de proteine ​​mobile . Autodock este, de asemenea, utilizat pentru „blind andocare” atunci când locul activ al proteinei nu este cunoscut.

Despre program

AutoDock este unul dintre pachetele software care poate prezice legarea moleculelor mici de proteine ​​cu structură cunoscută. Adevăratele distribuții AutoDock includ două generații de software: AutoDock 4 și AutoDock Vina. AutoDock este un software gratuit, cea mai recentă versiune a căruia 4 este distribuită sub Licența Publică Generală GNU, AutoDock Vina este disponibil sub licența Apache [1] [2] .

Începând de la prima versiune, Autodock este o combinație de 2 programe: Autodock - programul de andocare real și Autogrid - un program care vă permite să calculați grile potențiale . Pentru fiecare receptor (un receptor de andocare este o macromoleculă pentru care sunt calculate grile), este suficient să calculați grile potențiale pentru fiecare tip de atomi o dată, ceea ce vă permite să efectuați calcule pentru orice ligand format din acești atomi (un ligand în andocare este o moleculă mică pentru care este posibilă o modificare).poziţii şi conformaţii) [1] .

AutoDock a fost cel mai citat instrument de andocare în 2006 [3] .

AutoDock este întreținut și dezvoltat de Institutul de Cercetare Scripps și Laboratorul Olson [1] .

Mecanism de lucru

Andocarea se realizează într-o zonă cubică din interiorul receptorului (docking box). Folosind AutoGrid, un set de fișiere binare este creat pentru receptor - grile potențiale. Ei descriu pentru fiecare atom inclus în cutia de andocare, potențialul interacțiunii acestuia cu atomul de testat al unui anumit element chimic. Setul acestor elemente este determinat de compoziția chimică a liganzilor cu care este necesară andocarea. Pentru fiecare element chimic sunt create 1-2 fișiere. Pentru a calcula potențialul, se folosește o funcție de notare, fie bazată pe legi fizice, fie empirice, fie mixtă. Funcțiile de notare în diferite versiuni ale programului pot diferi. Rețelele potențiale sunt utilizate pentru a calcula energia liberă [4] .

Ligandul, pe lângă totalitatea atomilor, legăturilor și sarcinilor, este descris în interiorul programului printr-un set de numere - poziția în cutia de andocare, rotația tuturor unghiurilor de torsiune active. Autodock parcurge toate combinațiile posibile ale acestor numere pentru a găsi în sfârșit poziția optimă a ligandului în cutia de andocare în ceea ce privește energia liberă. Prin urmare, un cub cu o latură de 10-30 angstromi este de obicei ales ca o cutie de andocare, astfel încât să includă centrul activ al receptorului [4] .

O enumerare completă a tuturor pozițiilor posibile în situsul activ și a tuturor conformațiilor ligandului este o sarcină care necesită mult timp și resurse. Pentru optimizarea procesului, Autodock folosește algoritmi de căutare minime globale: Monte Carlo , recoacere simulată , algoritmi genetici : LGA (Lamarckian Genetic Algorithm) [4] .

Un exemplu de Autodock 4.2 bazat pe LGA [5] :

  1. Este generată o populație de liganzi (dimensiunea populației este stabilită de utilizator). Fiecare ligand este localizat aleatoriu în cutia de andocare, are o conformație aleatorie și este descris printr-un set de numere de translație , orientare și conformaționale.
  2. Pentru fiecare element al populației se calculează energia liberă . Include energia interacțiunii intermoleculare a receptorului cu ligand și energia intramoleculară a ligandului.
  3. stadiul de reproducere. Pentru fiecare element, numărul descendenților se calculează prin formula: , unde este numărul descendenților, este energia liberă a elementului, este energia celui mai prost element (maxim), este energia medie. După aceea, fiecare element mai bun decât media primește un număr proporțional de descendenți, care se adaugă la populație.
  4. Etapa de încrucișare : două elemente ale unei populații sunt selectate aleatoriu și numerele lor caracteristice se recombină , adică elementele schimbă unele dintre numere. Procentul de perechi de recombinare este stabilit de utilizator.
  5. Etapa de mutație : la numerele caracteristice ale elementului se adaugă un număr aleatoriu, corespunzătoare distribuției Cauchy . Parametrii de distribuție și procentul de mutații sunt stabiliți de utilizator.
  6. Stadiul de extincție: cele mai rele elemente ale populației sunt îndepărtate. Numărul de supraviețuitori este stabilit și de utilizator.
  7. Etapa de optimizare. Fiecare element al populației este optimizat folosind algoritmi de căutare locale , cum ar fi recoacere simulată la temperaturi scăzute, ceea ce permite reducerea la minimum a energiei libere în limite mici. Această etapă distinge LGA de algoritmii genetici clasici.
  8. Pașii 2-7 se repetă de un anumit număr mare de ori (până când cea mai bună energie liberă încetează să se schimbe sau când se atinge o limită de timp sau de număr de iterații).
  9. Întreaga secvență anterioară de pași este efectuată de mai multe ori (execuții independente).
  10. Rezultatele lansărilor multiple sunt grupate în funcție de poziție în cutia de andocare cu o limită de RMSD 1 angstrom.
  11. Pentru toate constatările din cluster, se calculează energia de interacțiune cu receptorul. Energia clusterului este considerată a fi cea mai bună din acest cluster.
  12. Energia finală este calculată pentru cele mai bune clustere ca diferența dintre diferențele de energii ale tranziției receptorului cu ligand de la o poziție nelegată la una legată [6] .

Istoricul versiunilor

Autodock 1

Creat în 1990. Prima versiune se bazează pe câmpul de forță Amber . Funcția de scoring este suma potențialului Lennard-Jones , potențialul electrostatic și funcțiile empirice ale energiei legăturilor covalente , unghiurilor plane și de torsiune [7] .

Algoritmii Monte Carlo și simulările de recoacere sunt disponibili în implementare [8] .

Autodock 2.4

Există multe îmbunătățiri, programe însoțitoare pentru lansări paralele. Un nou algoritm de îmbunătățire a căutării, în cazul liganzilor cu mai multe grade de libertate, se bazează pe principiul divide and cuquer . Algoritm de optimizare local îmbunătățit [9] .

Autodock 3

Algoritmul genetic combinat LGA [10] a fost utilizat pentru prima dată pentru a optimiza căutarea . O nouă funcție de scoring semi-empiric, calibrată pe 30 de complexe proteină-ligand, ia în considerare legăturile de hidrogen direcționate și energia de solvație [5] .

Autodock 4, 4.2

S-a adăugat luarea în considerare a posibilei mobilități a lanțurilor laterale. Acest lucru se realizează prin împărțirea proteinei în două fișiere. O parte este considerată statică, cealaltă este mobilă. Ei lucrează cu partea statică folosind calculul de energie AutoGrid și lucrează cu partea în mișcare folosind aceleași metode ca și cu ligand. Au fost create noi tipuri de atomi, cum ar fi halogenii și ionii metalici de bază. Funcție de scor îmbunătățită. Calibrare pe 250 de structuri de la PDBBind . A apărut AutoDockTools - software special pentru pregătirea fișierelor pentru andocare [6] .

Autodock 4.2.5

A fost adăugată o opțiune mai transparentă de control a ieșirii programului, permițându-vă să realizați o ieșire mică pentru screening și să afișați un raport pentru o analiză mai profundă. Unele erori de rulare care au provocat un avertisment în versiunile anterioare opresc acum programul. Acest lucru este ca răspuns la nevoile de screening în care utilizatorul nu poate observa avertismentele care apar. Contabilitatea interacțiunilor electrostatice dintre atomii nelegați dintr-un ligand este acum activată implicit. De asemenea, este posibilă activarea/dezactivarea utilizând comanda intelec on/off [4] .

Autodock Vina

AutoDock Vina este o nouă generație de software dezvoltată de Molecular Graphics Lab. Arată o îmbunătățire semnificativă a valorilor de acuratețe medie în predicția site-urilor de legare, precum și o creștere de două ori vizibilă a vitezei în comparație cu AutoDock 4.1. O funcție de scoring fundamental nouă bazată pe algoritmul X-Score [11] , care a fost dezvoltată ținând cont de dezvoltarea sistemelor multiprocesor. Datorită diferențelor de erori și a funcțiilor de scoring folosite în AutoDock 4 și AutoDock Vina, programele pot afișa rezultate diferite pe aceleași date [12] .

AutoDockTools

Există o interfață grafică AutoDockTools (ADT) asociată cu Autodock, care ajută la analizarea andocării și la selectarea legăturilor din ligand care va fi considerat mobil. Unele dintre funcțiile ADT [1] sunt menționate mai jos :

Fișiere de intrare

Fișierele cu extensia .pdb sunt formatul principal pentru stocarea informațiilor despre conformația și structura moleculelor. Astfel de fișiere sunt obținute din date experimentale obținute prin cristalografie cu raze X sau spectroscopie RMN sau prin metode de predicție a structurii moleculelor. Începând cu AutoDock 4, procedura de andocare necesită două fișiere .pdbqt; unul pentru receptor, celălalt pentru ligand. Dacă este necesar să se țină cont de mobilitatea unor aminoacizi dintr-o proteină, atunci se creează un al treilea fișier care conține informații despre atomii din părțile mobile ale proteinei. Conversia fișierelor .pdb în format .pdbqt este posibilă folosind AutoDock Tools [4] .

Fișierele pdbqt conțin următoarele informații [4] :

Interpretarea rezultatelor

Ca rezultat al lucrării Autodock pentru un ligand, se obține un fișier dlg. Conține un raport detaliat despre funcționarea programului. Conține rezultatele fiecărei curse specifice cu poziția finală a ligandului (structura ligandului este scrisă în format pdbqt), energia calculată, timpul petrecut la calcul [4] .

Rezultatul grupării este, de asemenea, disponibil: pentru fiecare cluster, sunt afișate populația (Număr în cluster), cea mai bună energie (Cele mai scăzută energie de legare), cărei curse specifice îi aparține (Run) [4] :

HISTOGRAMA DE CLUSTERING ____________________ ________________________________________________________________________________ | | | | | Clus | lowwest | alerga | înseamnă | Num | Histogramă -ter | Legare | | Legare | în | Rang | energie | | energie | 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 |### _____|___________|_____|___________|_____|______________________________________

Rezultatele reale sunt energia ΔG și poziția ligandului în locul activ al receptorului. Diferența de energie a liganzilor din prima aproximare arată cât de mai bine se leagă un ligand de receptor decât celălalt. Poziția ligandului în situsul activ face posibilă prezicerea mecanismului de legare [13] .

Aplicații

AutoDock găsește aplicații în următoarele domenii [1] :

Autodock este utilizat pe scară largă în comunitatea științifică atât pentru andocare moleculară, cât și pentru screening-ul virtual al bibliotecilor mari de compuși (de exemplu ZINC) [14] .

Docking-ul este, de asemenea, folosit pentru a căuta blocanți enzimatici ai organismelor patogene, în special topoizomeraza I bacilului tuberculos [15] .

Proteina tirozin fosfataza B a Mycobacterium tuberculosis (Mtb) (MptpB) este un factor de virulență important pentru bacterie care promovează supraviețuirea bacteriilor în macrofage . Lipsa unui ortolog uman face ca MptpB o țintă atractivă pentru noi terapii împotriva tuberculozei. Inhibitorii MptpB pot fi un instrument eficient pentru a depăși rezistența emergentă la medicamentele TB. Folosind o strategie de screening virtuală bazată pe structură, autorii au identificat cu succes un inhibitor de medicament al MptpB bazat pe tiobarbituric [16] .

Folosind Autodock, au fost găsiți inhibitori de protează HIV [17] . În special, inhibitorii peptidazei aspartice HIV (HIV IP) sunt candidați buni pentru reutilizarea medicamentelor.

În plus, andocarea este utilizată pentru a căuta liganzi care interacționează cu factorii de transcripție . De exemplu, HNF-1a este un factor de transcripție care reglează metabolismul glucozei prin exprimarea în diferite țesuturi. Țintele potențiale au fost găsite folosind andocare in silico [18] .

Docking-ul a fost folosit pentru a modela interacțiunile a doi regulatori transcripționali, ExuR și UxuR, cu substraturi și intermediari de glicoliză, căile Ashwell și Entner-Doudoroff . Pentru UxuR, au fost găsite două situsuri preferate de legare a ligandului, unul situat în domeniul C-terminal și celălalt ocupând spațiul interdomeniu. Pentru ExuR, un singur site preferat a fost găsit în regiunea interdomeniu [19] .

Autodock (în principal Vina) este utilizat pe scară largă într-un număr mare de sisteme de screening virtuale automate [20] [21] [22] .

Colaborări la proiecte

World Community Grid vă oferă să vă ajute să obțineți putere de calcul gratuită pentru a accelera cercetarea bazată pe AutoDock [1] .

AutoDock a fost lansat pe baza World Community Grid cu următoarele proiecte:

Programe alternative

În 2016, au fost evaluate diverse programe pe un eșantion de complexe proteină-ligand din 2002. S-a estimat frecvența coincidențelor în pozițiile găsite cu ajutorul andocării. Cazurile în care RMSD între pozițiile găsite și native ale ligandului nu a depășit 2 Å [28] [29] au fost considerate a fi coincidențe .

Dintre programele academice alternative se disting LeDock, rDock, UCSF Dock, în timp ce primul program a arătat cel mai bun rezultat (57,4% acord) [29] .

Programele alternative comerciale au avut rezultate mai bune (59,8% pentru GOLD) decât cele academice. La studiu au participat și programele Surflex, FlexX, Glide, LigandFit, MOE-Dock, ICM_pro, MCDock, FRED. [28] .

Rezultatele evaluării programului [28]
Program Coincidență Program Coincidență
AUR 59,8% Autodock Vina 49,0%
Glisare (XP) 57,8% AutoDock ( PSO ) 47,3%
LeDock 57,4% LigandFit 46,1%
Alunecare (SP) 53,8% Moe Dock 45,6%
Surflex Dock 53,2% UCSD DOCK 44,0%
rDock 50,3% AutoDock (LGA) 37,4%

Note

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Garrett M. Morris. AutoDock  (engleză) . autodock.scriptps.edu. Preluat la 4 aprilie 2017. Arhivat din original la 13 ianuarie 2020.
  2. AutoDock Vina - program de andocare moleculară și screening virtual . http://vina.scripps.edu.+ Consultat la 3 mai 2019. Arhivat din original la 8 ianuarie 2020.
  3. Sousa Sérgio Filipe , Fernandes Pedro Alexandrino , Ramos Maria João. Andocare proteine-ligand: starea actuală și provocări viitoare  //  Proteine: structură, funcție și bioinformatică. - 2006. - 21 iulie ( vol. 65 , nr. 1 ). - P. 15-26 . — ISSN 0887-3585 . - doi : 10.1002/prot.21082 .
  4. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Garrett M. Morris, David S. Goodsell, Michael E. Pique, William „Lindy” Lindstrom, Ruth Huey, Stefano Forli, William E. Hart, Scott Halliday, Rik Belew și Arthur J. Olson. Ghidul utilizatorului AutoDock4.2 . Preluat la 4 aprilie 2017. Arhivat din original la 18 mai 2017.
  5. 1 2 doi : 10.1002/(SICI)1096-987X(19981115)19:14<1639::AID-JCC10>
    3.0.CO ; 2 - B
  6. ↑ 1 2 Morris Garrett M. , Huey Ruth , Lindstrom William , Sanner Michel F. , Belew Richard K. , Goodsell David S. , Olson Arthur J. AutoDock4 și AutoDockTools4: Automated docking with selective receptor flexibility  //  Journal of Computational Chemistry. - 2009. - Decembrie ( vol. 30 , nr. 16 ). - P. 2785-2791 . — ISSN 0192-8651 . - doi : 10.1002/jcc.21256 .
  7. Goodford PJ O procedură de calcul pentru determinarea locurilor de legare favorabile energetic pe macromoleculele importante din punct de vedere biologic.  (Engleză)  // Journal Of Medicinal Chemistry. - 1985. - iulie ( vol. 28 , nr. 7 ). - P. 849-857 . — PMID 3892003 .
  8. Goodsell David S. , Olson Arthur J. Automated docking of substrates to proteins by simulated annealing  //  Proteine: Structure, Function, and Genetics. - 1990. - Vol. 8 , nr. 3 . - P. 195-202 . — ISSN 0887-3585 . - doi : 10.1002/prot.340080302 .
  9. Morris Garrett M. , Goodsell David S. , Huey Ruth , Olson Arthur J. Distributed automated docking of flexibil ligands to proteins: Parallel applications of AutoDock 2.4  //  Journal of Computer-Aided Molecular Design. - 1996. - august ( vol. 10 , nr. 4 ). - P. 293-304 . — ISSN 0920-654X . - doi : 10.1007/BF00124499 .
  10. Fuhrmann Jan , Rurainski Alexander , Lenhof Hans-Peter , Neumann Dirk. Un nou algoritm genetic Lamarckian pentru andocarea flexibilă a ligand-receptorului  //  Journal of Computational Chemistry. - 2010. - P. NA-NA . — ISSN 0192-8651 . - doi : 10.1002/jcc.21478 .
  11. ^ Wang R. , Lai L. , Wang S. Dezvoltarea ulterioară și validarea funcțiilor de scor empiric pentru predicția afinității de legare bazată pe structură.  (Engleză)  // Journal Of Computer-aided Molecular Design. - 2002. - ianuarie ( vol. 16 , nr. 1 ). - P. 11-26 . — PMID 12197663 .
  12. Trott Oleg , Olson Arthur J. AutoDock Vina: Îmbunătățirea vitezei și acurateței andocării cu o nouă funcție de punctare, optimizare eficientă și multithreading  //  Journal of Computational Chemistry. - 2009. - P. NA-NA . — ISSN 0192-8651 . - doi : 10.1002/jcc.21334 .
  13. Ma Xiaoli , Yan Jin , Xu Kailin , Guo Luiqi , Li Hui. Mecanismul de legare a trans-N-cafeoiltiraminei și albuminei serice umane: investigație prin multi-spectroscopie și simulare de andocare  //  Bioorganic Chemistry. - 2016. - Iunie ( vol. 66 ). - P. 102-110 . — ISSN 0045-2068 . - doi : 10.1016/j.bioorg.2016.04.002 .
  14. Anand R. Identificarea potențialelor medicamente antituberculoase prin andocare și screening virtual.  (Engleză)  // Științe interdisciplinare, Științe computaționale ale vieții. - 2018. - iunie ( vol. 10 , nr. 2 ). - P. 419-429 . - doi : 10.1007/s12539-016-0175-6 . — PMID 27147082 .
  15. Sandhaus Shayna , Chapagain Prem P. , Tse-Dinh Yuk-Ching. Descoperirea de noi inhibitori bacterieni ai topoizomerazei I prin utilizarea andocării in silico și a testelor in vitro  //  Rapoarte științifice. - 2018. - 23 ianuarie ( vol. 8 , nr. 1 ). — ISSN 2045-2322 . - doi : 10.1038/s41598-018-19944-4 .
  16. ^ Zhang D. , Lin Y. , Chen X. , Zhao W. , Chen D. , Gao M. , Wang Q. , Wang B. , Huang H. , Lu Y. , Lu Y. Bazat pe andocare și farmacofor screening virtual pentru identificarea noului inhibitor al proteinei tirozin fosfatazei B (MptpB) Mycobacterium tuberculosis cu o schelă de tiobarbituric.  (engleză)  // Chimie bioorganică. - 2019. - Aprilie ( vol. 85 ). - P. 229-239 . - doi : 10.1016/j.bioorg.2018.12.038 . — PMID 30641319 .
  17. Schames Julie R. , Henchman Richard H. , Siegel Jay S. , Sotriffer Christoph A. , Ni Haihong , McCammon J. Andrew. Descoperirea unei noi șanțuri de legare în integraza HIV  //  Journal of Medicinal Chemistry. - 2004. - Aprilie ( vol. 47 , nr. 8 ). - P. 1879-1881 . — ISSN 0022-2623 . - doi : 10.1021/jm0341913 .
  18. Sridhar Gumpeny Ramachandra , Nageswara Rao Padmanabhuni Venkata , Kaladhar Dowluru SVGK , Devi Tatavarthi Uma , Kumar Sali Veeresh. În SilicoDocking of HNF-1a Receptor Ligands  (engleză)  // Advances in Bioinformatics. - 2012. - Vol. 2012 . - P. 1-5 . — ISSN 1687-8027 . - doi : 10.1155/2012/705435 .
  19. Tutukina Maria N. , Potapova Anna V. , Vlasov Peter K. , Purtov Yuri A. , Ozoline Olga N. Structural modeling of the ExuR and UxuR transcription factors ofE. coli: căutarea liganzilor care le afectează proprietățile de reglare  //  Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. - 2016. - 6 ianuarie ( vol. 34 , nr. 10 ). - P. 2296-2304 . — ISSN 0739-1102 . - doi : 10.1080/07391102.2015.1115779 .
  20. Wójcikowski Maciej , Zielenkiewicz Piotr , Siedlecki Pawel. Open Drug Discovery Toolkit (ODDT): un nou jucător open-source în domeniul descoperirii de medicamente  //  Journal of Cheminformatics. - 2015. - 22 iunie ( vol. 7 , nr. 1 ). — ISSN 1758-2946 . - doi : 10.1186/s13321-015-0078-2 .
  21. AutoDock | Ratonul2 . autodock.scriptps.edu. Preluat la 15 mai 2016. Arhivat din original la 1 iunie 2016.
  22. Sharma V. , Pattanaik KK , Jayprakash V. , Basu A. , Mishra N. Un script utilitar pentru automatizarea și integrarea AutoDock și a altor programe asociate pentru screening virtual.  (engleză)  // Bioinformații. - 2009. - 6 septembrie ( vol. 4 , nr. 2 ). - P. 84-86 . — PMID 20198176 .
  23. FightAIDS@Home . www.worldcommunitygrid.org. Preluat la 31 martie 2017. Arhivat din original la 10 mai 2017.
  24. Descoperirea medicamentelor împotriva denguei - Împreună . www.worldcommunitygrid.org. Preluat la 31 martie 2017. Arhivat din original la 29 martie 2016.
  25. Ajută la lupta împotriva cancerului în copilărie . www.worldcommunitygrid.org. Preluat la 31 martie 2017. Arhivat din original la 21 aprilie 2017.
  26. Căutare de medicamente antivirale pentru gripă . www.worldcommunitygrid.org. Preluat la 31 martie 2017. Arhivat din original la 1 aprilie 2017.
  27. Rarey. O metodă de andocare rapidă și flexibilă care utilizează un algoritm de construcție incremental . Consultat la 19 aprilie 2019. Arhivat din original pe 24 aprilie 2019.
  28. ↑ 1 2 3 Wang Zhe , Sun Huiyong , Yao Xiaojun , Li Dan , Xu Lei , Li Youyong , Tian Sheng , Hou Tingjun. Evaluare cuprinzătoare a zece programe de andocare pe un set divers de complexe proteină-ligand: precizia predicției a puterii de eșantionare și a puterii de punctare  //  Chimie fizică Fizică chimică. - 2016. - Vol. 18 , nr. 18 . - P. 12964-12975 . — ISSN 1463-9076 . doi : 10.1039 / c6cp01555g .
  29. ↑ 1 2 Pagadala Nataraj S. , Syed Khajamohiddin , Tuszynski Jack. Software pentru andocare moleculară: o revizuire  //  Recenzii biofizice. - 2017. - 16 ianuarie ( vol. 9 , nr. 2 ). - P. 91-102 . — ISSN 1867-2450 . - doi : 10.1007/s12551-016-0247-1 .

Link -uri