Protein-Protein-Docking

Maschinelles Lernen und Cloud-Computing sind derzeit einige der heißesten Themen der Computerwissenschaft, aber eines der wichtigsten Themen im Bereich des Computational Drug Design ist etwas, von dem Sie noch nicht einmal etwas gehört haben! Protein-Protein-Docking - oft einfach als Docking bezeichnet - ist ein komplexer Satz von Techniken, mit denen bestimmt wird, wie sich Proteine ​​miteinander verbinden. Es ist oft ein Rätsel, wie zwei Proteine ​​in einer Lösung interagieren. Die astronomische Menge an Arbeit zur Lösung dieses Rätsels umfasst viele wissenschaftliche Artikel und jahrelange Forschung. Daher konzentrieren wir uns heute auf die Grundlagen.

"Eine rechnerische Methode zur Bestimmung der Bindungsaffinität zweier Proteine"

Andocken in Lösung

In der realen Welt ist das Anlegen von Protein-Protein-Proteinen einfach: Legen Sie die beiden Proteine ​​in einem ELISA-Test in Lösung zusammen und messen Sie, wie gut sie binden. Diese Daten sind so ziemlich ein definitiver Hinweis auf die Bindung. ELISA hat leider einige Mängel. Erstens zeigen Ihnen ELISA-Tests nicht, wo die beiden Proteine ​​zusammenkommen, nur wenn sie binden oder nicht. Dies ist ein Problem für die Arzneimittelentwicklung, bei dem es besonders wichtig ist, zu wissen, wie zwei Proteine ​​andocken. In einigen Situationen kann ein Protein ein aktives Zentrum des anderen blockieren, wodurch die Bindung an ein Arzneimittel oder Molekül verhindert wird, was das sichere Versagen eines Arzneimittels bedeuten kann oder zu anderen Komplikationen führt. Ein weiterer wesentlicher Nachteil von ELISA sind die Kosten. Im Gegensatz zum rechnerischen Docking, bei dem nur Zugriff auf einen Computer erforderlich ist, erfordern ELISA-Tests aktive Zeit in einer möglicherweise teuren Laboreinrichtung, Ausrüstung und teuren Reagenzien.

Andocken in silico

Um zwei Moleküle durch Andocken gegeneinander zu testen, müssen Sie zunächst die Informationen der beiden Proteine ​​digitalisieren. Es gibt viele Methoden, um die dreidimensionale Struktur eines Proteins zu bestimmen, am häufigsten wird jedoch die Röntgenkristallographie verwendet. Ein Hauptlager dieser Kristallstrukturdaten ist die Proteindatenbank. Der PDB macht diese Strukturen öffentlich zugänglich, sodass jeder sie für Computer-Experimente herunterladen kann!

Das Andocken von zwei Proteinen mit der PDB-Datei 2XWT

In silico Andocktechniken

Das Zusammenfügen zweier physischer Objekte ist ziemlich intuitiv, es könnte also so aussehen, als würden Docking-Proteine ​​gleich sein. Es sollte so einfach sein, wie zwei Puzzleteile zusammenzusetzen, oder? Lege die beiden Proteine ​​zusammen, sieh nach, wo sie passen, und du bist fertig! In der Praxis sind Docking-Techniken jedoch viel schwieriger. Im Gegensatz zu Puzzleteilen werden Proteine ​​nicht nur von ihrer Form bestimmt. Ihre Wechselwirkungen hängen auch von Hydrophobie, Elektrostatik, Wasserstoffbrücken und einer Vielzahl anderer Effekte ab. Proteine ​​sind auch nicht starr. Seitenketten können sich für unerwartete Konformationen bewegen - Form und Oberfläche leicht verändern. Alle diese Faktoren machen das Andocken äußerst rechenintensiv. Selbst in einem sehr einfachen Fall können drei bis drei Billionen Orientierungen der zu testenden Proteine ​​vorhanden sein, und jeder „Test“ kann aus Hunderten oder Tausenden von Berechnungen bestehen. Auf einem typischen Desktop-Computer dauert dies möglicherweise mehr als hundert Stunden ununterbrochener Arbeit!

Eine Darstellung der Energie (Score) im Vergleich zum Referenzzustand (Epitop RMSD) mehrerer angedockter Strukturen. Beachten Sie den Trichter, wenn die angedockten Strukturen in einer Konformation mit niedriger Energie konvergieren.

Ein derart erschöpfender Ansatz ist selbst für Supercomputer unrealistisch. Daher wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um die Suche zu vereinfachen. Eine Technik, die zum Reduzieren von Berechnungen verwendet wird, wird Decoys As a Reference State oder DARS genannt. Diese Technik weist ein Protein zur Bewegung und das andere als stationär zu. Es generiert dann Tausende von zufälligen Orientierungen des mobilen Proteins. Die Energie jeder Orientierung wird gemessen und die Andockkonformationen mit der niedrigsten berechneten Energie und dem optimalen Bindungsabstand werden ausgewählt. Die Energien können dann gegen den Abstand der Konformation zum oben genannten Referenzzustand aufgetragen werden. Diese Darstellung zeigt möglicherweise eine Trichterform. Eine gute Trichterzeichnung (Abbildung 2) zeigt, wo die Andockläufe bei einer Lösung zusammenlaufen, und diese Konvergenz belegt, dass die beste Orientierung gefunden wurde! DARS ist nicht so umfassend wie der erschöpfende Ansatz, kann jedoch mit weniger als einem Millionstel der Bewegungen die optimale Bindung finden! Insgesamt reduziert dieser statistische Docking-Ansatz den Rechenaufwand für das Docking erheblich, was ihn für die Entwicklung von Medikamenten sehr wichtig macht.

Es gibt auch andere Techniken wie Asymmetric Decoys As a Reference State (ADARS) oder Programme wie PIPER, die schnelle Fourier-Transformationen verwenden, um Milliarden von Energieberechnungen zu berechnen. Aufgrund der Bedeutung des Protein-Protein-Andockens für das Design und die Entwicklung von Medikamenten wird dieser große Sektor mit zunehmender Rechenleistung und zunehmender Verbreitung der Rechenleistung weiter wachsen. Diese Verarbeitung trägt dazu bei, die Biotechnologie auf den neuesten Stand zu bringen und die Welt um uns herum zu verbessern.

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