«Табиғи қосылыстар молекулалары биологиялық белсенділігінің виртуалды скринингі, табиғи қосылыстар мен олардың туындылары молекулаларының молекулалық докингі» Қазақстан-Чех ғылыми-тәжірибелік семинары туралы ақпарат.

   2017 жылдың 11-14 шілдесі аралығында «Фитохимия» халықаралық ғылыми-өндірістік холдингінің базасында (Қарағанды қ., Қазақстан Республикасы) табиғи қосылыстар мен олардың туындыларының виртуалды скринингіне (in silico) арналған қазақстан-чех ғылыми-тәжірибелік семинары өтті. Оның шеңберінде холдинг қызметкерлері үшін биоинформатиканың заманауи әдістерінің бірі – «лиганд-ақуыз» докингі бойынша шеберлік сабағы ұйымдастырылды.
   Семинарды соңғы 10 жыл ішінде компьютерлік модельдеу, атап айтқанда, молекулалық докинг және органикалық қосылыстардың биологиялық белсенділігін болжау алгоритмдерін жетілдіру саласындағы зерттеулерде маманданып келетін PhD доктор, Химия және технология университеті (Прага, Чех Республикасы) биохимия және микробиология кафедрасының қауымдастырылған профессоры Войтех Спивок жүргізді. Бұл семинар доктор В. Спивокпен De Graaf C., Kooistra A.J.,Visher H.F. et al. Crystal structure-based virtual screening for novel fragment-like ligands of the human histamine H1 receptor // Journal of Medicinal Chemistry. – 2011. – V. 54, No 23. – P. 8195-8206 мақаласы негізінде әзірленген. Оның теориялық бөлігі Прага қаласының Химия және технология институтында оқу-әдістемелік кешен ретінде қолданылады.
   Доктор В. Спивоктың сапары «Табиғи терпеноидтар мен олардың туындыларының виртуалды скринингі үлгісінің негізіндегі «құрылым-белсенділік» өзара байланысын зерттеу» №0145-ГФ4 гранттық жобасы бойынша жұмыс шеңберінде ұйымдастырылды.
   Семинар жұмысына ағылшын тілін жетік меңгерген 13 адам, соның ішінде холдингінің жетекші мамандары, PhD докторанттар мен магистранттар қатысты. Ғылыми-тәжірибелік семинардың нысаны қызметкерлерге компьютерлік модельдеу негіздерін тәжірибеде үйренуге мүмкіндік берді.
   Семинарда доктор В. Спивоктың «Лиганд-ақуыз» докингі мен виртуалды скринингінің негіздері» атты баяндамасы тыңдалып талқыланды.

 
Доктор В. Спивоктың (Чехия) «Лиганд-ақуыз» докингі мен виртуалды скринингінің негіздері» атты семинары (Қарағанды қ., Қазақстан)

   Оқыту семинары барысында биологиялық белсенді қосылыстарды бағытталған іздеу және олардың негізінде бірегей дәрілік заттарды жасау саласында қолданылатын виртуалды скрининг пен компьютерлік модельдеудің негізгі әдістері баяндалды, олардың артықшылықтары мен кемшіліктері мазмұндалды, ақуыз молекулалары мен органикалық қосылыстардың жиі қолданылатын дерек қорлары жете сипатталып, кеңістіктік (3D) модельдеу мен молекулалық докинг жөніндегі бағдарламалық құралдардың мүмкіндіктері көрсетілді. Семинар ашық диалог түрінде өтіп, әр қатысушының маманға өзін қызықтырған сұрақтарын қоюға мүмкіндігі болды. Семинардың түйінді аспектілері:

   Жаңа дәрілік заттарды іздеудегі молекулалық модельдеу
Драг-дизайн (ағылш. drug – дәрілік препарат және design – жобалау, құрастыру) немесе дәрілік затты құрастыру – бұл қасиеттері алдын ала берілген жаңа дәрілік перпараттарды жасау әдістерінің кешені. Драг-дизайнде қолданылатын негізгі ұғымдар – бұл нысана және дәрі. Нысана ретінде бұзылуы ауруға соқтыратын белгілі бір функциямен болжалды байланысқан макромолекулалық биологиялық құрылым қызмет ету мүмкін. Бұл нысанаға драг-дизайн көмегімен онымен ерекше өзара әрекет ететін белгілі бір химиялық қосылыс (әдетте төмен молекулалы) құрылады (немесе қолдағы қосылыс іріктеп алынады) және бұл оң терапевтік әсерге әкеледі.
   Дәрілерді жасау немесе лиганд (молекула) құрылымына негізделген «драг-дизайн» – бұл:
   -    ұқсас дәріні іздеу;
   -    фармакофорлық модельдеу.
   Молекула құрылымына негізделген драг-дизайн «протеин-лиганд» докингі және модельдеу негізіндегі әдістер арқылы іске асырылады.
Виртуалды скрининг ұғымы және молекулалық докингте қолданылатын негізгі бағдарламалық құралдар
Виртуалды скрининг – бұл химиялық қосылыстар дерек қорын автоматтандырылған тексеру және олардың ішінен қалаулы қасиеттер болжанатын қосылыстарды іріктеу. Виртуалды скрининг жаңа дәрілік препараттарды жасау кезінде химиялық, соның ішінде қажетті биологиялық белсенділік түріне ие органикалық қосылыстарды іздеу мақсатында қолданылады. Соңғы жағдайда виртуалды скрининг рәсімі биологиялық нысанның кеңістіктік құрылымы туралы білімге немесе аталған биологиялық нысан молекуласына лигандтардың құрылымы туралы білімге негізделу мүмкін.
Биологиялық нысананың кеңістіктік құрылымы туралы білімге негізделген виртуалды скринингтің түйінді рәсімі «лиганд-ақуыз» кешенінің кеңістіктік құрылымын болжауға мүмкіндік беретін молекулалық докинг болып табылады. Оның көмегімен бағалау функциялары арқылы лигандтың (молекуланың) ақуызбен байланысу константасын есептеуге болады. Бұл жағдайда ақуыз молекуласымен байланысу константасының ең жоғары мәні болжанған қосылыстардан тоғыстырылған кітапхананы қалыптастырады және кейінгі биологиялық тәжірибелер үшін одан материалдар іріктеп алынады.
Молекулалық докингті жүргізуге арналған көптеген бағдарламалар бар. Олардың қатарына FlexX (http://www.biosolveit.de/FlexX/), Dock (http://dock.compbio.ucsf.edu), AutoDock (http://autodock.scripps.edu), SurFlex (http://www.biopharmics.com), Gold (http://www.ccdc.cam.ac.uk/products/ life_sciences/gold/), PLANTS (http://www.tcd.uni-konstanz.de/research/plants.php), DockSearch (http://www.ibmc.msk.ru), Glide (https://www.schrodinger.com/glide) және т.б. жатады.
Молекулалық докингті жүргізуге қажетті бағдарламалық жасақтаманың тізбесі кестеде берілген.
 
1-кесте.

Сипаттама

Нысаналар

Лигандтар

(молекулалар)

Дереккөз

PDB (www.pdb.org)

 

ZINC (zinc.docking.org), ChEMBL, PubMed

Файл түрлері

PDB, mol2

mol2, sdf, smiles

Визуализация бағдарламалары

VMD, UCSF Chimera, Pymol и др.

ChemAxon молекулалық редакторы

Утилиталар

Fpocket – OpenBabel бағдарламасы арқылы байланысу орындарын іздеу, конвертациялау

Конвертация– OpenBabel

Молекулалық докинг зерттеушілерге келесі міндеттерді шешуге мүмкіндік береді:
   -  молекула мен рецептор арасындағы байланыс тәртіптерін болжау;
   -  қосылыстардың виртуалды скринингін жүргізіп, олардың ішінен «әлеуетті» биологиялық белсенділікке ие үлгілерді іріктеп алу;
   -  басқа нысаналарды іздеу.


1-сурет. ZINC химиялыққосылыстардыңдерекқоры

Докинг рәсімін жүргізу келесіні қажет етеді:
  -   ақуыз құрылымы;
  -   лиганд (молекула) құрылымы;
  -   бағдарламалық алгоритм (генетикалық алгоритмдер, «Құмырсқалар мекені» (ant colony optimization) және «Босаңдатуды еліктеу» (simulated annealing) алгоритмдері бойынша оңтайландыру, инкрементті құрылыс);
  -   балдарды есептеу функциялары: әлеуетті қуат, орташа күштің әлеуеті, эмпирикалық әдістер.
Аталған әдістің артықшылықтарымен қатар, төмендегідей бірқатар кемшіліктері де бар:
  -   ақуыздардың гетерогенділігі (динамикалық/индукцияланған қиыстыру, протондалған жағдайлар, таутомерлер, су молекуласының бар болуы, кофакторлар және т.б.);
  -   лигандтар құрылымы (таутомерлер, протондалған жағдайлар, айналма құрылымдар, цис/транс және басқа изомерлер, тұздар және т.б.);
  -   айналатын байланыстардың тым жоғары саны;
  -   балдарды есептеудің салыстырмалы төмен өнімділігі;
  -   дәрілерге төмен ұқсастық және байланысу орындарында түйісу қиындығы.

 
2-сурет. «Құмырсқалар мекені» (ағылш. ant colony optimization) бағдарламалық алгоритмін қолданатын PLANTS (Protein-Ligand ANT System) докинг-бағдарламасы

Докингті жүргізген кезде келесіні ескеру қажет:
  -   докинг – бұл жылдамдық пен дәлдік арасындағы ымыра;
  -   құрылымы анықталған докинг-үлгілер үшін ~ 2 ккал/моль ауқымында салыстырмалы жоғары статистикалық қателіктің болуы;
  -   нысаналар мен лигандтардың кейбір топтарының жоғары немесе төмен аффиндіктің болуы;
  -   аффиндікті болжау лиганд (молекула) көлемінің ұлғаюына әкеледі;
  -   байланысқан кофакторларды, ақуыздарды және т.б. жою кезінде сақ болу қажет.
Оқыту семинары барысында қатысушылар тәжірибеде бағдарламалық жасақтамамен, негізгі рәсімдер мен операциялармен танысты, сондай-ақ, лигандтың (молекуланың) кеңістіктік құрылымын дайындаудан «лиганд-рецепторлық» байланыс қуатының қорытынды бағалау көрсеткіштерін алуға дейін молекулалық докинг жүргізу алгоритмін бақылауға мүмкіндік алды. Ақуыз нысанасының тәжірибелік үлгісі ретінде Н1-гистаминдік рецептордың ақуыз молекуласы қолданылды. Оның құрылымы бұрын жүргізілген зерттеулермен анықталған. Гистамин аллергиялық реакциялар жедел түрінің медиаторларына жататын биогенді амин болып табылатыны мәлім. Гистаминдік H1-рецепторлардың блокаторлары гистамин тудыратын тегіс салалы бұлшықеттердің (бронхтар, ішектер, жатыр) жиырылуы мен гипотензиясын бәсеңдетеді, қылтамырлардың өткізгіштігін төмендетеді, гистаминдік ісінудің дамуына жол бермейді, гиперемия мен қышуды төмендетіп, аллергиялық үдерістер дамуының алдын алады және олардың барысын жеңілдетеді. Н1-гистаминдік рецептордың ақуыз молекуласы келесі суретте келтірілген.


3-сурет. Адамның H1-гистаминдік рецепторы

Осылайша, «Лиганд-ақуыз» докингі мен виртуалды скринингінің негіздері» қазақстандық-чех ғылыми-тәжірибелік семинарында пікір алмасу және көтерілген мәселелерді талқылау нәтижесінде келесі басым бағыттар бойынша бірлескен ғылыми-зерттеу қызметін жалғастыру туралы шешім қабылданды:

  • Биологиялық белсенді табиғи терпеноидтар, полипренолдар, алкалоидтар мен флавоноидтарды және олардың химиялық түрлендірілген туындыларын іздеу;
  • Табиғи қосылыстар мен олардың туындыларына арналған ерекше фармакологиялық белсенді нысаналарды іздеу мақсатында «лиганд-нысана» кешенін байланыстыру қуатын компьютерлік модельдеуді (докингті) жүргізу;
  • «Фитохимия» холдингінің базасында заманауи мамандандырылған платформаларды қолдана отырып, табиғи қосылыстар мен олардың туындылары молекулаларының докингін жүргізу мүмкіндігімен олардың электронды дерекқорын құру;
  • Табиғи қосылыстар мен олардың туындылары молекулаларының электронды дерекқорын құру және жұмысқа енгізу жобасын гранттық қаржыландыруға арналған бірлескен өтінімді дайындап ұсыну;
  • Холдинг қызметкерлері үшін Химия және технология университетіне (Прага, Чех Республикасы) оқыту тағылымдамаларын және академиялық ұтқырлықты ұйымдастыру;
  • Импакт-факторы бар шетелдік рейтингілік басылымдарда ғылыми мақалаларды бірлесіп жариялау;
  • «Фитохимия» холдингінің «Фармацевтикалық бюллетень» мерзімдік басылымында PhD доктор, қауымдастырылған профессор В. Спивоктың «Молекулалық докинг және виртуалды скрининг» шолу мақаласын жариялау;
  • Холдинг қызметкерлеріне компьютерлік модельдеудің негізгі әдістерін, соның ішінде молекулалық докинг әдісін жүйелі түрде үйрету жұмысын жоспарлау және ұйымдастыру (2018 жылдың қаңтар, шілде айлары).