Казахстанско-Чешский научно-практический семинар «Виртуальный скрининг молекул природных соединений на биологическую активность, молекулярный докинг молекул природных соединений и их производных»

19.03.2019

В период с 11 по 14 июля 2017 года на базе Международного научно-производственного холдинга «Фитохимия» (г. Караганда, Республика Казахстан) прошел казахстанско-чешский научно-практический семинар, посвященный виртуальному скринингу (insilico) природных соединений и их производных, в рамках которого для сотрудников холдинга был проведен мастер-класс по одному из современных методов биоинформатики – «лиганд-белковому» докингу.

Семинар проводил доктор PhD, ассоциированный профессор кафедры биохимии и микробиологии Университета химии и технологии (Прага, Чешская Республика) Войтех Спивок, на протяжении последних 10 лет специализирующийся на исследованиях в области компьютерного моделирования, в частности молекулярного докинга, и совершенствования существующих алгоритмов по прогнозированию биологической активности органических соединений. Данный семинар был разработан доктором В. Спивоком на основе статьи DeGraaf C., Kooistra A.J.,Visher H.F. etal. Crystalstructure-basedvirtualscreeningfornovelfragment-likeligandsofthehumanhistamine H1 receptor // JournalofMedicinalChemistry. – 2011. – V. 54, No 23. – P. 8195-8206, теоретическая часть которого применяется в качестве учебно-методического комплекса в Институте химии и технологии города Праги.

Визит доктора В. Спивока проходил в рамках работы над грантовым проектом №0145-ГФ4 «Изучение взаимосвязи «структура-активность» на основе модели виртуального скрининга природных терпеноидов и их производных».

В работе семинара приняли участие 13 человек, среди которых ведущие специалисты холдинга, докторанты PhD и магистранты, свободно владеющие английским языком. Формат научно-практического семинара предоставил возможность сотрудникам отрабатывать на практике базовые основы компьютерного моделирования.

На семинаре заслушан и обсужден доклад доктора В. Спивока «Основы «лиганд-белкового» докинга и виртуального скрининга». В период проведения обучающего семинара были освещены основные методы виртуального скрининга и компьютерного моделирования, применяемые в направленном поиске биологически активных соединений и разработке на их основе оригинальных лекарственных средств, озвучены их преимущества и недостатки, подробно описаны наиболее часто используемые базы данных белковых молекул и органических соединений, визуально продемонстрированы возможности программных средств по пространственному (3D) моделированию и молекулярному докингу. Семинар проходил в открытой диалоговой форме, благодаря чему каждый участник мог задать интересующие его вопросы лектору. Ключевыми аспектами семинара стали:

1. Молекулярное моделирование в поиске новых лекарственных средств Драг-дизайн (англ. drug – лекарственный препарат и design – проектирование, конструирование) или конструирование лекарственного средства – это комплекс методов по разработке новых лекарственных препаратов с заранее заданными свойствами. Основные понятия, используемые в драг-дизайне, – это мишень и лекарство. Мишенью может служить макромолекулярная биологическая структура, предположительно связанная с определенной функцией, нарушение которой приводит к заболеванию. На эту мишень с помощью драг-дизайна создается (или подбирается из существующих) определенное химическое соединение (как правило, низкомолекулярное), специфически взаимодействующее с ней, что приводит к положительному терапевтическому эффекту.
Создание лекарств или так называемый «драг-дизайн», основанный на структуре лиганда (молекулы), это:
– поиск подобия лекарству;
– фармакофорное моделирование.
Драг-дизайн, основанный на структуре молекулы, реализуется с помощью докинга «протеин-лиганд» и методов на основе моделирования.

2. Понятие виртуального скрининга и основные программные средства, используемые в молекулярном докинге Виртуальный скрининг – это вычислительная процедура, которая включает автоматизированный просмотр базы данных химических соединений и отбор тех из них, для которых прогнозируется наличие желаемых свойств. Чаще всего виртуальный скрининг применятся при разработке новых лекарственных препаратов для поиска химических соединений, в том числе органических, обладающих нужным видом биологической активности. В последнем случае процедура виртуального скрининга может быть основана либо на знании пространственного строения биологической мишени, либо на знании структуры лигандов к молекуле данной биологической мишени. Ключевой процедурой виртуального скрининга, основанного на знании пространственной структуры биологической мишени, является молекулярный докинг, позволяющий предсказать пространственное строение комплекса «лиганд-белок», исходя из которого при помощи оценочных функций можно рассчитать константу связывания лиганда (молекулы) с белком. В этом случае из соединений, для которых предсказаны наибольшие значения констант связывания с молекулой белка, формируют сфокусированную библиотеку, из которой отбирают материал для дальнейшего биологического эксперимента. Существует множество программ для проведения молекулярного докинга, таких как: 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) и др.

Молекулярный докинг позволяет исследователям решать следующие задачи:
– предсказывать режимы связывания между молекулой и рецептором;
– проводить виртуальный скрининг и отбирать из множества соединений «потенциально» обладающие биологической активностью;
– осуществлять поиск других мишеней.

Для проведения процедуры докинга необходимо наличие:
– структуры белка;
– структуры лиганда (молекулы);
– программного алгоритма (генетические алгоритмы, оптимизация по алгоритмам «Муравьиной колонии» (antcolonyoptimization) и «Имитации отжига» (simulatedannealing), инкрементальная постройка).
– функции подсчета баллов: потенциальная энергия, потенциал средней силы, эмпирические методы.

Наряду с рядом преимуществ данного метода имеется и ряд недостатков, перечисленных ниже:
– гетерогенность белков (динамическая/индуцированная подгонка, протонированные состояния, таутомеры, наличие молекул воды, кофакторы и др.);
– структура лигандов (таутомеры, протонированные состояния, кольцевые структуры, цис/транс и другие изомеры, соли и др.);
– слишком большое наличие вращающихся связей;
– сравнительно низкая производительность подсчета баллов;
– низкое подобие лекарствам и сложность к стыковке в участках связывания.

При проведении докинга необходимо учитывать, что:
– докинг – это компромисс между скоростью и точностью;
– наличие сравнительно высокой статистической ошибки в диапазоне ~ 2 ккал/моль для структурно-определенных докинг-моделей;
– наличие для некоторых классов мишеней и лигандов большей или меньшей аффиности;
– прогнозирование аффиности приводит к увеличению размера лиганда молекулы);
– необходимо быть осторожным при удалении связанных кофакторов, белков и т.п.
Во время обучающего семинара участники смогли на практике ознакомиться с программным обеспечением, базовыми процедурами и операциями, а также проследить алгоритм проведения молекулярного докинга от подготовки пространственной структуры лиганда (молекулы) до получения итоговых оценочных показателей энергии «лиганд-рецепторного» связывания. В качестве экспериментальной модели белковой мишени использовалась белковая молекула H1-гистаминового рецептора, структура которой определена ранее проведенными исследованиями. Как известно, гистамин представляет собой биогенный амин, относящийся к медиаторам аллергических реакций немедленного типа. Блокаторы гистаминовых H1-рецепторов ослабляют вызываемые гистамином гипотензию и спазмы гладкой мускулатуры (бронхов, кишечника, матки), уменьшают проницаемость капилляров, препятствуют развитию гистаминового отека, уменьшают гиперемию и зуд и, как следствие, предупреждают развитие и облегчают течение аллергических процессов.

Таким образом, после обсуждения и обмена мнениями на казахстанско-чешском научно-практическом семинаре «Основы «лиганд-белкового» докинга и виртуального скрининга» было принято решение продолжить совместную научно-исследовательскую деятельность по следующим ключевым направлениям:
• Поиск биологически активных природных терпеноидов, полипренолов, алкалоидов и флавоноидов, а также их химически модифицированных производных;
• Проведение компьютерного моделирования энергии связывания комплекса «лиганд-мишень» (докинг) с целью поиска специфических фармакологически активных мишеней для природных соединений и их производных;
• Создание на базе холдинга «Фитохимия» электронной базы данных молекул природных соединений и их производных с использованием современных специализированных платформ с возможностью проведения их последующего докинга;
• Подготовка и представление совместной заявки на грантовое финансирование проекта по созданию и внедрению в работу электронной базы данных молекул природных соединений и их производных;
• Организация академической мобильности и обучающих стажировок для сотрудников холдинга в Университет химии и технологии (Прага, Чешская Республика);
• Совместная публикация научных статей в рейтинговых зарубежных изданиях с импакт-фактором;
• Публикация в периодическом издании холдинга «Фитохимия» «Фармацевтический бюллетень» обзорной статьи доктора PhD, ассоциированного профессора В. Спивока «Молекулярный докинг и виртуальный скрининг»;
• Планирование и организация работы по систематическому обучению сотрудников холдинга основным методам компьютерного моделирования, в том числе методу молекулярного докинга (январь, июль 2018 г.).