AutoDock

AutoDock
Sorts Molekylär modellering
Utvecklaren forskningsinstitut
Skrivet i C / C++
Operativ system Windows , macOS , Linux , Solaris
senaste versionen 4.2.6 (2012-08-04)
stat aktiva
Licens GPL2+ (AutoDock 4) / ASL 2.0 (AutoDock Vina)
Hemsida autodock.scriptps.edu

AutoDock  är ett mjukvarupaket designat för automatiserad molekylär dockning . Det används huvudsakligen för dockning av protein-ligand , inklusive att ta hänsyn till mobila proteinrester . Autodock används också för "blind dockning" när proteinets aktiva plats inte är känd.

Om programmet

AutoDock är ett av mjukvarupaketen som kan förutsäga bindningen av små molekyler till proteiner med känd struktur. Äkta AutoDock-distributioner inkluderar två generationer av programvara: AutoDock 4 och AutoDock Vina. AutoDock är fri programvara, vars senaste version 4 distribueras under GNU General Public License, AutoDock Vina är tillgänglig under Apache-licensen [1] [2] .

Från den allra första versionen är Autodock en kombination av 2 program: Autodock - själva dockningsprogrammet och Autogrid - ett program som låter dig beräkna potentiella rutnät . För varje receptor (en dockningsreceptor är en makromolekyl för vilken rutnät beräknas) räcker det att beräkna potentiella rutnät för varje typ av atomer en gång, vilket gör att du kan köra beräkningar för vilken ligand som helst som består av dessa atomer (en ligand i dockning är en liten molekyl för vilken en förändring är möjlig).positioner och konformationer) [1] .

AutoDock var det mest citerade dockningsverktyget 2006 [3] .

AutoDock underhålls och utvecklas av The Scripps Research Institute och Olson Laboratory [1] .

Arbetsmekanism

Dockning utförs i ett kubiskt område inuti receptorn (dockningsbox). Med hjälp av AutoGrid skapas en uppsättning binära filer för receptorn - potentiella rutnät. De beskriver för varje atom som ingår i dockningsboxen potentialen för dess interaktion med testatomen hos ett visst kemiskt element. Uppsättningen av dessa element bestäms av den kemiska sammansättningen av liganderna med vilka dockning krävs. För varje kemiskt element skapas 1-2 filer. För att beräkna potentialen används en poängfunktion, antingen baserad på fysiska lagar, eller empirisk eller blandad. Poängfunktioner i olika versioner av programmet kan skilja sig åt. Potentiella rutnät används för att beräkna fri energi [4] .

Liganden, förutom helheten av atomer, bindningar och laddningar, beskrivs inuti programmet med en uppsättning siffror - positionen i dockningsboxen, rotationen av alla aktiva torsionsvinklar. Autodock går igenom alla möjliga kombinationer av dessa siffror för att slutligen hitta den optimala positionen för liganden i dockningsboxen vad gäller fri energi. Därför väljs vanligtvis en kub med en sida på 10-30 ångström som dockningsbox så att den inkluderar receptorns aktiva centrum [4] .

En fullständig uppräkning av alla möjliga positioner i det aktiva stället och alla konformationer av liganden är en mycket tids- och resurskrävande uppgift. För att optimera processen använder Autodock globala minimisökalgoritmer: Monte Carlo , simulerad annealing , genetiska algoritmer : LGA (Lamarckian Genetic Algorithm) [4] .

Ett exempel på Autodock 4.2 baserat på LGA [5] :

  1. En population av ligander genereras (populationsstorleken ställs in av användaren). Varje ligand är slumpmässigt placerad i dockningsboxen, har en slumpmässig konformation och beskrivs av en uppsättning translations- , orienterings- och konformationsnummer.
  2. För varje element i befolkningen beräknas fri energi . Det inkluderar energin för intermolekylär interaktion mellan receptorn och liganden och ligandens intramolekylära energi.
  3. avelsstadiet. För varje element beräknas antalet avkomlingar med formeln: , där är antalet avkomlingar, är elementets fria energi, är energin för det sämsta elementet (maximalt), är medelenergin. Därefter får varje element som är bättre än genomsnittet ett proportionellt antal avkommor, som läggs till populationen.
  4. Crossover- stadium : Två element i en population väljs slumpmässigt ut och deras karakteristiska nummer kombineras på nytt , dvs elementen byter ut några av talen. Andelen rekombinerande par ställs in av användaren.
  5. Mutationsstadium : Ett slumpmässigt tal läggs till elementets karakteristiska tal, motsvarande Cauchy-fördelningen . Fördelningsparametrarna och procentandelen mutationer ställs in av användaren.
  6. Utrotningsstadiet: de värsta delarna av befolkningen tas bort. Antalet överlevande ställs också in av användaren.
  7. Optimeringsstadiet. Varje element i populationen optimeras med hjälp av lokala sökalgoritmer , såsom simulerad glödgning vid låga temperaturer, vilket möjliggör minimering av fri energi inom små gränser. Detta steg skiljer LGA från klassiska genetiska algoritmer.
  8. Steg 2-7 upprepas ett visst stort antal gånger (tills den bästa fria energin slutar förändras, eller när en tidsgräns eller antal iterationer nås).
  9. Hela föregående sekvens av steg utförs flera gånger (oberoende körningar).
  10. Resultaten av flera lanseringar är grupperade efter position i dockningsboxen med en cutoff på RMSD 1 ångström.
  11. För alla fynd i klustret beräknas energin för interaktion med receptorn. Klusterenergin anses vara den bästa i detta kluster.
  12. Den slutliga energin beräknas för de bästa klustren som skillnaden mellan skillnaderna i energierna för övergången av receptorn med liganden från en obunden position till en bunden [6] .

Versionshistorik

Autodock 1

Skapad 1990. Den första versionen är baserad på Amber kraftfältet . Poängfunktionen är summan av Lennard-Jones potentialen , den elektrostatiska potentialen och de empiriska funktionerna av energin för kovalenta bindningar , plana och torsionsvinklar [7] .

Monte Carlo- algoritmer och glödgningssimuleringar är tillgängliga i implementeringen [8] .

Autodock 2.4

Det finns många förbättringar, kompletterande program för parallella lanseringar. En ny algoritm för att förbättra sökningen, när det gäller ligander med fler frihetsgrader, bygger på principen dela och erövra . Förbättrad lokal optimeringsalgoritm [9] .

Autodock 3

Den kombinerade genetiska algoritmen LGA [10] användes för första gången för att optimera sökningen . En ny semi-empirisk poängfunktion , kalibrerad på 30 protein-ligandkomplex, tar hänsyn till riktade vätebindningar och solvatiseringsenergi [5] .

Autodock 4, 4.2

Tillagd hänsyn till sidokedjornas möjliga rörlighet. Detta uppnås genom att dela upp proteinet i två filer. Den ena delen anses vara statisk, den andra är mobil. De arbetar med den statiska delen med hjälp av AutoGrid-energiberäkningen och arbetar med den rörliga delen med samma metoder som med liganden. Nya typer av atomer har skapats, som halogener och grundläggande metalljoner. Förbättrad poängfunktion. Kalibrering på 250 strukturer från PDBBind . AutoDockTools dök upp - speciell programvara för att förbereda filer för dockning [6] .

Autodock 4.2.5

Ett mer transparent kontrollalternativ för programutdata har lagts till, vilket gör att du kan göra en liten utdata för screening och visa en rapport för djupare analys. Vissa körtidsfel som orsakade en varning i tidigare versioner stoppar nu programmet. Detta är ett svar på screeningbehov där användaren kanske inte märker varningarna som visas. Redovisning av elektrostatiska interaktioner mellan obundna atomer i en ligand är nu aktiverat som standard. Det är också möjligt att aktivera/avaktivera med kommandot intelec on/off [4] .

Autodock Vina

AutoDock Vina är en ny generation mjukvara utvecklad av Molecular Graphics Lab. Visar en signifikant förbättring av den genomsnittliga noggrannhetsmätningen när det gäller att förutsäga bindningsställen, såväl som en märkbar dubbel ökning av hastigheten jämfört med AutoDock 4.1. En i grunden ny poängfunktion baserad på X-Score-algoritmen [11] , som utvecklades med hänsyn till utvecklingen av multiprocessorsystem. På grund av skillnader i fel och själva poängfunktionerna som används i AutoDock 4 och AutoDock Vina, kan program visa olika resultat på samma data [12] .

AutoDockTools

Det finns ett AutoDockTools (ADT) grafiskt gränssnitt associerat med Autodock som hjälper till att analysera dockning och välja bindningar i liganden som kommer att anses vara mobila. Några av funktionerna i ADT [1] nämns nedan :

Indatafiler

Filer med filtillägget .pdb är huvudformatet för att lagra information om molekylernas konformation och struktur. Sådana filer erhålls från experimentella data erhållna genom röntgenkristallografi eller NMR-spektroskopi , eller genom metoder för att förutsäga strukturen hos molekyler. Från och med AutoDock 4 kräver dockningsproceduren två .pdbqt-filer; en för receptorn, den andra för liganden. Om det är nödvändigt att ta hänsyn till rörligheten för vissa aminosyror i ett protein, skapas en tredje fil som innehåller information om atomerna i proteinets mobila delar. Konvertering av .pdb-filer till .pdbqt-format är möjligt med AutoDock Tools [4] .

Pdbqt-filerna innehåller följande information [4] :

Tolkning av resultat

Som ett resultat av Autodocks arbete för en ligand erhålls en dlg-fil. Den innehåller en detaljerad rapport om hur programmet fungerar. Den innehåller resultaten av varje specifik körning med ligandens slutliga position (ligandens struktur skrivs i pdbqt-formatet), den beräknade energin, den tid som spenderas på beräkningen [4] .

Klustringsresultatet är också tillgängligt: ​​för varje kluster visas populationen (Antal i kluster), den bästa energin (Lägsta bindningsenergin), vilken specifik körning det tillhör (Kör) [4] :

KLUSTERINGSHISTOGRAM __________________ ________________________________________________________________________________ | | | | | Clus | lägsta | springa | menar | Num | Histogram -ter | Bindande | | Bindande | i | Rank | energi | | energi | 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 |### _____|__________|_____|__________|_____|_____________________________________

De faktiska resultaten är energin ΔG och positionen för liganden i det aktiva stället för receptorn. Energiskillnaden mellan liganderna i den första approximationen visar hur mycket bättre en ligand binder till receptorn än den andra. Ligandens position i det aktiva stället gör det möjligt att förutsäga bindningsmekanismen [13] .

Applikationer

AutoDock hittar applikationer inom följande områden [1] :

Autodock används i stor utsträckning inom det vetenskapliga samfundet för både molekylär dockning och virtuell screening av stora bibliotek av föreningar (t.ex. ZINC) [14] .

Dockning används också för att söka efter enzymblockerare av patogena organismer, särskilt tuberkelbacillus topoisomeras I [15] .

Tyrosinfosfatas B-proteinet från Mycobacterium tuberculosis (Mtb) (MptpB) är en viktig virulensfaktor för bakterien som främjar överlevnaden av bakterier i makrofager . Bristen på en mänsklig ortolog gör MptpB till ett attraktivt mål för nya TB-terapier. MptpB-hämmare kan vara ett effektivt verktyg för att övervinna framväxande TB-läkemedelsresistens. Med hjälp av en strukturbaserad virtuell screeningstrategi identifierade författarna framgångsrikt en läkemedelshämmare av MptpB baserad på tiobarbiturat [16] .

Med hjälp av Autodock hittades HIV- proteashämmare [17] . I synnerhet är HIV asparaginsyrapeptidashämmare (HIV IPs) goda kandidater för läkemedelsåteranvändning.

Dessutom används dockning för att söka efter ligander som interagerar med transkriptionsfaktorer . Till exempel är HNF-1a en transkriptionsfaktor som reglerar glukosmetabolismen genom att uttryckas i olika vävnader. Potentiella mål hittades med hjälp av in silico docking [18] .

Dockning användes för att modellera interaktionerna mellan två transkriptionella regulatorer, ExuR och UxuR, med glykolyssubstrat och intermediärer, Ashwell- och Entner-Doudoroff-vägarna . För UxuR hittades två föredragna ligandbindningsställen, en lokaliserad i den C-terminala domänen och den andra upptar interdomänutrymmet. För ExuR hittades endast en föredragen plats i interdomänregionen [19] .

Autodock (främst Vina) används i stor utsträckning i ett stort antal automatiserade virtuella screeningsystem [20] [21] [22] .

Projektsamarbeten

World Community Grid erbjuder dig att få gratis datorkraft för att påskynda AutoDock-driven forskning [1] .

AutoDock har lanserats baserat på World Community Grid med följande projekt:

Alternativa program

Under 2016 utvärderades olika program på ett urval av 2002 protein-ligandkomplex. Frekvensen av sammanträffanden i de positioner som hittats med hjälp av dockning uppskattades. De fall då RMSD mellan ligandens hittade och naturliga positioner inte översteg 2 Å [28] [29] ansågs vara tillfälligheter .

Bland de alternativa akademiska programmen urskiljs LeDock, rDock, UCSF Dock, medan det första programmet visade det bästa resultatet (57,4 % överensstämmelse) [29] .

Kommersiella alternativa program presterade bättre (59,8 % för GULD) än akademiska. Programmen Surflex, FlexX, Glide, LigandFit, MOE-Dock, ICM_pro, MCDock, FRED deltog också i studien. [28] .

Resultat av programutvärdering [28]
Program Tillfällighet Program Tillfällighet
GULD 59,8 % Autodock Vina 49,0 %
Glid (XP) 57,8 % AutoDock ( PSO ) 47,3 %
LeDock 57,4 % LigandFit 46,1 %
Glid (SP) 53,8 % MOE Dock 45,6 %
Surfflex Dock 53,2 % UCSD DOCK 44,0 %
rDock 50,3 % AutoDock (LGA) 37,4 %

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Garrett M. Morris. AutoDock  (engelska) . autodock.scriptps.edu. Hämtad 4 april 2017. Arkiverad från originalet 13 januari 2020.
  2. AutoDock Vina - molekylär dockning och virtuellt screeningprogram . http://vina.scripps.edu.+ Hämtad 3 maj 2019. Arkiverad från originalet 8 januari 2020.
  3. Sousa Sérgio Filipe , Fernandes Pedro Alexandrino , Ramos Maria João. Protein-ligand dockning: Nuvarande status och framtida utmaningar  //  Proteiner: Struktur, funktion och bioinformatik. - 2006. - 21 juli ( vol. 65 , nr 1 ). - S. 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 och Arthur J. Olson. AutoDock4.2 Användarhandbok . Hämtad 4 april 2017. Arkiverad från originalet 18 maj 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 och AutoDockTools4: Automatiserad dockning med selektiv receptorflexibilitet  //  Journal of Computational Chemistry. - 2009. - December ( vol. 30 , nr 16 ). - P. 2785-2791 . — ISSN 0192-8651 . - doi : 10.1002/jcc.21256 .
  7. Goodford PJ En beräkningsprocedur för att bestämma energetiskt gynnsamma bindningsställen på biologiskt viktiga makromolekyler.  (engelska)  // Journal Of Medicinal Chemistry. - 1985. - Juli ( vol. 28 , nr 7 ). - P. 849-857 . — PMID 3892003 .
  8. Goodsell David S. , Olson Arthur J. Automatiserad dockning av substrat till proteiner genom simulerad hybridisering  //  Proteins: Structure, Function, and Genetics. - 1990. - Vol. 8 , nr. 3 . - S. 195-202 . — ISSN 0887-3585 . - doi : 10.1002/prot.340080302 .
  9. Morris Garrett M. , Goodsell David S. , Huey Ruth , Olson Arthur J. Distribuerad automatiserad dockning av flexibla ligander till proteiner: Parallella tillämpningar av AutoDock 2.4  //  Journal of Computer-Aided Molecular Design. - 1996. - Augusti ( vol. 10 , nr 4 ). - s. 293-304 . — ISSN 0920-654X . - doi : 10.1007/BF00124499 .
  10. Fuhrmann Jan , Rurainski Alexander , Lenhof Hans-Peter , Neumann Dirk. En ny Lamarckian genetisk algoritm för flexibel ligand-receptor dockning  //  Journal of Computational Chemistry. - 2010. - P. NA-NA . — ISSN 0192-8651 . - doi : 10.1002/jcc.21478 .
  11. Wang R. , Lai L. , Wang S. Ytterligare utveckling och validering av empiriska poängfunktioner för strukturbaserad bindningsaffinitetsprediktion.  (engelska)  // Journal Of Computer-aided Molecular Design. - 2002. - Januari ( vol. 16 , nr 1 ). - S. 11-26 . — PMID 12197663 .
  12. Trott Oleg , Olson Arthur J. AutoDock Vina: Förbättring av hastigheten och noggrannheten vid dockning med en ny poängfunktion, effektiv optimering och 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. Bindningsmekanism för trans-N-kaffeoyltyramin och humant serumalbumin: undersökning med multispektroskopi och dockningssimulering  //  Bioorganisk kemi. - 2016. - Juni ( vol. 66 ). - S. 102-110 . — ISSN 0045-2068 . - doi : 10.1016/j.bioorg.2016.04.002 .
  14. Anand R. Identifiering av potentiella antituberkulosdroger genom dockning och virtuell screening.  (engelska)  // Interdisciplinary Sciences, Computational Life Sciences. - 2018. - Juni ( vol. 10 , nr 2 ). - s. 419-429 . - doi : 10.1007/s12539-016-0175-6 . — PMID 27147082 .
  15. Sandhaus Shayna , Chapagain Prem P. , Tse-Dinh Yuk-Ching. Upptäckt av nya bakteriella topoisomeras I-hämmare genom användning av in silico-dockning och in vitro-analyser  //  Vetenskapliga rapporter. - 2018. - 23 januari ( 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. Docknings- och farmakoforbaserad virtuell screening för identifiering av ny Mycobacterium tuberculosis proteintyrosinfosfatas B (MptpB)-hämmare med en tiobarbituratställning.  (engelska)  // Bioorganisk kemi. - 2019. - April ( vol. 85 ). - S. 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. Discovery of a Novel Binding Trench in HIV Integrase  //  Journal of Medicinal Chemistry. - 2004. - April ( 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. I SilicoDocking av HNF-1a-receptorligander  (engelska)  // Framsteg inom bioinformatik. - 2012. - Vol. 2012 . - S. 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. Strukturell modellering av ExuR- och UxuR-transkriptionsfaktorerna för E. coli: sök efter liganderna som påverkar deras regulatoriska egenskaper  //  Journal of Biomolecular Structure and Dynamics. - 2016. - 6 januari ( 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): en ny öppen källkodsaktör inom läkemedelsupptäcktsområdet  //  Journal of Cheminformatics. - 2015. - 22 juni ( vol. 7 , nr 1 ). — ISSN 1758-2946 . - doi : 10.1186/s13321-015-0078-2 .
  21. AutoDock | tvättbjörn 2 . autodock.scriptps.edu. Hämtad 15 maj 2016. Arkiverad från originalet 1 juni 2016.
  22. Sharma V. , Pattanaik KK , Jayprakash V. , Basu A. , Mishra N. Ett verktygsskript för att automatisera och integrera AutoDock och andra tillhörande program för virtuell screening.  (engelska)  // Bioinformation. - 2009. - 6 september ( vol. 4 , nr 2 ). - S. 84-86 . — PMID 20198176 .
  23. FightAIDS@Home . www.worldcommunitygrid.org. Hämtad 31 mars 2017. Arkiverad från originalet 10 maj 2017.
  24. Upptäcka denguedroger - tillsammans . www.worldcommunitygrid.org. Hämtad 31 mars 2017. Arkiverad från originalet 29 mars 2016.
  25. Hjälp att bekämpa barncancer . www.worldcommunitygrid.org. Hämtad 31 mars 2017. Arkiverad från originalet 21 april 2017.
  26. Influensa Antiviral Drug Search . www.worldcommunitygrid.org. Hämtad 31 mars 2017. Arkiverad från originalet 1 april 2017.
  27. Rarey. En snabb flexibel dockningsmetod som använder en inkrementell konstruktionsalgoritm . Hämtad 19 april 2019. Arkiverad från originalet 24 april 2019.
  28. ↑ 1 2 3 Wang Zhe , Sun Huiyong , Yao Xiaojun , Li Dan , Xu Lei , Li Youyong , Tian Sheng , Hou Tingjun. Omfattande utvärdering av tio dockningsprogram på en mångsidig uppsättning protein-ligandkomplex: förutsägningsnoggrannheten för provtagningskraft och poängkraft  //  Fysikalisk kemi Kemisk fysik. - 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. Programvara för molekylär dockning: en recension  //  Biofysiska recensioner. - 2017. - 16 januari ( vol. 9 , nr 2 ). - S. 91-102 . — ISSN 1867-2450 . - doi : 10.1007/s12551-016-0247-1 .

Länkar