Drug Binding Affinity Predictions to Achieve Targeted Drug Discovery

药物结合亲和力预测以实现靶向药物发现

基本信息

  • 批准号:
    2254591
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2019
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2019 至 无数据
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The discovery of new drugs is tightly connected to a detailed understanding of drug binding sites and overall drug-substrate interaction mechanisms. To this end we have been using the concept of free energy mapping, which allow for the reconnaissance and weighting of all possible ways a drug can bind to a substrate. The use of techniques of molecular dynamics is in this respect critical, as it allows for simulations at thermodynamic conditions, which corresponds to experimental/physiological values. Since the investigation of activated processes introduces an intrinsic inefficiency in standard methods of molecular dynamics, advanced techniques will be used, including metadynamics, transition path sampling, and the newly implemented, proprietary method metashooting.An efficient molecular dynamics simulation relies on an efficient calculation of interatomic forces. For biological systems this has been guaranteed by empirical force-fields, since the size of relevant systems excludes the use of any ab initio, density functional based techniques, which are simply computationally too heavy for any practical application in this area. Among the target systems, we are focusing on DNA tetramers, so called G4s, which have been studied more frequently in recent years due to their role in cancer cells. When G4s form at the telomere end of a strand of DNA, telomerase cannot access the site to extend the DNA sequence. In cancer cells the telomerase enzyme will normally extend the DNA sequence uninterrupted, which leads to cell immortalisation. By preventing this immortalisation cancer cells cannot replicate indefinitely, slowing the growth of a tumour. G4's are stabilised by metal ions, as also demonstrated in previous work focusing on Gold/NHC compounds using metadynamics. The latter has proved the efficiency of the molecular dynamics approach, but has also indicated limitations in the way energies and forces are calculated.In this thesis we intend to reach a superior level of efficiency and accuracy by combining technique of advanced molecular dynamics with machine-learned force fields for organic/biological systems. Machine learning is providing a more efficient, portable way to map potential energy surfaces, in a way that a higher level of theory can be "learned" and subsequently expressed on a computationally cheaper time scale, which allows for investigations previously very impractical or even impossible. The use of machine-learned potentials will allow to study activated processes in biological systems (bond breaking, catalytic steps, proton transfer processes) at computational costs, comparable to force fields. This will open completely new perspectives in the study of drug action in biological systems, and on the energetics of activated steps. Besides original investigations on metallodrug-substrate interactions and energetics, benchmarks will be performed, between all force-field simulations, QM/MM approaches and machine-learned potentials, for comparison and further optimisation of the latter method.
新药的发现与对药物结合部位和整体药物-底物相互作用机制的详细了解密切相关。为此,我们一直在使用自由能映射的概念,它允许侦察和加权药物与底物结合的所有可能方式。在这方面,分子动力学技术的使用是至关重要的,因为它允许在热力学条件下进行模拟,这与实验/生理值相对应。由于对活化过程的研究在分子动力学的标准方法中引入了内在的低效,将使用先进的技术,包括元动力学、跃迁路径采样和新实现的专有方法Metashooting。有效的分子动力学模拟依赖于有效的原子间作用力的计算。对于生物系统,这一点得到了经验力场的保证,因为相关系统的规模排除了任何基于从头算的密度泛函技术的使用,这些技术在这一领域的任何实际应用都计算量太大。在靶系统中,我们将重点放在DNA四聚体,也就是所谓的G4S,由于它们在癌细胞中的作用,近年来对它们的研究越来越频繁。当G4S在DNA链的端粒末端形成时,端粒酶不能进入该位置来延伸DNA序列。在癌细胞中,端粒酶通常会不间断地延长DNA序列,从而导致细胞永生。通过阻止这种永生化,癌细胞不能无限复制,从而减缓肿瘤的生长。G4的S是由金属离子稳定的,这一点也在以前使用变动力学方法研究金/NHC化合物的工作中得到了证明。后者证明了分子动力学方法的有效性,但也指出了计算能量和力的方法的局限性。在本论文中,我们打算将先进的分子动力学技术与机器学习的力场相结合,用于有机/生物系统,以达到更高的效率和精度。机器学习提供了一种更高效、更便携的方法来绘制势能面,在这种方式下,更高水平的理论可以被“学习”,并随后在计算上更便宜的时间尺度上表达,这使得以前非常不切实际甚至不可能的研究成为可能。使用机器学习的势将允许研究生物系统中的激活过程(键断裂、催化步骤、质子转移过程),计算成本与力场相当。这将为研究药物在生物系统中的作用以及激活步骤的能量学开辟全新的视角。除了对金属药物-底物相互作用和能量学的原始研究外,还将在所有力场模拟、QM/MM方法和机器学习势之间执行基准,以比较和进一步优化后一种方法。

项目成果

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