Vývoj metod virtuálního screeningu pro hledání vysokoafinitních ligandů

Bc. Matej Medvecký

Diplomová práce

Development of Virtual Screening for High-affinity Ligand Search

Anotace:

Virtuální screening (VS) je populární metodou pro selekci potenciálních léčiv v počáteční fázi procesu objevování nových léků. Využívá počítačové programy k předpovědi vazebných afinit ligandů k cílovému receptoru. Kombinací VS s experimentálním testováním se výrazně šetří náklady a čas potřebný k identifikaci nových léčiv. Tato práce je zaměřena na vývoj nástrojů na zvýšení rychlosti a přesnosti VS experimentů. Nově vyvinuté nástroje jsou následně aplikované ve VS potenciálních inhibitorů lektinu PA-IIL, derivátů pyranosy a furanosy. PA-IIL je lektin bakterie Pseudomonas aeruginosa, který specificky váže fukosu a hraje roli v adhezi bakterie na hostitelské tkáně a v tvorbě biofilmů. Ve VS experimentu bylo nejprve 22 800 různých derivátů furanosy a pyranosy zadokováno do vazebného místa diméru PA-IIL prostřednictvím AutoDock: Vina. Následně byly reskórované dvěma různými semiempirickými Hamiltoniány MOPACu, PM6-DH2 a PM7 . Celkově byly vyvinuty dva programy, H-rotator a CutProt. H-rotator slouží k optimalizaci geometrie vodíkových atomů z hydroxylových a thiolových skupin lidandů zakomplexovaných s receptorem, s cílem zvýšit přesnost reskórovacích výpočtů. Úlohou CutProtu je ořezat strukturu receptoru s cílem zrychlit reskórovací výpočty. Několik ořezaných modelů PA-IIL bylo testovaných použitím α-L-fucosy, β-D-manosy, β-D-glukosy a β-D-galaktosy jako ligandů. Následně byly vybrány optimální ořezané modely pro oba Hamiltoniány. Výsledky reskórovacích výpočtů použitím Hamiltoniánů PM6-DH2 a PM7 byly porovnány s výsledky z AutoDock: Vina a zároveň mezi sebou. Výpočty Hamiltoniánu PM7 poskytly 967 struktur se zápornými hodnotami vazebných energií, zatímco jen 27 molekul mělo zápornou vazebnou energii po reskorování Hamiltoniánem PM6-DH2. Vizualizace sloučenin s největší afinitou k PA-IIL ukázala, že Hamiltonián PM6-DH2 preferoval struktury s nevhodnými ekvatoriáními pozicemi tří klíčových hydroxylových skupin, zatímco molekuly s nejvyšší afinitou k PA-IIL podle výpočtů Hamiltoniánu PM7 měly vhodnou D-mano konfiguraci tří klíčových hydroxylových skupin.

Abstract:

Virtual screening (VS) is an important and popular method for selection of candidate lead molecules in early stage of drug discovery process. It uses computer programs to predict binding affinities of ligands to a target receptor. Combination of VS with experimental high-throughput screening significantly reduce both cost and time required for identification of novel lead compounds. This work focuses on development of the tools for improving the speed as well as accuracy of VS experiments. Newly developed tools are consequently applied in VS of potential PA-IIL lectin inhibitors, furanose and pyranose derivatives. PA-IIL is fucose-binding lectin from Pseudomonas aeruginosa that plays role in adhesion of the bacteruim to the host tissues as well as in the biofilm formation. In VS experiment, 22 800 of different derivatives of furanose and pyranose were firstly docked into PA-IIL dimer via AutoDock: Vina, and then rescored by two different semiempirical MOPAC Hamiltonians, PM6-DH2 and PM7. In total, two programs, H-rotator and CutProt, have been developed. H-rotator is a program for optimizing the geometry of hydrogen atoms from hydroxyl and thiol groups of a ligands when complexed with a receptor to improve the accuracy of rescoring calculations. Feature of CutProt is to cut the size of a receptor to speed up the rescoring computations. Several trimmed models of PA-IIL were tested using α-L-fucose, β-D-mannose, β-D-glucose and β-D-galactose as the ligands, and the optimal trimmed models were consequently chosen for both Hamiltonians. The results of rescoring calculations using PM6-DH2 and PM7 Hamiltonians were compared to the results from AutoDock: Vina as well as to each other. PM7 Hamiltonian calculations provided 967 of structures with negative values of the binding energy while only 27 of molecules possessed negative binding energies when rescored by PM6-DH2 Hamiltonian. Visualisation of the compounds with the biggest affinities to PA-IIL showed that PM6-DH2 Hamiltonian preferred structures with inproper equatorial positions of three key hydroxyl groups whereas the strongest binders according to PM7 Hamiltonian calculations had proper D-manno configuration of three key hydroxyl groups.

Keywords

PA-IIL, deriváty monosacharidů, virtuální screening, molekulární dokování, reskórování, vývoj softwaru, monosaccharide derivatives, virtual screening, molecular docking, rescoring, software development

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 19. 5. 2014

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 19. 6. 2014
• Vedoucí: RNDr. Petr Kulhánek, Ph.D.

Masarykova univerzita

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Biochemie / Biomolekulární chemie