COVID-19 получает квантовое лечение для поиска лекарств
С начала пандемии COVID-19 суперкомпьютеры ускоряют поиск новых потенциальных лекарств, которые могут дополнить вакцины.
Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Ридж используют суперкомпьютерную систему для скрининга молекул-кандидатов, способных нарушить связывание спайк-белка коронавируса с клетками человека.
Суперкомпьютерный конвейер открытия лекарств
Процесс описан как «суперкомпьютерный конвейер для in silico открытия лекарств» в исследовании, опубликованном в декабре 2020 года в Journal of Chemical Information and Modeling (ACS).
- Начальный этап: Вычислительный предварительный скрининг на основе структурной модели атомов целевого белка из баз данных, например, ZINC.
- Ключевая роль: Использование предсказательных квантово-механических методов для надежного прогнозирования сродства связывания лигандов с белком.
Многоступенчатый отбор кандидатов
- В предыдущем исследовании с использованием молекулярной динамики было выполнено 51 575 докинг-расчетов для 8 669 лигандов базы данных ZINC15. Было отобрано 3000 лучших кандидатов на основе сродства связывания к активным сайтам спайк-белка.
- Эти 3000 соединений прошли этап уточнения ранжирования на основе квантовой механики с учетом эффектов растворителя.
- С помощью расчетов энергии FMO-MP2/PCM были валидированы и дополнительно отобраны 100 соединений с самым сильным связыванием, что дало короткий список из 47 лигандов для дальнейшего тестирования.
Вычислительная мощность и производительность
- Основные расчеты квантово-механического уточнения выполнялись на суперкомпьютере Stampede2 (TACC).
- Для одного комплекса лиганд-белок расчет энергии связывания занимает 1–2 часа.
- За день можно получить скоринговую функцию для нескольких сотен комплексов.
- Это значительное улучшение по сравнению с традиционными расчетами DFT.
Перспективы и значение
Разработанный протокол квантово-механического уточнения находится на предварительных стадиях. Планируется исследовать 15 кластеров спайк-белка и уточнить энергии связывания 150 белково-лигандных комплексов.
«Сокращение числа кандидатов в лекарства и надежное сужение круга наиболее активных видов в конечном итоге приведет к более быстрому реагированию на внезапно возникающие пандемические ситуации, подобные COVID-19. Это новый подход... с нашим методом мы можем провести полный квантово-химический анализ всего белка с лигандом, чтобы получить надежные энергии связывания за часы, а не дни», — отметил соавтор исследования Стефан Ирле.