Mô hình gắn kết phân tử docking được xem là một phương pháp có vai trò lớn trong thiết kế thuốc với sự trợ giúp của máy tính (CADD – Computer-Aided Drug
Design) [25, 76, 77]. Hiện nay, phương pháp docking bắt đầu được sử dụng phổ biến vì tính đơn giản, dễ sử dụng và ít tốn thời gian trong các phương pháp sàng lọc ảo. Phương pháp này được dùng để đánh giá và dự đoán khả năng gắn kết hoặc ái lực liên kết giữa các phân tử ligand và mục tiêu tác động (protein, enzyme, DNA) thông qua điểm số docking cũng như các vị trí gắn kết (binding site, active site).
1.4.1.1. Phân loại
Docking tìm các tương tác giữa các ligand và mục tiêu tác động theo ba hướng sau [78]:
- Xem ligand và mục tiêu tác động đều là những phân tử cứng (docking cứng). - Xem ligand là những phân tử linh động và mục tiêu tác động là những phân tử cứng (docking bán linh động).
- Xem cả ligand và mục tiêu tác động đều là những phân tử linh động (docking linh động hoàn toàn), nhưng tính linh động chỉ giới hạn ở những chuỗi bên đặc trưng nào đó của điểm gắn kết.
1.4.1.2. Phần mềm FlexX trong docking
Trong hai thập kỷ gần đây có khoảng 60 công cụ và phần mềm khác nhau được phát triển cho quá trình docking phân tử [79], trong đó phổ biến nhất là các phần mềm như: DOCK [80], AutoDock [81], FlexX [82], Surflex [83], GOLD [84], ICM [85], Glide [56], Cdocker, LigandFit [80], MCDock, FRED [86], MOE-Dock [87], LeDock [64], AutoDock Vina [88], rDock [89], UCSF Dock [90]… Tận dụng nguồn tài nguyên sẵn có, trong nghiên cứu này chương trình FlexX trong bộ phần mềm LeadIT 2.1.8 được sử dụng trong quá trình docking.
FlexX là chương trình docking được Rarey và cộng sự giới thiệu năm 1996 [82], dự đoán tương tác giữa phức hợp protein và ligand thông qua cấu trúc hình học và ái lực gắn kết của phức hợp này trong đó protein được giữ cứng. Thuật toán docking trong FlexX hoạt động không cần sự can thiệp thủ công. Đặc biệt FlexX rất hữu dụng trong trường hợp đã có cấu trúc 3D của protein và vị trí hoạt động cụ thể của protein, có tập hợp phân tử các chất, FlexX lúc này sẽ phân tích việc gắn kết của protein với mỗi chất kể trên.
Trong FlexX, cấu trúc của mục tiêu (protein) được giữ cứng, còn cấu dạng của ligand được thiết kế linh động bằng cách tạo ra tập hợp nhiều cấu dạng khác nhau của ligand. Các tương tác ligand – mục tiêu được tính toán bao gồm liên kết hydro, liên
kết kim loại và tương tác kỵ nước. Thuật toán docking của FlexX dựa trên cơ sở chiến lược xây dựng gia tăng (hình 1.5), gồm 3 bước như sau [82, 91, 92]:
Hình 1.5. Thuật toán docking xây dựng gia tăng
Lựa chọn mảnh cơ sở: mảnh cơ sở được tách ra từ ligand sao cho số lượng nhóm có khả năng tạo tương tác là lớn nhất và số lượng cấu dạng của mảnh cơ sở trong vùng gắn kết là nhỏ nhất. Sau khi lựa chọn được mảnh cơ sở, phần còn lại của ligand được tự động chia thành nhiều mảnh.
Định vị mảnh cơ sở: việc định vị mảnh cơ sở dựa trên thuật toán tam giác phân. Bề mặt vùng tương tác của mục tiêu được chuyển thành một tập hợp giới hạn các điểm tương tác, còn mảnh cơ sở được phân tích thành các trung tâm tương tác. Mảnh cơ sở được định vị vào vùng hoạt động bằng cách ánh xạ từng cặp 3 trung tâm tương tác của mảnh cơ sở lên 3 điểm tương tác của mục tiêu. Các vị trí của mảnh cơ sở được tập hợp lại và sàng lọc để tập hợp lại theo nhóm các vị trí có tương tác gần giống nhau với mục tiêu hay cùng một cấu dạng nhưng tạo được tương tác với nhiều bộ ba điểm tương tác khác nhau. Cuối cùng, các vị trí tốt nhất của mảnh cơ sở được lựa chọn từ các nhóm trên.
Xây dựng cấu dạng gắn kết của ligand: từ tập hợp vị trí của các mảnh cơ sở, các mảnh còn lại của ligand được lắp ráp theo thứ tự vào mảnh cơ sở để tìm ra những vị trí có năng lượng liên kết thấp nhất. Quá trình này được thực hiện bằng thuật toán xây dựng gia tăng.
Hình 1.6. Phép tam giác phân đặt ligand vào điểm gắn kết của protein