1.3. Mô hình in silico trong sàng lọc tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm
1.3.3. Mô phỏng docking protein
Kết quả của việc sử dụng PPIN ở trên là ta tìm được các protein bậc cao có vai trò trọng yếu bảo tồn cấu trúc tổng thể của PPIN. Tiếp theo, ta sẽ sử dụng phương pháp Protein docking để tìm ra thuốc phù hợp và khả thi nhất trong việc triệt tiêu các protein bậc cao vừa tìm được.
Phương pháp Protein docking ra đời từ những năm 1980, được sử dụng phổ biến trong quá trình thiết kế thuốc dựa trên cấu trúc với khả năng dự đoán sự hình thành liên kết của cấu tử với receptor trong túi liên kết với độ chính xác khá cao [31]. Không những chỉ ra được các liên kết có ý nghĩa, docking còn có thể định lượng khả năng tương tác thông qua các hàm tính điểm, qua đó phân hạng các liên kết mạnh yếu của các cấu tử [32]. Nhờ ưu điểm thực hiện trên máy tính với tốc độ càng ngày càng nhanh và chính xác, protein docking dần được coi là bước khởi đầu cho nghiên cứu thiết kế thuốc hiện đại.
Docking thực chất là một bài toán tối ưu, tìm vị trí và cấu hình phù hợp nhất của một cơ chất gắn kết lên protein. Về mặt nhiệt động lực học, mục tiêu chính của docking là tìm ra cấu hình mà năng lượng tự do của toàn hệ là thấp nhất, tương đương với cấu hình bền nhất sau khi tạo thành liên kết giữa phối tử và
21
protein. Để tìm cấu hình phù hợp nhất, cần liên hệ cấu hình không gian với các trị số đánh giá được khả năng gắn kết của cơ chất lên protein và sau đó áp dụng thuật toán tìm kiếm .
Chương trình docking sử dụng các hàm tính điểm (scoring function) để lượng giá khả năng liên kết của phức hợp cấu tử - receptor. Năng lượng này được cho bởi hằng số liên kết (Kd) và năng lượng tự do Gibbs (ΔG). Dự đoán về năng lượng liên kết được thực hiện bằng cách đánh giá những tương tác hóa lý quan trọng bao gồm: các tương tác liên phân tử, các ảnh hưởng solvat và entropy. Do đó, số lượng các tham số hoá lý được đánh giá càng lớn thì độ chính xác càng cao.
Tuy nhiên, nếu số lượng biến càng lớn thì thời gian tính toán sẽ càng lâu. Các hàm tính điểm hiệu quả nên đưa ra sự cân bằng giữa độ chính xác và tốc độ.
Hình 1.6. Mô phỏng docking – một phương pháp nghiên cứu thuốc dựa trên cấu trúc đích phân tử
Quá trình docking được thực hiện thông qua ba bước: chuẩn bị cấu tử, chuẩn bị protein, mô phỏng docking.
Bước 1: Chuẩn bị cấu tử
Các cấu trúc được tải về từ cơ sở dữ liệu có sẵn hoặc vẽ bằng các phần mềm như ChemDraw. Sau đó, các cấu trúc được đưa vào phần mềm MOE để xử lý:
chỉnh sửa điện tích nếu cần, tối ưu hóa năng lượng và gắn trường lực phù hợp cho phân tử.
Bước 2: Chuẩn bị protein
22
Cấu trúc 3D của protein thường có sẵn trên ngân hàng dữ liệu protein (protein data bank, https://www.rcsb.org/).
Sau khi có cấu trúc 3D, sử dụng các phần mềm để chuẩn bị protein cho chương trình mô phỏng docking. Các bước chuẩn bị thường gồm: loại các cấu tử không cần thiết như nước hoặc các ion, phối tử không liên quan , thêm hydro, gắn trường lực, phân tích vùng có khả năng tương tác…
Bước 3: Mô phỏng docking
Trước khi tiến hành mô phỏng, cần sử dụng phần mềm để tìm kiếm vùng liên kết trong protein để đánh giá khả năng liên kết của các phối tử tại vị trí đó.
Vị trí của vùng tìm kiếm thông thường sẽ được đặt ở trung tâm hoạt động của protein. Khi quá trình docking được tiến hành, phần mềm sẽ tự động tìm kiếm cấu dạng phù hợp nhất của phối tử, tương ứng với năng lượng của toàn hệ thấp nhất.
Cấu dạng này cùng với các tương tác sẽ được phân tích bởi các phần mềm chuyên dụng như: MOE, Discovery studio.
23