الالتحام (الجزيئي)

تصف طرق المطابقة الهندسية/تكامل الشكل البروتين والربيطة كمجموعة من الخصائص التي تجعلهما قابلين للالتحام. ^{[ 11 ]} قد تشمل هذه الخصائص واصفات السطح الجزيئي / السطح التكميلي . في هذه الحالة، يُوصف السطح الجزيئي للمستقبل من حيث مساحة سطحه المعرض للمذيب ، بينما يُوصف السطح الجزيئي للربيطة من حيث وصف سطحه المطابق. يُمثل التكامل بين السطحين وصف مطابقة الشكل الذي قد يُساعد في إيجاد الوضع التكميلي لالتحام جزيئات الهدف والربيطة. ثمة نهج آخر يتمثل في وصف الخصائص الكارهة للماء للبروتين باستخدام الانحناءات في ذرات السلسلة الرئيسية. وهناك نهج آخر يتمثل في استخدام تقنية واصف شكل فورييه. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} في حين أن الطرق القائمة على تكامل الشكل عادةً ما تكون سريعة وقوية، إلا أنها لا تستطيع عادةً نمذجة الحركات أو التغيرات الديناميكية في تكوينات الربيطة/البروتين بدقة، على الرغم من أن التطورات الحديثة تسمح لهذه الطرق بدراسة مرونة الربيطة. تستطيع طرق التكامل الشكلي مسح آلاف الروابط بسرعة في غضون ثوانٍ، وتحديد ما إذا كانت قادرة على الارتباط بالموقع النشط للبروتين ، وعادةً ما تكون قابلة للتطبيق على نطاق واسع حتى على تفاعلات البروتين-بروتين. كما أنها أكثر ملاءمةً للأساليب القائمة على النماذج الدوائية ، لأنها تستخدم الأوصاف الهندسية للروابط لإيجاد الارتباط الأمثل.

تُعدّ محاكاة عملية الالتحام أكثر تعقيدًا. في هذا النهج، يُفصل البروتين والرابط بمسافة فيزيائية محددة، ويجد الرابط موضعه في الموقع النشط للبروتين بعد عدد معين من "الحركات" في فضاء التشكيل الخاص به. تشمل هذه الحركات تحولات الجسم الصلب، مثل الانتقالات والدورانات، بالإضافة إلى تغييرات داخلية في بنية الرابط، بما في ذلك دوران زوايا الالتواء. تُحدث كل حركة من هذه الحركات في فضاء تشكيل الرابط تكلفة طاقية إجمالية للنظام. لذا، تُحسب الطاقة الكلية للنظام بعد كل حركة.

تتمثل الميزة الواضحة لمحاكاة الالتحام في سهولة دمج مرونة الليجاند، بينما تتطلب تقنيات تكامل الشكل استخدام أساليب مبتكرة لدمج هذه المرونة. كما أنها تحاكي الواقع بدقة أكبر، في حين أن تقنيات تكامل الشكل تُعدّ أقرب إلى التجريد.

من الواضح أن المحاكاة مكلفة حسابيًا، إذ تتطلب استكشاف نطاق واسع من الطاقة. وقد ساهمت التقنيات القائمة على الشبكات، وأساليب التحسين، وزيادة سرعة الحاسوب في جعل محاكاة الالتحام أكثر واقعية.

تتألف مساحة البحث نظريًا من جميع التوجهات والتشكيلات الممكنة للبروتين المقترن بالرابط. مع ذلك، عمليًا، وباستخدام الموارد الحاسوبية الحالية، يستحيل استكشاف مساحة البحث بشكل شامل، إذ يتطلب ذلك حصر جميع التشوهات الممكنة لكل جزيء (فالجزيئات ديناميكية وتوجد في مجموعة من الحالات التشكيلية) وجميع التوجهات الدورانية والانتقالية الممكنة للرابط بالنسبة للبروتين عند مستوى معين من الدقة . تأخذ معظم برامج الالتحام المستخدمة في الحسبان كامل مساحة التشكيل للرابط (الرابط المرن)، ويحاول العديد منها نمذجة مستقبل بروتيني مرن. تُسمى كل "لقطة" للزوج "وضعًا " . ^{[ 16 ]}

تم تطبيق مجموعة متنوعة من استراتيجيات البحث عن التشكيلات الفراغية على الرابطة والمستقبل. وتشمل هذه الاستراتيجيات ما يلي:

• عمليات بحث منهجية أو عشوائية عن الالتواءات حول الروابط القابلة للدوران
• محاكاة الديناميكا الجزيئية
• الخوارزميات الجينية "لتطوير" تشكيلات جديدة منخفضة الطاقة، حيث تعمل درجة كل وضعية كدالة لياقة تُستخدم لاختيار الأفراد للتكرار التالي.

تُنتج برامج الالتحام عددًا كبيرًا من وضعيات الربيطة المحتملة، والتي يمكن رفض بعضها فورًا بسبب تداخلها مع البروتين. أما الوضعيات المتبقية، فيتم تقييمها باستخدام دالة تقييم، تأخذ الوضعية كمدخل وتُرجع رقمًا يُشير إلى احتمالية أن تُمثل هذه الوضعية تفاعل ارتباط مُلائم، وتُصنف كل ربيطة على حدة.

تعتمد معظم دوال التقييم على مجالات القوى الميكانيكية الجزيئية القائمة على الفيزياء، والتي تُقدّر طاقة الوضع داخل موقع الارتباط. ويمكن كتابة المساهمات المختلفة في الارتباط كمعادلة جمعية.

${\displaystyle \bigtriangleup G_{bind}=\bigtriangleup G_{solvent}+\bigtriangleup G_{conf}+\bigtriangleup G_{int}+\bigtriangleup G_{rot}+\bigtriangleup G_{t/t}+\bigtriangleup G_{vib}}$

تتكون المكونات من تأثيرات المذيب، والتغيرات البنيوية في البروتين والرابط، والطاقة الحرة الناتجة عن تفاعلات البروتين مع الرابط، والدوران الداخلي، وطاقة ارتباط الرابط والمستقبل لتكوين معقد واحد، والطاقة الحرة الناتجة عن التغيرات في أنماط الاهتزاز. ^{[ 28 ]} تشير الطاقة المنخفضة (السالبة) إلى نظام مستقر، وبالتالي تفاعل ارتباط محتمل.

تستخدم الأساليب البديلة وظائف تسجيل معدلة لتضمين قيود تستند إلى تفاعلات البروتين-الرابط الرئيسية المعروفة، ^{[ 29 ]} أو إمكانات قائمة على المعرفة مستمدة من التفاعلات التي لوحظت في قواعد بيانات كبيرة لهياكل البروتين-الرابط (مثل بنك بيانات البروتين ). ^{[ 30 ]}

تتوفر العديد من البنى المُحددة بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية للمركبات بين البروتينات والروابط ذات الألفة العالية، بينما تتوفر بنى أقل نسبيًا للروابط ذات الألفة المنخفضة، نظرًا لأن هذه المركبات الأخيرة تميل إلى أن تكون أقل استقرارًا، وبالتالي أكثر صعوبة في التبلور. تستطيع دوال التقييم المُدرَّبة باستخدام هذه البيانات تحديد مواقع ارتباط الروابط ذات الألفة العالية بشكل صحيح، ولكنها ستُعطي أيضًا تكوينات ارتباط مُحتملة لروابط لا ترتبط بالبروتين. ينتج عن ذلك عدد كبير من النتائج الإيجابية الخاطئة ، أي روابط يُتوقع ارتباطها بالبروتين ولكنها في الواقع لا ترتبط به عند وضعها معًا في أنبوب اختبار.

إحدى طرق تقليل عدد النتائج الإيجابية الخاطئة هي إعادة حساب طاقة الوضعيات الأعلى تقييمًا باستخدام تقنيات (ربما) أكثر دقة ولكنها أكثر كثافة حسابية مثل طرق بورن المعممة أو بواسون-بولتزمان . ^{[ 10 ]}

تمثل دقة الالتحام ^{[ 33 ] [ 34 ]} أحد مقاييس قدرة برنامج الالتحام على محاكاة وضعية ارتباط الليجاند المرصودة تجريبياً. ^{[ 35 ]} ويتم عادةً قياس مدى ملاءمة البرنامج بحساب الانحراف التربيعي المتوسط ​​(RMSD) للذرات غير الهيدروجينية بين وضعية الالتحام والبنية التجريبية. ^{[ 32 ]}

تُعتبر قيمة RMSD الأقل من 2.0 أنغستروم مؤشراً شائعاً على نجاح نموذج الالتحام. ^{[ 32 ] [ 36 ]} ومع ذلك، ولأن قيمة RMSD تزداد عموماً مع ازدياد عدد الذرات الثقيلة في الرابطة، فقد يكون من الأنسب استخدام حد أدنى أكثر تساهلاً للجزيئات الأكبر حجماً.

من المهم الإشارة إلى أنه لا ينبغي استخدام متوسط ​​الانحراف التربيعي الجذري (RMSD) وحده لتقييم جودة الالتحام الجزيئي. يجب أن يشمل التقييم الشامل أيضًا قدرة البرنامج على إعادة إنتاج التفاعلات الرئيسية بين الربيطة والمستقبل، ومدى معقولية التكوينات الناتجة. يكتسب هذا الأمر أهمية خاصة عند استخدام مناهج الالتحام الجزيئي القائمة على التعلم العميق. ^{[ 37 ]}

يمكن تقييم عمليات فحص الالتحام بناءً على قدرتها على إثراء الروابط النشطة المعروفة من قاعدة بيانات كبيرة من جزيئات " الطعم " المفترضة غير المرتبطة. ^{[ 31 ] [ 38 ]} في هذا النهج، يتم تقييم أداء بروتوكول الالتحام من خلال قدرته على تصنيف عدد قليل من المركبات النشطة المعروفة ضمن الجزء العلوي من الجزيئات التي تم فحصها، على الرغم من وجود عدد أكبر بكثير من جزيئات الطعم.

يُحدد عامل الإثراء (EF) هذه القدرة على التعرف المبكر. ويُعرّف على النحو التالي:

${\displaystyle EF_{x}={\frac {N_{\text{active x}}/N_{x}}{N_{\text{active total}}/N_{\text{total}}}}}$

أين:

• يمثل N _{active x} عدد المركبات النشطة الموجودة في أعلى x% من القائمة المصنفة،
• يمثل N _X عدد الجزيئات الموجودة في أعلى x% من القائمة المصنفة،
• يمثل N _{active total} العدد الإجمالي للمركبات النشطة في مجموعة البيانات،
• يمثل N _total العدد الإجمالي للجزيئات في مجموعة البيانات.

وبالتالي، تقارن قيمة EF نسبة العناصر النشطة المسترجعة في المجموعة الفرعية الأعلى تصنيفًا بالنسبة المتوقعة من خلال الاختيار العشوائي. وتشير قيمة EF الأكبر من 1 إلى إثراء يتجاوز الأداء العشوائي.

على وجه الخصوص، يقيس EF _1% الإثراء ضمن أعلى 1% من قاعدة البيانات المصنفة ويستخدم عادة لتقييم أداء التعرف المبكر في الفحص الافتراضي، حيث يكون تحديد المركبات النشطة في أعلى القائمة أمرًا بالغ الأهمية.

بالإضافة إلى عامل الإثراء (EF)، تُستخدم المساحة تحت منحنى خصائص تشغيل المستقبل (ROC) على نطاق واسع لتقييم أداء الفرز عبر القائمة المصنفة بأكملها. ^{[ 38 ]}

تخضع النتائج الإيجابية المستخلصة من فحوصات الالتحام الجزيئي للتحقق الدوائي (مثل قياسات IC50 _{، أو الألفة} ، أو الفعالية ). ولا تُعدّ الدراسات المستقبلية وحدها دليلاً قاطعاً على ملاءمة تقنية ما لهدف معين. ^{[ 39 ]} في حالة مستقبلات البروتين المقترن بـ G (GPCRs)، التي تُمثل أهدافاً لأكثر من 30% من الأدوية المُسوّقة، أدى الالتحام الجزيئي إلى اكتشاف أكثر من 500 ربيطة GPCR. ^{[ 40 ] [ 15 ]}

يمكن تقييم قدرة برامج الالتحام على إعادة إنتاج أنماط الارتباط كما تم تحديدها بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية من خلال مجموعة من مجموعات معايير الالتحام.

بالنسبة للجزيئات الصغيرة، توجد العديد من مجموعات البيانات المرجعية للالتحام والفحص الافتراضي، على سبيل المثال: مجموعة Astex Diverse التي تتكون من هياكل بلورية عالية الجودة لبروتين-رابطة تم الحصول عليها بالأشعة السينية، ^{[ 41 ]} ودليل الطعوم المفيدة (DUD) لتقييم أداء الفحص الافتراضي، ^{[ 31 ]} ومجموعة بيانات LEADS -FRAG للقطع، ^{[ 42 ]} ومجموعة بيانات LIT-PCBA للتعلم الآلي والفحص الافتراضي. ^{[ 43 ]}

بالإضافة إلى تطوير مجموعات البيانات، أُجريت تقييمات مقارنة واسعة النطاق. يوفر التقييم المقارن لوظائف التسجيل (CASF) معيارًا منهجيًا لوظائف الالتحام والتسجيل باستخدام معقدات البروتين-الرابطة المعيارية. ^{[ 44 ]} يُقيّم CASF جوانب متعددة من الأداء، بما في ذلك قوة الالتحام (توقع الوضع)، وقوة التسجيل (توقع ألفة الارتباط)، وقوة الترتيب، وقوة الفرز. وقد أبرزت نتائج دراسات CASF تباينًا كبيرًا بين برامج الالتحام ووظائف التسجيل، مؤكدةً أنه لا توجد طريقة واحدة تتفوق باستمرار على غيرها في جميع معايير التقييم.

يمكن تقييم برامج الالتحام من حيث قدرتها على إعادة إنتاج أنماط ارتباط الببتيد باستخدام برنامج LEADS-PEP ( دروس لتقييم كفاءة الالتحام والتسجيل ). ^{[ 45 ]}