Molecular dynamics simulations and drug discoveryAbstrakUlasan ini membahas banyak peran simulasi komputer atomistik makromolekul (misalnya, protein) dan reseptor terkait ligan molekul kecil mereka bisa bermain dalam penemuan obat, termasuk identifikasi situs mengikat samar atau alosterik, peningkatan metodologi virtual-skrining tradisional, dan prediksi langsung dari energi yang mengikat molekul kecil.Keterbatasan metodologi simulasi saat ini, termasuk biaya komputasi yang tinggi dan perkiraan kekuatan molekul yang diperlukan, juga dibahas.Dengan perbaikan konstan dalam kedua daya komputer dan desain algoritma, masa depan desain obat dibantu komputer cukup menjanjikan;simulasi dinamika molekul cenderung memainkan peran yang semakin penting.Kata kunci:simulasi dinamika molekul, penemuan obat dibantu komputer, situs mengikat samar, situs mengikat alosterik, skrining virtual, prediksi-energi bebas

PengantarRichard Feynman, penerima tahun 1965 Penghargaan Nobel dalam Fisika, pernah terkenal menyatakan: "Jika kita menyebutkan asumsi paling kuat dari semua, yang menyebabkan orang dan terus dalam upaya untuk memahami kehidupan, itu adalah bahwa segala sesuatu terbuat dari atom, dan bahwa segala sesuatu bahwa makhluk hidup tidak dapat dipahami dalam hal jigglings dan wigglings atom. "Sebagian besar biofisika dari 50 tahun terakhir telah didedikasikan untuk lebih memahami sifat ini bergoyang atom dan menggeliat.Hukum kuantum mekanik yang mengatur gerakan di dunia mikroskopis secara mengejutkan asing untuk mereka yang akrab dengan dinamika makroskopik.Gerakan diatur oleh undang-undang tidak deterministik, tetapi dengan fungsi probabilitas;ikatan kimia terbentuk tidak secara mekanis, tetapi dengan menggeser awan elektron yang bersamaan gelombang dan partikel.Sebagai Feynman fasih menaruhnya, ini adalah 'alam seperti dia - tidak masuk akal' [1].Memahami gerakan molekul masuk akal tidak diragukan lagi erat dengan penemuan obat.Awal 'lock-and-key' teori ligan mengikat [2], di mana beku, reseptor bergerak dianggap mengakomodasi molekul kecil tanpa mengalami apapun penyusunan ulang konformasi, sebagian besar telah ditinggalkan demi model mengikat yang menjelaskan tidak hanya untuk perubahan konformasi, tetapi juga untuk bergoyang acak reseptor dan ligan [3-7].Protein moluska asetilkolin mengikat (AChBP), pengganti struktural dan fungsional dari reseptor nicotinic acetylcholine manusia (AChR) ligan-mengikat domain [8-11], adalah salah satu contoh yang tak terhitung jumlahnya yang menggambarkan pentingnya akuntansi untuk gerakan ini atomistik (Gambar(Gambar 1).1).Dalam struktur kristalografi molekul kecil AChR agonis terikat AChBP, loop kunci (lingkaran C) sebagian menutup sekitar ligan (Gambar1a, c).Sebaliknya, struktur kristal antagonis AChR besar seperti ular -neurotoksin terikat AChBP mengungkapkan bahwa loop yang sama ini dipindahkan sebanyak 10 , menghasilkan situs aktif yang jauh lebih terbuka (Gambar1b, c) [12].Bourneet al.[12] mengusulkan bahwa AChBP terikat dan AChR adalah protein yang sangat dinamis itu, dengan tidak adanya ligan, sampel banyak negara konformasi, baik terbuka dan tertutup, yang selektif distabilkan oleh pengikatan agonis dan antagonis.Setiap salah satu konformasi mengikat saku mungkin druggable dan karena farmakologi yang relevan.Jika model umum ini ligan mengikat benar, implikasinya bagi struktur berbasis desain obat yang mendalam, sebagai prinsip yang sama mengikat mungkin berlaku untuk banyak sistem lain juga.

Gambar 1Konformasi yang berbeda asetilkolin mengikat protein dariLymnaea stagnalis.Bagian dari protein telah dihapus untuk memfasilitasi visualisasi.(a)Protein dalam konformasi tertutup dengan nikotin terikat (PDB ID:1UW6.), diperlihatkan dengan warna biru...Simulasi dinamika molekulSementara studi kristalografi seperti ini meyakinkan menunjukkan fleksibilitas protein memainkan peran penting dalam ligan mengikat, biaya dan tenaga kerja yang luas yang dibutuhkan untuk menghasilkan mereka telah membuat banyak orang mencari teknik komputasi yang dapat memprediksi gerakan protein.Sayangnya, perhitungan yang diperlukan untuk menjelaskan gerakan kuantum mekanik absurd dan reaksi kimia sistem molekul besar sering terlalu kompleks dan komputasi intensif bahkan untuk superkomputer terbaik.Dinamika molekul (MD) simulasi, pertama kali dikembangkan pada akhir 1970-an [13], berusaha untuk mengatasi keterbatasan ini dengan menggunakan pendekatan sederhana berdasarkan fisika Newton untuk mensimulasikan gerakan atom, sehingga mengurangi kompleksitas komputasi.Proses umum pendekatan yang digunakan diuraikan dalam GambarFigure2.2.Pertama, model komputer dari sistem molekul dibuat dari resonansi magnetik nuklir (NMR), kristalografi, atau data-homology modeling.Gaya yang bekerja pada masing-masing atom sistem kemudian diperkirakan dari persamaan seperti yang ditunjukkan pada GambarFigure33[14].Secara singkat, pasukan yang timbul dari interaksi antara atom terikat dan non-berikat berkontribusi.Ikatan kimia dan sudut atom dimodelkan menggunakan mata air maya yang sederhana, dan sudut dihedral (yaitu, rotasi tentang ikatan) dimodelkan menggunakan fungsi sinusoidal yang mendekati perbedaan energi antara gerhana dan terhuyung-huyung konformasi.Pasukan Non-terikat timbul karena van der Waals interaksi, dimodelkan menggunakan Lennard-Jones 6-12 potensial [15], dan dikenakan biaya (elektrostatik) interaksi, dimodelkan menggunakan hukum Coulomb.Untuk lebih mendalam tinjauan menggambarkan bagaimana persamaan menggambarkan interaksi ini parameter, lihat [14].

Gambar 2Skema menunjukkan bagaimana sebuah simulasi dinamika molekul dilakukan.Pertama, model komputer dari sistem reseptor-ligan siap.Persamaan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 digunakan untuk memperkirakan gaya yang bekerja pada masing-masing atom sistem.Posisi...

Gambar 3Sebuah contoh dari persamaan yang digunakan untuk mendekati kekuatan atom yang mengatur gerakan molekul.Pasukan atom yang mengatur gerakan molekul dapat dibagi menjadi yang disebabkan oleh interaksi antara atom yang secara kimiawi terikat satu sama lain dan...Dalam rangka untuk mereproduksi perilaku aktual dari molekul nyata dalam gerakan, istilah energi yang dijelaskan di atas parameter untuk menyesuaikan perhitungan kuantum mekanik dan eksperimental (misalnya, spektroskopi) data.Parameterisasi ini termasuk mengidentifikasi kekakuan ideal dan panjang dari mata air yang menggambarkan ikatan kimia dan sudut atom, menentukan yang terbaik biaya atom parsial digunakan untuk menghitung energi elektrostatik-interaksi, mengidentifikasi tepat van der Waals jari-jari atom, dan sebagainya.Secara kolektif, parameter ini disebut 'tenaga lapangan' karena mereka menjelaskan sumbangan dari berbagai kekuatan atom yang mengatur dinamika molekul.Beberapa medan gaya yang umum digunakan dalam simulasi dinamika molekul, termasuk AMBER [14,16], CHARMM [17], dan GROMOS [18].Ini berbeda terutama dalam cara mereka parameter tetapi umumnya memberikan hasil yang sama.Setelah gaya yang bekerja pada masing-masing atom sistem telah dihitung, posisi atom ini bergerak sesuai dengan hukum-hukum Newton tentang gerak.Waktu simulasi kemudian maju, sering dengan hanya 1 atau 2 quadrillionths detik, dan proses ini diulang, biasanya jutaan kali.Karena begitu banyak perhitungan yang diperlukan, simulasi dinamika molekul biasanya dilakukan pada cluster komputer atau superkomputer menggunakan puluhan jika tidak ratusan prosesor secara paralel.Banyak paket perangkat lunak simulasi paling populer, yang sering menanggung nama yang sama seperti medan gaya default (misalnya AMBER [19], CHARMM [17], dan NAMD [20,21]), yang kompatibel dengan Message Passing Interface ( MPI), sistem pesan komputer-ke-komputer yang sangat memudahkan pelaksanaan tugas kompleks dengan satu aplikasi perangkat lunak pada beberapa prosesor yang beroperasi secara bersamaan.Sedangkan utilitas simulasi dinamika molekul tidak boleh dilebih-lebihkan, sejumlah studi membandingkan simulasi ini dengan data eksperimen telah digunakan untuk memvalidasi teknik komputasi [22].Data NMR sangat berguna, karena banyak reseptor dan ligan konformasi sampel oleh simulasi dinamika molekul dapat digunakan untuk memprediksi pengukuran NMR seperti berputar relaksasi, memungkinkan perbandingan langsung antara teknik eksperimental dan teoritis.Memang, sejumlah studi telah menunjukkan kesepakatan yang baik antara pengukuran eksperimental dan komputasi dinamika makromolekul [23-26].Simulasi dinamika molekul: keterbatasan saatKeberhasilan ini samping, kegunaan simulasi dinamika molekul masih dibatasi oleh dua tantangan utama [27]: bidang gaya yang digunakan memerlukan perbaikan lebih lanjut, dan tuntutan komputasi tinggi melarang simulasi rutin lebih besar dari mikrodetik panjang, menyebabkan dalam banyak kasus ke tidak memadai sampling negara konformasi.Sebagai contoh tuntutan komputasi yang tinggi, menganggap bahwa simulasi satu mikrodetik dari sistem yang relatif kecil (sekitar 25.000 atom) yang berjalan pada prosesor 24 membutuhkan waktu beberapa bulan untuk menyelesaikan.Selain tantangan yang berhubungan dengan tuntutan komputasi tinggi simulasi ini, medan gaya yang digunakan juga pendekatan dari realitas kuantum mekanik yang memerintah dalam rezim atom.Sementara simulasi secara akurat dapat memprediksi banyak gerakan molekul penting, simulasi ini kurang cocok untuk sistem di mana efek kuantum yang penting, misalnya, ketika atom logam transisi yang terlibat dalam mengikat.Untuk mengatasi tantangan ini, beberapa peneliti telah memperkenalkan perhitungan kuantum mekanik ke bidang molekul-dinamika kekuatan klasik;gerakan dan reaksi dari situs aktif enzimatik atau area terbatas lainnya yang menarik disimulasikan sesuai dengan hukum mekanika kuantum, dan gerakan dari sistem yang lebih besar yang diperkirakan menggunakan dinamika molekuler.Sementara jauh dari komputasi keras 'ideal' menggunakan mekanika kuantum untuk menggambarkan seluruh sistem, teknik hybrid ini tetap berhasil digunakan untuk mempelajari sejumlah sistem.Misalnya, dalam satu simulasi terbaruDesulfovibrio desulfuricansdanClostridium pasteurianum[Fe-Fe] hidrogenase, sebuah 'QM [kuantum mekanik] wilayah' didefinisikan meliputi wilayah yang mengandung logam dari protein dianggap katalis penting, dan sisa protein disimulasikan dengan menggunakan dinamika molekular klasik [28].Simulasi menunjukkan transfer proton penting di wilayah QM, acara ikatan-pecah dan ikatan-formasi yang tidak bisa dimodelkan dengan medan gaya tradisional.Mekanisme katalitik yang dihipotesiskan kemudian didukung oleh bukti eksperimental.Selain melanggar obligasi dan pembentukan, polarisasi elektronik, yang disebabkan oleh aliran elektron dari satu inti atom ke yang lain di antara kelompok atom yang terikat secara kimia, adalah efek mekanika kuantum lain yang, dengan beberapa pengecualian, umumnya diabaikan.Dalam simulasi dinamika molekular klasik, setiap atom diberi muatan parsial tetap sebelum simulasi dimulai.Namun dalam kenyataannya, awan elektron yang mengelilingi atom selalu berubah sesuai dengan lingkungan mereka, sehingga biaya parsial atom akan lebih baik direpresentasikan sebagai dinamis dan responsif.Meskipun kesepakatan luas tentang pentingnya akuntansi untuk polarisasi elektronik, setelah 30 tahun pembangunan yang berlaku umum medan gaya terpolarisasi belum datang, dan simulasi dinamika molekul menggunakan bidang-bidang kekuatan yang tersedia adalah langka [29].Namun demikian, sejumlah medan gaya terpolarisasi saat ini sedang dikembangkan [30], dan implementasi di masa depan dapat menyebabkan peningkatan akurasi.Selain mengabaikan efek mekanika kuantum, studi dinamika molekul juga dibatasi oleh waktu yang singkat timbangan biasanya disimulasikan.Untuk mereproduksi sifat termodinamika dan / atau untuk sepenuhnya menjelaskan semua konfigurasi mengikat kantong yang relevan dengan desain obat, semua kemungkinan negara konformasi dari protein harus dieksplorasi oleh simulasi.Sayangnya, banyak proses biokimia, termasuk reseptor pergeseran konformasi relevan dengan obat mengikat, terjadi pada skala waktu yang lebih lama daripada mereka yang setuju untuk simulasi.Dengan beberapa pengecualian penting [31], simulasi saat ini terbatas pada paling sepersejuta detik;memang, kebanyakan simulasi diukur dalam miliar detik.Sejumlah solusi untuk tantangan ini telah melihat penggunaan yang terbatas.Misalnya, dalam dinamika molekul dipercepat (AMD) [32,33], hambatan energi besar secara artifisial berkurang.Meskipun proses ini pasti memperkenalkan beberapa artefak, itu tidak memungkinkan protein untuk beralih antara konformasi yang tidak akan dapat diakses mengingat skala waktu dinamika molekuler konvensional.Ini konformasi baru kemudian dapat lebih dipelajari dengan menggunakan dinamika molekular klasik atau teknik lainnya.Hardware Novel juga telah digunakan untuk mengatasi keterbatasan-skala waktu simulasi dinamika molekul konvensional.Banyak perhitungan yang sama diperlukan untuk simulasi ini biasanya dilakukan oleh permainan video dan komputer-aplikasi grafis.Akibatnya, sama graphics-processing-unit (GPU) yang dirancang untuk mempercepat video game dapat digunakan untuk mempercepat simulasi dinamika molekul juga, biasanya dengan urutan besarnya [34-36].Tidak puas dengan hanya mengadaptasi kode molekul-dinamika untuk berjalan pada prosesor grafis khusus, beberapa insinyur telah merancang prosesor baru yang khusus untuk simulasi ini.Kelompok riset dari DE Shaw adalah salah satu pendukung penting dari pendekatan ini.Mereka telah membangun superkomputer nama kode Anton mampu melakukan mikrodetik simulasi per hari.Dengan Anton, simulasi lebih dari satu milidetik [31] telah berhasil menangkap protein folding dan unfolding serta obat-mengikat peristiwa [37].Kekurangan tentu masih ada, tetapi ini dan teknik masa depan lainnya mungkin akan membuat kemajuan besar dalam mengatasi keterbatasan saat sampling konformasi.Simulasi dinamika molekul dan penemuan obatKelemahan dalam bidang saat ini kekuatan dan pengambilan sampel konformasi samping, simulasi dinamika molekul dan wawasan yang mereka tawarkan menjadi gerak protein sering memainkan peran penting dalam penemuan obat.Sama seperti satu foto dari seorang pelari menceritakan sedikit tentang langkahnya, konformasi protein tunggal menceritakan sedikit tentang dinamika protein.Model statis yang dihasilkan oleh NMR, kristalografi sinar-X, dan pemodelan homologi memberikan wawasan berharga struktur makromolekul, tapi pengakuan molekul dan obat mengikat adalah proses yang sangat dinamis.Ketika molekul kecil seperti obat (misalnya, ligan) mendekati target (misalnya, reseptor a) dalam larutan, dia menemui bukan satu, struktur beku, melainkan makromolekul dalam gerakan konstan.Dalam beberapa kasus yang jarang terjadi, gerakan protein terbatas, dan ligan dapat masuk ke dalam saku mengikat cukup statis seperti cocok kunci ke kunci [2].Lebih biasanya, ligan dapat mengikat dan menstabilkan hanya sebagian dari banyak konformasi sampel oleh reseptor yang dinamis, menyebabkan populasi semua konformasi yang mungkin bergeser ke arah orang-orang yang paling dapat mengakomodasi mengikat [4-7].Setelah mengikat, ligan lebih lanjut dapat menyebabkan perubahan konformasi yang tidak biasanya sampel ketika ligan tidak ada [38].Terlepas dari itu, gerakan reseptor jelas memainkan peran penting dalam pengikatan paling obat molekul kecil.Beberapa teknik telah dikembangkan untuk memanfaatkan informasi tentang gerakan ini bahwa simulasi dinamika molekul dapat menyediakan.Mengidentifikasi situs mengikat samar dan alosterikNMR dan X-ray kristalografi struktur sering mengungkapkan kantong mengikat didefinisikan dengan baik yang mengakomodasi ligan endogen;Namun, kadang-kadang model yang dihasilkan oleh teknik eksperimental jelas situs tersebut yang berpotensi druggable.Sebagai situs tersebut tidak segera jelas dari struktur yang tersedia, mereka kadang-kadang disebut situs mengikat samar.Simulasi dinamika molekul adalah alat yang sangat baik untuk mengidentifikasi situs tersebut [39-41].Sebagai contoh, pada tahun 2004 Schameset al.[39] melakukan simulasi dinamika molekul integrase HIV, target obat yang tidak tampak setuju untuk struktur berbasis desain obat.Simulasi mengungkapkan parit yang sebelumnya tak dikenal yang tidak jelas dari salah satu struktur kristal yang tersedia.Kristalografi sinar-X kemudian menunjukkan bahwa inhibitor diketahui pada kenyataannya mengikat dalam parit samar ini, seperti yang diperkirakan.Hasil ini menyebabkan studi eksperimental baru di Merck & Co [42];pengembangan lebih lanjut pada akhirnya mengakibatkan produksi raltegravir obat antiretroviral yang sangat efektif, pertama US Food and Drug Administration-disetujui HIV inhibitor integrase.Selain dari situs mengikat samar, simulasi dinamika molekul juga dapat digunakan untuk mengidentifikasi situs alosterik druggable.Dalam satu penelitian terbaru, Ivetac dan McCammon [43] dilakukan simulasi dari manusia1(1AR) dan 2(2AR) reseptor adrenergik.Beberapa konformasi protein yang diambil dari simulasi ini, dan permukaan protein komputasi 'dibanjiri' dengan probe organik kecil dengan menggunakan FTMAP [44] untuk mengidentifikasi situs mengikat potensial.Daerah permukaan protein mana probe organik secara konsisten berkumpul di beberapa struktur kemudian diidentifikasi sebagai situs alosterik potensial.Secara keseluruhan, lima lokasi potensial diidentifikasi, beberapa di antaranya tidak jelas dalam salah satu struktur kristal yang ada.Pergi ke:Meningkatkan identifikasi komputasi binder kecil-molekul benar: skema kompleks santaiSalah satu teknik yang umum digunakan untuk mengidentifikasi prekursor obat potensialin silicoadalah skrining virtual.Sebuah program docking digunakan untuk memprediksi pose mengikat dan energi dari model molekul kecil dalam saku mengikat reseptor yang dipilih.Secara tradisional, banyak model ligan, biasanya diambil dari database senyawa yang dapat dengan mudah disintesis atau komersial dibeli, yang berlabuh ke struktur reseptor statis tunggal, sering diperoleh dari NMR atau X-ray kristalografi.Ligan terbaik diprediksi selanjutnya diuji secara eksperimental untuk mengkonfirmasi mengikat.Sayangnya, docking tradisional mengandalkan struktur reseptor tunggal bermasalah.Beberapa ligan yang sah mungkin memang mengikat struktur tunggal yang dipilih, tetapi dalam kenyataannya kebanyakan kantong mengikat reseptor memiliki banyak negara konformasi valid, salah satu yang mungkin druggable.Dalam sebuah layar virtual tradisional, ligan benar sering dibuang karena mereka sebenarnya mengikat konformasi reseptor yang sangat berbeda dari yang dari struktur statis tunggal yang dipilih.Untuk akun yang lebih baik untuk fleksibilitas reseptor, sebuah protokol virtual-skrining baru telah dikembangkan disebut skema kompleks santai (RCS) [45,46].Daripada docking banyak model senyawa menjadi NMR atau kristal struktur tunggal, masing-masing ligan potensial merapat menjadi beberapa konformasi protein, biasanya diambil dari sebuah simulasi dinamika molekul.Dengan demikian, masing-masing ligan dikaitkan tidak dengan docking skor tunggal melainkan dengan seluruh spektrum skor.Ligan dapat peringkat oleh sejumlah karakteristik spektrum, seperti nilai rata-rata semua reseptor.Dengan demikian, RCS efektif menyumbang banyak konformasi reseptor sampel oleh simulasi;telah berhasil digunakan untuk mengidentifikasi sejumlah inhibitor protein, termasuk inhibitor FKBP [47], integrase HIV [39],Trypanosoma bruceiediting RNA ligase 1 [48,49],T.bruceiGALE [50],T.bruceiFPPS [51], danMycobacterium tuberculosisdTDP-6-deoksi-L-lyxo-4-hexulose [52].Dalam dua dari proyek-proyek ini, inhibitor diidentifikasi adalah efektif tidak hanya terhadap protein target, tetapi melawan parasit seluruh sel [49,50].Sementara keberhasilan ini menjanjikan, skema kompleks santai pasti memiliki kelemahan.Selain yang berbasis pada simulasi dinamika molekul yang sendirinya tunduk pada perkiraan kasar kekuatan-lapangan dan pengambilan sampel tidak memadai konformasi, skema bergantung pada fungsi scoring komputer-docking yang kebutuhan yang dioptimalkan untuk kecepatan dengan mengorbankan akurasi.Dalam rangka memfasilitasi tinggi-throughput screening virtual, fungsi penilaian ini sering memperlakukan pengaruh halus pada energi ikat seperti entropi konformasi dan energi solvasi hanya dangkal [27,53], sehingga mengorbankan akurasi demi kecepatan yang lebih besar.Perhitungan energi bebas canggih menggunakan simulasi dinamika molekulMeskipun program docking yang dioptimalkan untuk kecepatan dan bukan akurasi, lebih akurat, meskipun komputasi intensif, teknik untuk memprediksi afinitas mengikat memang ada.Teknik-teknik ini, yang meliputi integrasi termodinamika [54], single-step gangguan [55], dan energi bebas gangguan [56], didasarkan sebagian besar pada simulasi dinamika molekul.Energi bebas adalah fungsi negara, yang berarti bahwa perbedaan-energi bebas berhubungan dengan peristiwa tertentu seperti obat mengikat reseptor hanya ditentukan oleh energi sebelum acara dan energi berikut ini;sedangkan jalur yang diambil dari awal ke keadaan akhir dapat mempengaruhi kinetika reseptor-ligan, ia tidak memiliki bantalan pada energi bebas.Mungkin ligan berdifusi perlahan-lahan menuju lokasi aktif dan mudah tergelincir ke dalam saku mengikat.Mungkin protein terungkap sepenuhnya dan kemudian refolds sekitar ligan.Mungkin ligan dalam larutan dipancarkan ke angkasa di orbit, hanya untuk rematerialize di situs aktif beberapa detik kemudian.Mekanisme tidak penting;energi bebas hanya tergantung pada energi awal dalam larutan dan energi final setelah acara mengikat.Dengan beberapa pengecualian [37], simulasi sistem reseptor-ligan cukup lama untuk menangkap acara mengikat seluruh saat ini tidak layak.Namun, masih mungkin untuk menghitung afinitas pengikatan obat dengan menggunakan teknik yang disebut 'transformasi alkimia', pertama kali dijelaskan pada tahun 1984 [57].Transformasi ini tidak terlalu berbeda dari contoh yang diberikan di atas angkasa.Selama simulasi dinamika molekuler, elektrostatik dan van der Waals yang dihasilkan oleh atom ligan ditolak cukup secara bertahap untuk menghindari artefak yang tidak diinginkan.Akhirnya, ligan tidak lagi mampu berinteraksi dengan protein atau pelarut.Untuk semua tujuan praktis, ligan telah menghilang.Tidak peduli bahwa transformasi ini sama sekali tidak fisik;energi bebas adalah fungsi negara, sehingga jalan dari awal ke keadaan akhir, apakah nyata atau imajiner, tidak relevan.Tidak jelas, namun, dalam konteks apa ligan harus kiasan dimusnahkan dengan cara ini.Haruskah simulasi dinamika molekul dijalankan di mana ligan terikat hilang?Bagaimana dengan ligan dalam larutan?Untuk menjawab pertanyaan ini, transformasi alkemis dipilih berdasarkan siklus termodinamika ditunjukkan pada GambarFigure4.4.Energi bebas adalah fungsi negara yang hanya bergantung pada energi dari keadaan awal dan akhir, sistem yang keluar dari salah satu negara di sekitar siklus energi bebas ini hanya untuk kembali ke keadaan awal yang sama seharusnya tidak memiliki perubahan total energi bebas ( yaitu,? Gmengikat+? Gprotein-? G -? Gair= 0).Kami mencatat bahwa? G dalam persamaan ini sendiri nol, karena ligan sepenuhnya menghilang di kedua negara ditunjukkan pada bagian bawah GambarFigure4,4, berarti ligan tidak dapat berinteraksi dengan pelarut air atau protein baik negara.Dengan demikian,? Gmengikat+? Gprotein-? Gair= 0, dan, akibatnya,? Gmengikat=? Gair-? Gprotein.Persamaan ini menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk memperkirakan energi bebas obat yang mengikat, pengukuran tidak langsung potensi obat, dengan menjalankan dua simulasi, di mana ligan reseptor terikat menghilang, dan satu di mana ligan terlarut menghilang.

Gambar 4Siklus termodinamika digunakan untuk memilih transformasi alkemis.Biasanya, seseorang ingin menghitung energi bebas mengikat,? Gmengikat, ditunjukkan di bagian atas.Namun, umumnya tidak praktis untuk menjalankan simulasi dinamika molekul panjang...Sebuah tugas yang sama, menghitung energi yang mengikat relatif ligan, berguna selama optimasi obat ketika seseorang ingin menentukan apakah perubahan kimia tertentu akan meningkatkan potensi ligan kandidat.Dalam hal ini, daripada memusnahkan seluruh ligan, satu bagian dari ligan secara bertahap berubah.Sebagai contoh, sebuah atom karbon kunci mungkin secara bertahap diubah menjadi atom oksigen untuk melihat apakah afinitas pengikatan meningkat atau berkurang.Ini jenis simulasi dinamika molekul alkimia dapat memberikan obat kimia dengan wawasan yang berguna yang dapat memandu pengembangan obat lebih lanjut.Serangkaian hasil kebetulan awal yang disepakati sangat baik dengan percobaan membuat banyak antusiasme untuk molekul-dinamika berbasis perhitungan energi bebas pada 1980-an dan awal 1990-an yang tidak cocok dalam dekade berikutnya [27,58] sebagai prediksi komputasi jatuh pendek pengukuran eksperimental.Namun, kemajuan mantap algoritma dan teknik dalam beberapa tahun terakhir telah menyebabkan perhatian diperbaharui.Aplikasi sukses dari teknik alkimia dalam beberapa tahun terakhir sangat banyak;prediksi yang akurat telah diperoleh untuk ligan mengikat src SH2 domain [59], untuk T4 lisozim mutan [60], untuk FKBP12 [61], HIV reverse transcriptase [62], untuk tripsin [63], dengan ribosom bakteri [64], dan estrogen reseptor- [65], di antara banyak lainnya.Keberhasilan ini samping, itu adalah penting untuk tidak banyak menjual teknik alkimia.Semua molekul-dinamika berbasis teknik obat-penemuan akan mendapat manfaat dari medan gaya yang lebih baik, namun teknik alkimia adalah, di samping itu, unik sensitif terhadap sampel yang tidak memadai konformasi [66].Ketika simulasi dinamika molekul panjang tidak cukup digunakan untuk mengidentifikasi situs samar, situs alosterik, atau konformasi mengikat-saku farmakologi relevan untuk proyek-proyek virtual-screening, risikonya adalah bahwa beberapa konformasi reseptor yang cocok akan tertinggal.Konformasi yang diidentifikasi, namun, masih berguna;hasil simulasi karena itu tidak lengkap, tetapi belum tentu salah.Namun, teknik alkimia digunakan untuk menghitung energi bebas dari mengikat jauh lebih tergantung pada menyeluruh sampel konformasi daripada RCS layar.Jika simulasi dinamika molekul gagal sampel konformasi sistem yang sebenarnya sampelex silico, konformasi ini tidak akan memberikan kontribusi total dihitung energi, yang menyebabkan prediksi yang salah dari afinitas pengikatan.Simulasi dinamika molekul komputasi menuntut dan sering kebutuhan tidak dapat diterima pendek;Oleh karena itu tidak cukup sampel konformasi adalah masalah umum bahwa masa depan upaya algoritmik dan hardware-engineering harus alamat.Hal ini terutama karena prediksi yang akurat sering membutuhkan simulasi panjang yang teknik alkimia belum banyak diadopsi oleh industri farmasi, meskipun minat yang besar [27].KesimpulanDalam ulasan ini, kita telah membahas banyak peran bahwa simulasi dinamika molekul bisa bermain dalam penemuan obat, termasuk identifikasi situs mengikat samar atau alosterik, peningkatan metodologi virtual-skrining tradisional, dan prediksi langsung dari energi mengikat ligan.Sebagai ligan mengikat dan gerakan makromolekul penting yang terkait dengan itu adalah peristiwa mikroskopis yang terjadi dalam sepersejuta hanya detik, pemahaman lengkap tentang energetika atomistik dan mekanisme yang mengikat tidak bisa dicapai dengan menggunakan teknik eksperimental saat ini.Simulasi dinamika molekul berguna untuk mengisi rincian di mana metode eksperimental tidak bisa.Dengan perbaikan konstan dalam kedua daya komputer dan desain algoritma, masa depan desain obat dibantu komputer cukup menjanjikan;simulasi dinamika molekul cenderung memainkan peran yang semakin penting dalam pengembangan terapi farmakologis baru.