В ИТМО создали быстрый и точный инструмент для расчета объема полости молекул-чаш

При создании систем для доставки лекарств ученые «погружают» молекулы действующего вещества в молекулы-контейнеры, которые доставляют препарат в пораженный участок организма. Такой же принцип встраивания одной молекулы в другую используют при создании сорбентов для улавливания или поглощения газов и супрамолекулярных катализаторов . Для эффективного погружения молекулы-гостя в полость молекулы-хозяина необходимы корректные представления о форме и объеме внутренних полостей молекулы-хозяина. Обычно их рассчитывают с помощью специальных программ, работа которых основана на «прокатывании» виртуальных шариков-зондов по внешней и внутренней поверхностям молекул-хозяев. Однако этот метод плохо работает с каликсаренами или макроциклическими молекулами, которые имеют сложную форму вазы или чаши с нечеткими границами за счет наличия внешних выступающих атомов. Существующие способы расчета объемов полости этих молекул требуют длительного и зачастую интуитивного перебора настроек.

Ученые из ИТМО решили эту проблему и разработали два новых геометрических подхода на основе компьютерного моделирования и алгоритмов типа «разделяй и властвуй» для построения замкнутой оболочки обработки молекул каликсаренов. Они позволяют быстро и с высокой точностью рассчитать объем полостей каликсаренов. По сравнению с аналогами, предложенные инструменты не требуют долгого подбора параметров и значительно ускоряют процесс расчета.

При построении замкнутой оболочки было использовано два подхода. В первом случае ученые вручную удаляют лишние атомы, расположенные вне чаши, и создают 3D-модель молекулы: переносят координаты ее атомов в пространство программы AutoCAD, где между ними строятся химические связи. На их основе исследователи формируют выпуклую мозаичную оболочку из треугольников, преобразуют каждый треугольник в плоскую поверхность, затем преобразуют структуру в твердое тело, вычитают из нее сферы, которые соответствуют атомам молекулы, и рассчитывают объем получившегося тела. Во втором подходе, который был использован в программе CaviDAC, ученые также вручную удаляют лишние атомы и загружают координаты молекул в программу для расчета объема полости. С помощью алгоритма QuickHull она строит замкнутую оболочку, которая «обтягивает» молекулу, и затем рассчитывает объем полости.

«Наши подходы показывают хорошие результаты и позволяют значительно ускорить процесс измерения объема полостей молекул. CaviDAC производит расчет за 5-10 секунд, тогда как в программе для 3D-моделирования процесс занимает 1,5-2 часа на одну молекулу, в зависимости от сложности ее геометрии», — подчеркивает первый автор исследования, инженер научно-образовательного центра инфохимии Сергей Каралаш.

Разработанные инструменты проверяли на каликсаренах и краун-эфирах — макроциклических соединениях, которые улавливают и удерживают внутри катионы различных металлов. Для этого ученые рассчитали объем их полостей с помощью новых инструментов, а затем сравнили их результаты с теоретическими расчетами и реальными экспериментальными данными. Значения, полученные с помощью инструментов от ученых ИТМО, были наиболее точными по сравнению с другими программами: среднее отклонение от теоретических значений объемов полостей  составило около 11%, в то время как у некоторых аналогов (POVME, pywindow, MoloVol, pyKVFinder) — до 28-59%. При этом оба разработанных подхода показали довольно схожие результаты — разница между значениями, рассчитанными при помощи новых методов, составила менее 3%.

«Если мы будем знать объемы полости молекулы-хозяины и полный объем молекулы-гостя, то сможем теоретически предсказывать, какие молекулы-гости лучше всего будут связываться с каликсаренами, а затем проводить эксперименты на предсказанных молекулах. Это значительно быстрее традиционных способов, когда их перебирают “вручную”. Возможность точного расчета объемов полостей молекул позволит лучше прогнозировать эффективность включения молекул-гостей при создании новых сорбентов, супрамолекулярных катализаторов и систем для доставки лекарств», — подчеркнул главный автор исследования, доцент научно-образовательного центра инфохимии Антон Муравьев. 

В будущем авторы планируют автоматизировать удаление лишних атомов из 3D-моделей молекул  и добавить новые возможности — например, чтобы программа предлагала молекулы, оптимальные для встраивания в полость молекул каликсарена.

Программный пакет и файлы, на которых ученые тестировали программу CaviDAC, находятся в открытом доступе для всех пользователей.