Специалисты из ИТМО создали программу CaviDAC с открытым исходным кодом, предназначенную для точного определения объемов полостей, расположенных внутри молекул каликсаренов — соединений чашеобразной структуры. Для этого были разработаны и внедрены инструменты компьютерного моделирования и алгоритмы, позволяющие создавать замкнутую оболочку. CaviDAC превосходит существующие аналоги по удобству использования, скорости вычислений и точности получаемых данных. Данный метод окажется полезен при создании лекарственных препаратов, сорбентов и катализаторов с определенными свойствами. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Theory and Simulations.
При разработке систем доставки лекарственных средств исследователи помещают молекулы активного вещества внутрь молекул-контейнеров, которые транспортируют препарат к очагу поражения. Аналогичный принцип включения одной молекулы в другую применяется при создании сорбентов для удержания или поглощения газов и супрамолекулярных катализаторов. Для успешного включения молекулы-гостя в полость молекулы-хозяина необходимы точные данные о форме и размере внутренних полостей молекулы-хозяина. Как правило, их определяют с помощью специализированных программ, функционирование которых основано на моделировании перемещения виртуальных зондов по внешней и внутренней поверхности молекул-хозяев. Однако этот подход неэффективен при работе с каликсаренами или макроциклическими молекулами, которые характеризуются сложной формой вазы или чаши с размытыми границами из-за наличия выступающих атомов. Расчет объемов полостей этих молекул с помощью существующих методов требует значительного времени и часто основан на субъективном подборе параметров.
Специалисты из ИТМО нашли решение этой задачи и создали два новых геометрических метода, основанных на компьютерном моделировании и алгоритмах типа «разделяй и властвуй», для построения замкнутой поверхности, необходимой для обработки молекул каликсаренов. Эти методы позволяют оперативно и с высокой степенью точности определять объем полостей каликсаренов. Разработанные инструменты, в отличие от существующих аналогов, исключают необходимость длительной настройки параметров и существенно сокращают время вычислений.
Для создания замкнутой оболочки применялись два метода. В первом случае исследователи вручную удаляли избыточные атомы, находящиеся за пределами чаши, и формировали трехмерную модель молекулы: координаты ее атомов переносились в программу AutoCAD, где между ними устанавливались химические связи. На их основе ученые создавали выпуклую мозаичную оболочку, состоящую из треугольников, преобразовали каждый треугольник в плоскую поверхность, затем переводили структуру в твердое тело, вычитали из него сферы, соответствующие атомам молекулы, и определяли объем полученного тела. Во втором подходе, реализованном в программе CaviDAC, исследователи также удаляли лишние атомы вручную и передавали координаты молекул в программу для вычисления объема полости. С помощью алгоритма QuickHull она формировала замкнутую оболочку, которая «облекала» молекулу, после чего рассчитывала объем полости.
«Предлагаемые нами методы демонстрируют эффективные показатели и обеспечивают существенное сокращение времени, необходимого для определения объема молекулярных полостей. CaviDAC выполняет вычисления всего за 5-10 секунд, в то время как в программах для трехмерного моделирования этот процесс может занимать от полутора до двух часов на одну молекулу, в зависимости от ее структурной сложности» , — отмечает первый автор исследования, инженер научно-образовательного центра инфохимии Сергей Каралаш.
Новые инструменты тестировались на каликсаренах и краун-эфирах – макроциклических соединениях, способных захватывать и удерживать внутри катионы различных металлов. В процессе тестирования ученые определили объем их полостей с помощью этих инструментов, а затем сопоставили полученные результаты с теоретическими расчетами и данными, полученными в ходе экспериментов. Инструменты, разработанные учеными ИТМО, продемонстрировали наибольшую точность по сравнению с другими программами: средняя погрешность по сравнению с теоретическими значениями объемов полостей составила приблизительно 11%, в то время как у некоторых аналогов (POVME, pywindow, MoloVol, pyKVFinder) – от 28% до 59%. Оба разработанных подхода показали близкие результаты – разница между значениями, рассчитанными с использованием новых методов, составила менее 3%.
«Зная объемы полости молекулы-хозяина и общий объем молекулы-гостя, мы сможем теоретически прогнозировать, какие молекулы-гости будут оптимально взаимодействовать с каликсаренами, после чего можно будет проводить эксперименты с этими молекулами. Это позволит значительно ускорить процесс по сравнению с традиционным методом, при котором молекулы подбираются методом проб и ошибок. Точный расчет объемов полостей молекул даст возможность более эффективно прогнозировать успешность включения молекул-гостей при разработке новых сорбентов, супрамолекулярных катализаторов и систем доставки лекарственных препаратов» , — отметил главный автор исследования, доцент научно-образовательного центра инфохимии Антон Муравьев.
В дальнейшем разработчики намереваются автоматизировать процесс исключения ненужных атомов из трехмерных моделей молекул и расширить функциональность, в частности, предоставить возможность подбора молекул, наилучшим образом подходящих для размещения внутри полостей молекул каликсарена.
Файлы и программное обеспечение, использовавшиеся исследователями для тестирования программы CaviDAC, находятся в открытом доступе для всех пользователей.
Информация предоставлена пресс-службой Университета ИТМО