الالتحام الجزيئي الكبير

يمكن تمثيل كل بروتين بشبكة مكعبة بسيطة. عندئذٍ، بالنسبة لفئة الدرجات التي تمثل التفافات منفصلة ، ​​يمكن تقييم جميع التكوينات المرتبطة ببعضها البعض عن طريق إزاحة بروتين واحد بمتجه شبكي دقيق، بشكل شبه متزامن، بتطبيق نظرية الالتفاف . ^{[ 5 ]} من الممكن بناء دوال تقييم معقولة، وإن كانت تقريبية، تشبه دوال الالتفاف، تمثل كلاً من اللياقة الفراغية والكهروستاتيكية.

استُخدمت طرق الفضاء المتبادل على نطاق واسع لقدرتها على تقييم أعداد هائلة من التكوينات. إلا أنها تفقد ميزة السرعة عند إدخال تغييرات الالتواء. ومن عيوبها الأخرى استحالة الاستفادة الفعّالة من المعرفة المسبقة. ويبقى التساؤل مطروحًا حول ما إذا كانت الالتفافات فئة محدودة جدًا من دوال التقييم لتحديد أفضل مُركّب بشكل موثوق.

في خوارزمية مونت كارلو ، يتم تحسين التكوين الأولي من خلال اتخاذ خطوات عشوائية تُقبل أو تُرفض بناءً على التحسن الناتج في النتيجة (انظر معيار متروبوليس )، حتى يتم تجربة عدد معين من الخطوات. ويفترض أن التقارب نحو أفضل بنية سيحدث من بين مجموعة كبيرة من التكوينات الأولية، ولا يلزم النظر إلا في واحد منها. يمكن أخذ عينات من التكوينات الأولية بشكل تقريبي، مما يوفر الكثير من وقت الحساب. ونظرًا لصعوبة إيجاد دالة تقييم تميز بدقة عالية التكوين الصحيح وتتقارب معه من مسافة بعيدة، فقد اقتُرح استخدام مستويين من التحسين، بدوال تقييم مختلفة. ^{[ 8 ]} ويمكن إدخال الالتواء بشكل طبيعي إلى خوارزمية مونت كارلو كخاصية إضافية لكل حركة عشوائية.

لا تضمن طرق مونت كارلو البحث الشامل، لذا قد يتم تفويت أفضل تكوين حتى باستخدام دالة تقييم من المفترض أن تحدده. لم يتم تحديد مدى خطورة هذه المشكلة بالنسبة لعملية الالتحام بشكل قاطع.

لإيجاد معيار تقييم يُشكّل أساسًا ثابتًا لاختيار أفضل بنية، تُجرى دراسات على معيار مرجعي قياسي (انظر أدناه) لحالات تفاعل البروتين-بروتين. تُقيّم دوال التقييم بناءً على الترتيب الذي تُخصصه لأفضل بنية (من الناحية المثالية، يجب أن تُصنّف أفضل بنية في المرتبة الأولى)، وعلى تغطيتها (نسبة حالات المعيار المرجعي التي تُحقق فيها نتيجة مقبولة). تشمل أنواع معايير التقييم المدروسة ما يلي:

• النتائج الاستدلالية المستندة إلى نقاط التلامس المتبقية .
• التكامل الشكلي للأسطح الجزيئية ("الكيمياء الفراغية").
• الطاقات الحرة، المقدرة باستخدام معلمات من مجالات قوة الميكانيكا الجزيئية مثل CHARMM أو AMBER .
• الأهمية التطورية للمناطق المتفاعلة.
• معاملات التجميع.
• مؤشرات قائمة على المعلومات.

من المعتاد إنشاء نتائج هجينة بدمج فئة واحدة أو أكثر من الفئات المذكورة أعلاه في مجموع مرجح، حيث تُحسَّن الأوزان بناءً على حالات من المعيار المرجعي. ولتجنب التحيز، يجب ألا تتداخل حالات المعيار المرجعي المستخدمة لتحسين الأوزان مع الحالات المستخدمة لإجراء الاختبار النهائي للنتيجة.

الهدف النهائي في عملية إرساء البروتين-بروتين هو اختيار الحل الأمثل وفقًا لنظام تقييم يُتيح فهمًا أعمق لتقارب المُركّب. من شأن هذا التطور أن يُحفّز هندسة البروتين الحاسوبية ، وتصميم الأدوية بمساعدة الحاسوب ، و/أو التوصيف عالي الإنتاجية للبروتينات التي ترتبط أو لا ترتبط (توصيف التفاعلات البروتينية ). وقد اقتُرحت عدة دوال تقييم للتنبؤ بتقارب الارتباط/الطاقة الحرة. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]} ومع ذلك، وُجد أن الارتباط بين قيم تقارب الارتباط المُحددة تجريبيًا وتنبؤات تسع دوال تقييم شائعة الاستخدام يكاد يكون متعامدًا (R² ^~ 0). ^{[ 13 ]} كما لوحظ أن بعض مكونات خوارزميات التقييم قد تُظهر ارتباطًا أفضل بطاقات الارتباط التجريبية من النتيجة الكاملة، مما يُشير إلى إمكانية الحصول على أداء أفضل بكثير من خلال دمج المساهمات المناسبة من خوارزميات التقييم المختلفة. تشمل الطرق التجريبية لتحديد قوة الارتباط ما يلي: رنين البلازمون السطحي (SPR)، ونقل طاقة رنين فورستر ، والتقنيات القائمة على الليجاندات المشعة ، ومعايرة السعرات الحرارية متساوية الحرارة (ITC)، والترحيل الحراري على المستوى الميكروي (MST)، أو القياسات الطيفية وتقنيات التألق الأخرى. ويمكن أن توفر المعلومات النصية من المقالات العلمية مؤشرات مفيدة للتقييم. ^{[ 14 ]}

تم تطوير معيار مرجعي يضم 84 تفاعلًا بين البروتينات ذات بنى معقدة معروفة لاختبار طرق الالتحام الجزيئي. ^{[ 15 ]} وقد تم اختيار هذه المجموعة لتغطية نطاق واسع من أنواع التفاعلات، وتجنب تكرار السمات، مثل خصائص العائلات البنيوية للبروتينات المتفاعلة وفقًا لقاعدة بيانات SCOP . تُصنف عناصر المعيار المرجعي إلى ثلاثة مستويات صعوبة (المستوى الأكثر صعوبة هو الذي يحتوي على أكبر تغيير في بنية العمود الفقري). يتضمن معيار الالتحام بين البروتينات أمثلة على معقدات الإنزيم-المثبط، والمستضد-الجسم المضاد، والمعقدات المتجانسة متعددة الوحدات.

يتألف أحدث إصدار من معيار محاكاة الالتحام بين البروتينات من 230 مُركّبًا. ^{[ 16 ]} ويتألف معيار محاكاة الالتحام بين البروتينات والحمض النووي من 47 حالة اختبار. ^{[ 17 ]} وقد تم إعداد معيار محاكاة الالتحام بين البروتينات والحمض النووي الريبي كمجموعة بيانات تضم 45 حالة اختبار غير متكررة ^{[ 18 ]} مع مُركّبات تم حلها باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية فقط، بالإضافة إلى مجموعة بيانات موسعة تضم 71 حالة اختبار مع هياكل مُستمدة من نمذجة التماثل أيضًا. ^{[ 19 ]} وتم تحديث معيار محاكاة الالتحام بين البروتينات والحمض النووي الريبي ليشمل المزيد من الهياكل التي تم حلها باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية ، ويتألف الآن من 126 حالة اختبار. ^{[ 20 ]} ويحتوي المعياران على مجموعة بيانات مُجمّعة تضم 209 مُركّبات. ^{[ 21 ]}

استند معيار قياس قوة الارتباط إلى معيار الالتحام بين البروتينات. ^{[ 13 ]} يشمل هذا المعيار 81 معقدًا بروتينيًا معروفًا بقيم ارتباطه التجريبية؛ وتتراوح هذه المعقدات على مدى 11 رتبة مقدارية من حيث قوة الارتباط. يتضمن كل مدخل من مدخلات المعيار عدة معايير كيميائية حيوية مرتبطة بالبيانات التجريبية، بالإضافة إلى الطريقة المستخدمة لتحديد قوة الارتباط. استُخدم هذا المعيار لتقييم مدى قدرة دوال التقييم على التنبؤ بقوة ارتباط المعقدات الجزيئية الكبيرة.

خضعت هذه المعايير للمراجعة من قبل النظراء وتم توسيعها بشكل ملحوظ. ^{[ 22 ]} تتميز المجموعة الجديدة بتنوعها من حيث الوظائف البيولوجية التي تمثلها، حيث تضم مركبات تشمل بروتينات G ومجالات خارج الخلية للمستقبلات، بالإضافة إلى مركبات المستضد/الجسم المضاد، والإنزيم/المثبط، والإنزيم/الركيزة. كما تتميز بتنوعها من حيث ألفة الشركاء لبعضهم البعض، حيث تتراوح قيمة ثابت التفكك (Kd) بين 10⁻⁵ ^و10⁻¹⁴ _مولار ^. تمثل تسعة أزواج من المدخلات مركبات وثيقة الصلة ذات بنية متشابهة، ولكن بألفة مختلفة تمامًا، ويتألف كل زوج من تجميعة متجانسة وأخرى غير متجانسة. وبفضل توفر البنى غير المرتبطة للبروتينات المكونة، يمكن تقييم التغيرات في التكوين. وتُعد هذه التغيرات كبيرة في معظم المركبات، وغالبًا ما تُلاحظ حركات كبيرة أو تحولات من حالة عدم الانتظام إلى حالة الانتظام. يمكن استخدام هذه المجموعة لتقييم النماذج الفيزيائية الحيوية التي تهدف إلى ربط الألفة بالبنية في تفاعلات البروتين-بروتين، مع الأخذ في الاعتبار المواد المتفاعلة والتغيرات في التكوين التي تصاحب تفاعل الارتباط، بدلاً من المنتج النهائي فقط. ^{[ 22 ]}

يُعدّ التقييم النقدي لتوقع التفاعلات ^{[ 23 ]} سلسلة متواصلة من الفعاليات التي يسعى فيها باحثون من مختلف التخصصات إلى محاكاة ارتباط البروتينات نفسها، وفقًا لما يقدمه المُقيّمون. تُعقد الجولات كل ستة أشهر تقريبًا. تتضمن كل جولة ما بين مُركّب بروتين-بروتين واحد وستة مُركّبات مستهدفة، تمّ تحديد بنيتها تجريبيًا مؤخرًا. يحتفظ المُقيّمون بالإحداثيات بشكل سري، بالتعاون مع علماء الأحياء البنيوية الذين حددوها. يتم تقييم المشاركات بطريقة سرية مزدوجة .

يستقطب برنامج CAPRI مشاركة واسعة (شاركت 37 مجموعة من جميع أنحاء العالم في الجولة السابعة) واهتمامًا كبيرًا من المجتمع البيولوجي عمومًا. ورغم أن نتائج CAPRI ذات دلالة إحصائية محدودة نظرًا لقلة عدد الأهداف في كل جولة، إلا أن دورها في تحفيز الحوار بالغ الأهمية. ( يُعدّ تقييم CASP تمرينًا مشابهًا في مجال التنبؤ ببنية البروتين).