الفحص الافتراضي

بافتراض وجود مجموعة من الروابط المتنوعة بنيويًا والتي ترتبط بمستقبل ، يمكن بناء نموذج لهذا المستقبل من خلال استغلال المعلومات الجماعية الموجودة في هذه المجموعة من الروابط. تستكشف تقنيات حسابية مختلفة أوجه التشابه البنيوية والإلكترونية والشكلية والفيزيائية الكيميائية للروابط المختلفة، مما قد يشير إلى آلية عملها ضد مستقبل جزيئي محدد أو خطوط خلوية معينة. ^{[ 8 ]} بعد ذلك، يمكن مقارنة الرابط المرشح بنموذج الفارماكوفور لتحديد مدى توافقه معه، وبالتالي احتمالية ارتباطه به. ^{[ 9 ]} وقد استُخدمت طرق تحليل التشابه الكيميائي ثنائية الأبعاد المختلفة ^{[ 10 ]} لمسح قواعد البيانات للعثور على روابط فعالة. يتمثل نهج شائع آخر يُستخدم في الفحص الافتراضي القائم على الروابط في البحث عن جزيئات ذات شكل مشابه لشكل الجزيئات الفعالة المعروفة، حيث تتناسب هذه الجزيئات مع موقع ارتباط الهدف، وبالتالي من المرجح أن ترتبط به. يوجد عدد من التطبيقات المحتملة لهذه الفئة من التقنيات في الأدبيات العلمية. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} تتوفر أيضًا امتدادات فارماكوفورية لهذه الطرق ثلاثية الأبعاد مجانًا كخوادم ويب. ^{[ 14 ] [ 15 ]} كما اكتسب الفحص الافتراضي القائم على الشكل شعبية كبيرة. ^{[ 16 ]}

يشمل نهج الفحص الافتراضي القائم على البنية تقنيات حسابية مختلفة تأخذ في الاعتبار بنية المستقبل، وهو الهدف الجزيئي للروابط النشطة قيد الدراسة. تتضمن بعض هذه التقنيات الالتحام الجزيئي ، ونمذجة الفارماكوفور القائمة على البنية، ومحاكاة الديناميكا الجزيئية . ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 8 ]} يُعد الالتحام الجزيئي أكثر التقنيات القائمة على البنية استخدامًا، حيث يطبق دالة تقييم لتقدير مدى ملاءمة كل رابط لموقع الارتباط في المستقبل الجزيئي الكبير، مما يساعد على اختيار الروابط ذات أعلى ألفة. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} يوجد حاليًا عدد من خوادم الويب المتخصصة في الفحص الافتراضي الاستباقي. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

طُوِّرت أيضًا طرق هجينة تعتمد على التشابه البنيوي وتشابه الروابط للتغلب على قيود مناهج VLS التقليدية. تستخدم هذه المنهجيات معلومات ارتباط الروابط المستندة إلى التطور للتنبؤ بالجزيئات الصغيرة المرتبطة ^{[ 24 ] [ 25 ]} ، ويمكنها توظيف كلٍّ من التشابه البنيوي العام وتشابه الجيوب. ^{[ 24 ]} يستخدم نهج قائم على التشابه البنيوي العام بنية تجريبية أو نموذج بروتين متوقع لإيجاد التشابه البنيوي مع البروتينات في مكتبة قوالب PDB الكاملة. عند اكتشاف تشابه بنيوي كبير، يُطبَّق مقياس معامل تانيموتو ثنائي الأبعاد القائم على البصمة لفحص الجزيئات الصغيرة المشابهة للروابط المستخرجة من قوالب PDB الكاملة المختارة. ^{[ 26 ] [ 27 ]} خضعت التنبؤات الناتجة عن هذه الطريقة لتقييم تجريبي، وأظهرت إثراءً جيدًا في تحديد الجزيئات الصغيرة النشطة.

تعتمد الطريقة المذكورة أعلاه على التشابه البنيوي العام، ولا تُمكّن من تحديد موقع ارتباط الليجاند في البروتين محل الدراسة مسبقًا . علاوة على ذلك، ولأن هذه الطرق تعتمد على تقييم التشابه ثنائي الأبعاد لليجاندات، فإنها لا تستطيع تمييز التشابه الفراغي للجزيئات الصغيرة التي تختلف اختلافًا كبيرًا ولكنها تُظهر تشابهًا في الشكل الهندسي. ولمعالجة هذه المشكلات، طُوِّر نهج جديد يركز على الجيوب، يُسمى PoLi، قادر على استهداف جيوب ارتباط محددة في قوالب البروتينات الكاملة، وخضع هذا النهج للتقييم التجريبي.

تتطلب الطرق القائمة على الليجاند عادةً جزءًا من الثانية لإجراء عملية مقارنة بنية واحدة. في بعض الأحيان، يكفي معالج واحد لإجراء فحص واسع النطاق في غضون ساعات. مع ذلك، يمكن إجراء عدة مقارنات بالتوازي لتسريع معالجة قاعدة بيانات ضخمة من المركبات.

يتطلب حجم المهمة بنية تحتية للحوسبة المتوازية ، مثل مجموعة من أنظمة لينكس ، التي تشغل معالج قائمة انتظار الدفعات للتعامل مع العمل، مثل Sun Grid Engine أو Torque PBS.

هناك حاجة إلى آلية لمعالجة المدخلات من مكتبات المركبات الكبيرة. يتطلب ذلك قاعدة بيانات للمركبات يمكن الاستعلام عنها بواسطة المجموعة الحاسوبية المتوازية، بحيث تُرسل المركبات بالتوازي إلى مختلف عُقد الحوسبة. قد تكون محركات قواعد البيانات التجارية بطيئة للغاية، وقد يكون محرك فهرسة عالي السرعة، مثل Berkeley DB ، خيارًا أفضل. علاوة على ذلك، قد لا يكون من الفعال إجراء مقارنة واحدة لكل مهمة، لأن وقت تهيئة عُقد المجموعة الحاسوبية قد يتجاوز بسهولة حجم العمل المفيد. ولتجاوز هذه المشكلة، من الضروري معالجة دفعات من المركبات في كل مهمة على المجموعة الحاسوبية، وتجميع النتائج في ملف سجل. بعد انتهاء التجربة بأكملها، يمكن تشغيل عملية ثانوية لاستخراج المرشحين ذوي الدرجات العالية من ملفات السجل.

يُعرَّف الفارماكوفور بأنه مجموعة الخصائص الفراغية والإلكترونية اللازمة لضمان التفاعلات فوق الجزيئية المثلى مع الهدف البيولوجي ، ولتحفيز (أو تثبيط) استجابته البيولوجية. وتشمل هذه الخصائص عادةً مانحات ومستقبلات الروابط الهيدروجينية، والمناطق الكارهة للماء، والحلقات العطرية، والمجموعات المشحونة، ووظائف ربط المعادن. ^{[ 6 ] [ 37 ]}

يتم تطبيق نمذجة الفارماكوفور بشكل شائع في تصميم الأدوية القائم على الربيطة عندما يكون التركيب ثلاثي الأبعاد للبروتين المستهدف غير معروف أو عندما تتوفر ربيطات نشطة متعددة.

تتضمن آلية العمل العامة عدة خطوات:

1. اختيار المركبات النشطة: يتم اختيار مجموعة تمثيلية ومتنوعة بنيوياً من الروابط النشطة بيولوجياً. يُعد التنوع البنيوي مهماً لضمان أن النموذج الناتج يجسد سمات التفاعل الأساسية بدلاً من الخصائص الخاصة بكل مركب.
2. توليد المتماثلات: نظرًا لمرونة الروابط، يتم توليد العديد من المتماثلات منخفضة الطاقة لكل جزيء. تهدف هذه الخطوة إلى تقريب الشكل النشط بيولوجيًا، والذي يكون عادةً غير معروف في الطرق القائمة على الروابط.
3. المحاذاة والتراكب الجزيئي: يتم تراكب المتماثلات الناتجة لتحديد الترتيبات المكانية المشتركة للخصائص الكيميائية الرئيسية. ومن خلال محاذاة العناصر الدوائية المشتركة عبر الروابط النشطة، يتم بناء فرضية دوائية.

بخلاف الأساليب التي تعتمد على بنية مرجعية واحدة، يدمج نمذجة الفارماكوفور معلومات من مركبات فعالة متعددة. وهذا يحسن عموماً من متانة النموذج وأدائه التنبؤي، لا سيما عند التعامل مع روابط كيميائية متنوعة.

مع ذلك، ونظرًا لإمكانية وجود محاذاة متعددة وتركيبات مختلفة للخصائص، فإن نمذجة الفارماكوفور لا تُنتج عادةً حلاً فريدًا واحدًا. لذا، يجب التحقق من صحة الفرضيات المُولَّدة باستخدام مجموعات اختبار خارجية أو بيانات تجريبية.

أصبحت أساليب التشابه الجزيئي القائمة على الشكل من أهم تقنيات الفحص الافتراضي وأكثرها شيوعًا. حاليًا، تُعتبر منصة الفحص المُحسّنة للغاية ROCS (التراكب السريع للهياكل الكيميائية) المعيار الصناعي الفعلي للفحص الافتراضي القائم على الشكل والمتمحور حول الليجاند. ^{[ 38 ] [ 39 ] [ 40 ]} تستخدم هذه المنصة دالة غاوسية لتحديد الأحجام الجزيئية للجزيئات العضوية الصغيرة. يُعد اختيار التكوين المطلوب أقل أهمية، مما يجعل الفحص القائم على الشكل مثاليًا للنمذجة القائمة على الليجاند: فوجود تكوين نشط بيولوجيًا للجزيء المطلوب ليس العامل المحدد للفحص، بل إن اختيار المركب (أو المركبات) المطلوب هو العامل الحاسم في أداء الفحص. ^{[ 16 ]} كما طُوّرت طرق أخرى للتشابه الجزيئي القائم على الشكل، مثل Autodock-SS. ^{[ 41 ]}

تعمل أساليب الفحص الافتراضي القائمة على المجال على توسيع أساليب التشابه القائمة على الشكل من خلال مراعاة ليس فقط الشكل الجزيئي ولكن أيضًا مجالات التفاعل الفيزيائي والكيميائي التي تحكم التعرف على الربيطة والمستقبل.

بدلاً من التركيز فقط على التداخل الهيكلي، تقارن هذه الأساليب إمكانيات التفاعل الجزيئي، مثل

• المجالات الكهروستاتيكية
• الحقول الكارهة للماء
• الحقول الفراغية
• إمكانات الترابط الهيدروجيني

من خلال تقييم هذه الخصائص في الفضاء ثلاثي الأبعاد، تهدف الأساليب القائمة على المجال إلى التقاط أنماط التفاعل الأساسية المسؤولة عن النشاط البيولوجي، مع البقاء مستقلة إلى حد كبير عن الهيكل الكيميائي المحدد لجزيء الاستعلام.

بالمقارنة مع الطرق القائمة على الشكل فقط، يمكن أن يوفر الفحص القائم على المجال وصفًا أكثر دقة للتشابه الجزيئي، لا سيما عندما تشترك المركبات المختلفة بنيويًا في خصائص تفاعل متشابهة. ^{[ 42 ] [ 43 ]}

نماذج العلاقة الكمية بين التركيب والنشاط (QSAR) هي نماذج تنبؤية تربط بين المؤشرات الجزيئية والنشاط البيولوجي باستخدام مجموعة بيانات من المركبات النشطة وغير النشطة المعروفة. وعلى عكس تحليل العلاقة النوعية بين التركيب والنشاط (SAR)، الذي يحدد الاتجاهات ضمن الفئات التركيبية، توفر QSAR علاقة رياضية كمية بين الخصائص الجزيئية والاستجابات البيولوجية المقاسة. ^{[ 6 ] [ 44 ]}

في نمذجة الفارماكوفور القائمة على البنية، يتم اشتقاق ميزات الفارماكوفور مباشرة من البنية ثلاثية الأبعاد لموقع الارتباط المستهدف، بدلاً من مجموعة من الروابط النشطة المعروفة.

تُحدد خصائص التفاعل الرئيسية - مثل مانحات ومستقبلات الروابط الهيدروجينية، والمناطق الكارهة للماء، والبقايا المشحونة، ومواقع ارتباط المعادن - بناءً على الترتيب المكاني لبقايا الأحماض الأمينية داخل جيب الارتباط. ^{[ 49 ] [ 50 ]} إذا توفرت بنية معقد البروتين-الرابط، فيمكن أيضًا استخلاص الخصائص الدوائية من تفاعلات الرابط-المستقبل المرصودة. ^{[ 51 ]}

يمثل نموذج الفارماكوفور الناتج نمط التفاعل الأساسي المطلوب للارتباط ويمكن استخدامه لفحص مكتبات المركبات.

يهدف الالتحام الجزيئي إلى التنبؤ بنمط الارتباط (الوضع)، وفي بعض الحالات، بتقارب الارتباط للرابط داخل الموقع النشط للبروتين المستهدف. ^{[ 52 ]}

تتضمن عملية الالتحام عنصرين رئيسيين:

1. خوارزمية البحث – تستكشف التوجهات والتكوينات المحتملة للرابطة داخل جيب الارتباط.
2. دالة التسجيل - تقدر قوة التفاعل بين الربيطة والمستقبل وتصنف الأوضاع المتوقعة وفقًا لذلك.

الهدف هو تحديد وضعية الارتباط الأكثر احتمالاً لربيطة معينة، وترتيب المركبات حسب الأولوية بناءً على تقارب ارتباطها المتوقع. ^{[ 6 ] [ 53 ]}

تتنبأ طرق الطي المشترك ببنية معقد البروتين-الرابط من خلال نمذجة المستقبل والرابط في آنٍ واحد، مما يسمح بالتكيف البنيوي أثناء الارتباط. وعلى عكس الالتحام الكلاسيكي، الذي يتعامل عادةً مع المستقبل على أنه صلب أو شبه مرن، تهدف طرق الطي المشترك إلى رصد تأثيرات التكيف المستحث بشكل أكثر وضوحًا.

تُجسّد أُطر التعلم العميق الحديثة، مثل Boltz-2 ^{[ 54 ]،} هذه الاستراتيجية من خلال التنبؤ ببنية المركبات المرتبطة مباشرةً من معلومات التسلسل والربيطة. ورغم أن هذه الأساليب تتطلب موارد حاسوبية أكبر من الالتحام التقليدي، إلا أنها تُبشّر بتحسين وضعيات الارتباط، ورفع دقة البنية، وتعزيز سير عمل الفحص الافتراضي القائم على البنية، لا سيما بالنسبة للأهداف المرنة أو المعقدة.