跳到主要内容

Uni-MM PB/GBSA Structure

简介​

计算配体与蛋白质受体的结合自由能是药物发现的一个常见手段。分子力学泊松-玻尔兹曼表面积（MM/PBSA）和分子力学广义玻恩表面积（MM/GBSA）是计算结合自由能最常用的方法之一。它比大多数分子对接打分函数更准确，比自由能微扰方法计算效率更高。

深势科技团队基于分子动力学模拟方法发布了Uni-GBSA——结合自由能自动计算套件 ，可以自动地完成MM/GB(PB)SA计算的拓扑准备、结构优化和结合自由能计算整个流程，并且可以应用于百万级别分子库的筛选和排序。此外，研究团队在包含1864个蛋白质-配体复合物体系的PDBBind-2011 refine-set上进行了系统化的参数测试，确定了一套通用的MM/GB(PB)SA计算参数，使Uni-GBSA的默认参数设置能在绝大多数体系上有可靠的表现。在案例研究中，Uni-GBSA与实验结合亲和力产生了令人满意的相关性，并且在分子富集方面优于AutoDock Vina[1]。

import_structure

您可通过Hermite平台的Uni-MM PB/GBSA模块使用Uni-GBSA，Uni-MM PB/GBSA 提供友好的图形化任务提交及结果分析界面，并支持百万级别的批量分子的计算。

在本教程中，你将学习使用Uni-MM PB/GBSA模块预测SARS-CoV-2主要蛋白酶（SARS-CoV-2 Main Protease）与5种虚拟筛选的化合物抑制剂的结合自由能 [2]，理解化合物抑制剂对SARS-CoV-2 Main Protease的结合亲和力。

此教程中使用的蛋白结构文件：

7B2U.pdb

此教程中使用的化合物结构文件：

7B2J_5.sdf

7B5Z_6.sdf

7B77_8.sdf

7NEO_15.sdf

7O46_17.sdf

本教程中使用的抑制剂的IC50实验值：

PDB ID化合物IC50（μM）
7O46170.15
7NEO156.60
7B2J57.20
7B5Z638.50
7B77879.30

1. 蛋白体系准备​

1.1 Protein Preparation入口​

左侧通用菜单栏Function → General → Protein Preparation。

注：蛋白准备详情见《Protein Preparation》。

1.2 Select Structure​

选择“Select File” → 上传本地文件“7B2U.pdb”

“7B2U.pdb”被加载到Protein Preparation参数设置面板。

1.3 Select Polymer、Water(s)、Other Groups to Keep​

Select Polymer to Keep下选中B链蛋白，Select Water(s) to Keep下选择“Delete All Water(s)”，并点击 “Next”（此蛋白结构中无other groups）。

1.4 Select Missing Residues to Repair & Prepared Settings​

Select Missing Residues to Repair：本案例中无Missing Residues，无需选择。

Prepared Settings：取消勾选Energy Minimization选项。

Job Name命名为“SARS-CoV-2 Protein Prepare”，点击“Submit”提交任务。

1.5 查看蛋白准备结果​

Protein Preparation计算任务一般在十几秒到几分钟内完成，任务完成后，通过点击Job，查看相应任务；

Job List处，任务“SARS-CoV-2 Protein Prepare”右侧点击“show”按钮，将准备后的蛋白结构展示在3D Workspace内，检查蛋白结构。

2. MM PB/GBSA structure​

2.1 MM PB/GBSA structure入口​

左侧通用菜单栏 Function → Binding Affinity Evolution → MM PB/GBSA Structure

2.2 Select a Prepared Protein​

点击“Project”，弹出的窗口中选择 “SARS-CoV-2 Protein Prepare” 作为准备后的蛋白结构，点击 OK。

点击 OK 后，系统会自动检查输入的蛋白是否符合计算要求，状态为“Processing”；

大约不到1分钟，系统会判断该蛋白为“Valid”状态，点击“Next”。

注：MM PB/GBSA支持载入蛋白的原子数上限为2000，分子量上限为12800，不允许非标氨基酸，不允许有共晶小分子，不允许带其他溶剂。更多蛋白选择方式的操作说明，详见《蛋白及配体选择 》。

2.3 Select Ligands​

点击 “From File”，在本地文件夹中选中7O46_17.sdf、7NEO_15.sdf、7B77_8.sdf、7B5Z_6.sdf、7B2J_5.sdf化合物结构，导入配体结构。

5个配体结构将被载入 “Selected File”。系统会自动检查输入的Ligand是否符合计算要求，状态为“Processing”，随后，系统会判断该配体为“Valid”状态，点击Next。更多配体选择方式的操作说明，详见《蛋白及配体选择》。

2.4 Confirm and Setting​

本教程中，Solvation Mode选择“PBSA”；

勾选“Total Decomposition Contribution Analysis”选项，对残基能量进行分解；

“Job Name” 命名为 “SARS-CoV-2 MMPBSA”；

其余参数保持默认值，点击“Submit”提交任务。

参数选项含义注
Solvation Mode
（确定表面积生成方式）		PBSAPBSA方法基于Poisson-Boltzmann方程，该方程描述了带电粒子在连续介电介质中的静电潜能。PBSA方法通常在精度上优于GBSA，尤其是对于处理复杂离子分布的系统。
GBSAGBSA方法基于Generalized Born（GB）近似，是Poisson-Boltzmann方程的简化版本，用于估计溶剂化时的静电效应。GBSA在计算上比PBSA更为简便快速，通常用于大规模的筛选或预测任务。
Protein Force FieldAmber03、Amber99sb、Amber99sb-ildn、Amber99sb-star-ildn-mut选择蛋白力场推荐使用Amber03
Ligand Force Fieldgaff2、gaff选择配体力场推荐使用gaff2
Energy Minimization选择是否能量最小化
Dielectric Constant介电常数，是一个描述材料中电场（电荷之间的力）如何减弱的物理量。推荐默认值。
Implicit Solvent Dielectric Constant隐式溶剂介电常数，代表了隐式溶剂模型中连续介电场的介电常数。推荐默认值。
Non-polar Surface Constant非极性表面常数，通常指的是用来计算非极性表面自由能的参数。推荐默认值。
非极性表面常数的值需要通过实验数据校准或从文献中获得。
Total Decomposition Contribution Analysis计算氨基酸残基的能量贡献——

3. MM PB/GBSA结果分析​

3.1 任务查看入口​

左侧通用菜单栏Job → Job List，找到“SARS-CoV-2 MMPBSA”计算任务，点击 “Show”。

3.2 结果列表​

计算得到的结合自由能结果顺序如下图所示。通过和实验IC50值对比，5种化合物抑制剂的结合能预测排序均比较准确。

结果表明，Uni-MM PB/GBSA模块能够比较准确预测化合物抑制剂的结合自由能排序，可以用于预测化合物抑制剂和蛋白的结合亲和力，为药物设计和优化过程提供理论支持。

PDB IDCompoundIC50（μM）MM PBSA（kcal/mol）
7O46170.15-14.559
7NEO156.60-14.521
7B2J57.20-11.179
7B5Z638.50-7.074
7B77879.30-6.625

MM PB/GBSA计算结果

  • 提供溶剂态、气态和总和3种维度的ΔG数据：

    • ΔGgas=ΔGMM+ΔGvdw+ΔGeleΔG_{gas}=ΔG_{MM}+ΔG_{vdw}+ΔG_{ele}

    • ΔGsol=ΔGploar+ΔGnonpolarΔG_{sol}=ΔG_{ploar}+ΔG_{nonpolar}

    • ΔG=ΔGgas+ΔGsolvΔG=ΔG_{gas}+ΔG_{solv}

    • ΔG=ΔGCOM−ΔGREC−ΔGLIGΔG=ΔG_{COM}-ΔG_{REC}-ΔG_{LIG}

3.3 Pose展示​

点击图中红框处“3D”按钮，将对应本行数据的蛋白和配体构象呈现在3D Workspace中

import_structure

相关操作：

按钮含义界面展示注
import_structure
ΔG		查看ΔG各能量项数值import_structure提供溶剂态、气态和总和3种维度的ΔG数据：
ΔGgas=ΔGMM+ΔGvdw+ΔGeleΔG_{gas}=ΔG_{MM}+ΔG_{vdw}+ΔG_{ele}
ΔGsol=ΔGploar+ΔGnonpolarΔG_{sol}=ΔG_{ploar}+ΔG_{nonpolar}
ΔG=ΔGgas+ΔGsolvΔG=ΔG_{gas}+ΔG_{solv}
ΔG=ΔGCOM−ΔGREC−ΔGLIGΔG=ΔG_{COM}-ΔG_{REC}-ΔG_{LIG}
import_structure
Decomposition		氨基酸残基能量分解import_structure如在计算时，勾选了“Total Decomposition Contribution Analysis”，则可以查看该明细
import_structure
Download		单个下载import_structure——
import_structure批量下载import_structure下载步骤：
1）点击“Download”按钮，选择下载输出的参数；
2）显示“Link is preparing”，等待加载完成；
3）加载完成之后，点击“Download Link”按钮，点击URL链接下载计算结果。

4. 参考文献​

[1] Maohua Yang, Zonghua Bo, Tao Xu, Bo Xu, Dongdong Wang, Hang Zheng, Uni-GBSA: an open-source and web-based automatic workflow to perform MM/GB(PB)SA calculations for virtual screening, Briefings in Bioinformatics, Volume 24, Issue 4, July 2023, bbad218, https://doi.org/10.1093/bib/bbad218

[2] Ultralarge Virtual Screening Identifies SARS-CoV-2 Main Protease Inhibitors with Broad-Spectrum Activity against Coronaviruses. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 7, 2905–2920