多虚拟机协同计算在虚拟药物筛选中的应用研究(1)
[摘要] 基于分子对接的虚拟筛选方法已成为计算机辅助药物研究领域的一项重要技术，在揭示药物与机体标靶的作用机制以及药品研发过程中发挥着非常大的作用。使用传统的分子对接方法进行虚拟药物筛选，其操作流程复杂，无法实现自动对接以及计算结果自动收集。本文介绍的基于多虚拟机协同计算虚拟药物筛选平台，通过动态任务调度和脚本控制技术，采用分布式架构设计，实现了对接软件的自动操控和计算结果的自动收集，有效减少了筛选时间，大幅提高了筛选效率。
[关键词] 协同计算；虚拟药物筛选；脚本控制；虚拟机
[中图分类号] R914.2；TP393 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210(2018)06(a)-0146-04
[Abstract] The virtual screening method based on molecular docking has become an important technology in the field of computer aided drug research， which plays a very important role in revealing the mechanism of drug and the target of the body and in the process of pharmaceutical research and development. The traditional molecular docking method used in virtual drug screening is complex in the operation process， which cannot realize automatic docking and automatic collection of calculated results. Through dynamic task scheduling and script control technology and using distributed architecture design， the collaborative computing virtual drug screening platform based on multi virtual institutions introduced in this paper realizes automatic manipulation of docking software and automatic collection of calculated results， which reduces the screening time remarkably， and improve the screening efficiency greatly.
[Key words] Collaborative computing； Virtual drug screening； Script control； Virtual machine
虛拟药筛选是通过计算机来模拟和预测药物与生物大分子(受体)之间的作用关系，通过计算受体与配体的相互作用，筛选出在某些疾病中起到关键作用的先导化合物的方法[1]。随着计算机科学的进步和药物筛选水平的完善，虚拟筛选方法已逐渐发展成为计算机辅助药物设计的核心技术。虚拟筛选的目标是在已有的分子库中，挑选出新的先导化合物，减小化合物的筛选数量。为了提高筛选效率和命中率，通常利用高性能计算机进行自动化的大规模药物筛选，评估出分子的一般活性，明确方向，减少需要筛选的化合物的数目，进而缩短研发周期和节省经费[2]。本文介绍了在中药治疗冠心病药物筛选中，利用多虚拟机协同计算和脚本控制技术，通过部署桌面版Sybyl-X2.1 For Win软件进行虚拟药物筛选的基本框架和实现方法。
1 基于分子对接的虚拟筛选
Sybyl-X2.1是专业分子模拟和药物设计软件，通过Sybyl-X对从蛋白质三维数据库(PDB)中下载的25个标靶蛋白进行分析和预处理，准备蛋白结构和进行能量最小化处理。从中药数据库(TCMD)中选取1000个小分子配体构建中药小分子数据库，并导入Sybyl-X软件中，对小分子配体进行预处理和优化，以使配体分子更接近天然构象，将已优化好的1000个小分子配体保存为mol2 格式文件备用[3-4]。采用Sybyl-X软件中的Surflex-dock模块将中药小分子数据库中的小分子逐一与标靶蛋白进行柔性对接，寻找药物小分子与标靶蛋白作用的最佳构象，计算其相互作用及结合能。使用打分函数进行分子对接情况综合打分，该值越大，对接复合物越稳定，说明小分子化合物与标靶蛋白的匹配结合作用越好。通过统计评分筛选出得分较高的化合物分析并评价，最终筛选出与标靶蛋白结合最佳药物分子，预测其生物活性和进一步分析研究[5-7]。见图1。
2 自动化操作的原理与实现
2.1 AutoIT3概述
AutoIT3是一款脚本控制程序，用于编写Windows系统和软件的自动化操控脚本。通过编写脚本来模拟人工操作，从而实现对系统和软件的自动化操控技术。凡是在计算机上需要手动完成的操作，尤其是经常重复性的操作，都可以通过编写AutoIT3脚本来自动完成[8]。
2.2 窗体控件定位
窗体控件的精确识别与定位以及选择相对应的函数来实现模拟操作是实现自动化操控的关键。“Docking”是Sybyl-X软件对接窗体界面，主要包括文件路径选择、下拉列表的选择、复选框、按键等控件以及参数设置。由于AutoIT3只能识别标准的Windows控件，“Docking”的窗体控件属于非标准控件，其控件接口编号顺序每次启动都不一样，造成无法单纯依靠类和接口编号来精确定位相应控件。为了使脚本操控过程能准确定位相关控件，采用窗体控件相对坐标与控件函数相结合的方式进行定位操控[9-10]。利用“AutoIT3窗口信息工具”预先获取窗体标题和控件的相对坐标，通过编写自定义函数Dock_Win()来完成标靶蛋白和中药小分子文件的加载，图2展示了“Docking”窗口控件操控自定义函数代码和含义。, http://www.100md.com(李晓燕 李建志 李京忠)
[关键词] 协同计算；虚拟药物筛选；脚本控制；虚拟机
[中图分类号] R914.2；TP393 [文献标识码] A [文章编号] 1673-7210(2018)06(a)-0146-04
[Abstract] The virtual screening method based on molecular docking has become an important technology in the field of computer aided drug research， which plays a very important role in revealing the mechanism of drug and the target of the body and in the process of pharmaceutical research and development. The traditional molecular docking method used in virtual drug screening is complex in the operation process， which cannot realize automatic docking and automatic collection of calculated results. Through dynamic task scheduling and script control technology and using distributed architecture design， the collaborative computing virtual drug screening platform based on multi virtual institutions introduced in this paper realizes automatic manipulation of docking software and automatic collection of calculated results， which reduces the screening time remarkably， and improve the screening efficiency greatly.
[Key words] Collaborative computing； Virtual drug screening； Script control； Virtual machine
虛拟药筛选是通过计算机来模拟和预测药物与生物大分子(受体)之间的作用关系，通过计算受体与配体的相互作用，筛选出在某些疾病中起到关键作用的先导化合物的方法[1]。随着计算机科学的进步和药物筛选水平的完善，虚拟筛选方法已逐渐发展成为计算机辅助药物设计的核心技术。虚拟筛选的目标是在已有的分子库中，挑选出新的先导化合物，减小化合物的筛选数量。为了提高筛选效率和命中率，通常利用高性能计算机进行自动化的大规模药物筛选，评估出分子的一般活性，明确方向，减少需要筛选的化合物的数目，进而缩短研发周期和节省经费[2]。本文介绍了在中药治疗冠心病药物筛选中，利用多虚拟机协同计算和脚本控制技术，通过部署桌面版Sybyl-X2.1 For Win软件进行虚拟药物筛选的基本框架和实现方法。
1 基于分子对接的虚拟筛选
Sybyl-X2.1是专业分子模拟和药物设计软件，通过Sybyl-X对从蛋白质三维数据库(PDB)中下载的25个标靶蛋白进行分析和预处理，准备蛋白结构和进行能量最小化处理。从中药数据库(TCMD)中选取1000个小分子配体构建中药小分子数据库，并导入Sybyl-X软件中，对小分子配体进行预处理和优化，以使配体分子更接近天然构象，将已优化好的1000个小分子配体保存为mol2 格式文件备用[3-4]。采用Sybyl-X软件中的Surflex-dock模块将中药小分子数据库中的小分子逐一与标靶蛋白进行柔性对接，寻找药物小分子与标靶蛋白作用的最佳构象，计算其相互作用及结合能。使用打分函数进行分子对接情况综合打分，该值越大，对接复合物越稳定，说明小分子化合物与标靶蛋白的匹配结合作用越好。通过统计评分筛选出得分较高的化合物分析并评价，最终筛选出与标靶蛋白结合最佳药物分子，预测其生物活性和进一步分析研究[5-7]。见图1。
2 自动化操作的原理与实现
2.1 AutoIT3概述
AutoIT3是一款脚本控制程序，用于编写Windows系统和软件的自动化操控脚本。通过编写脚本来模拟人工操作，从而实现对系统和软件的自动化操控技术。凡是在计算机上需要手动完成的操作，尤其是经常重复性的操作，都可以通过编写AutoIT3脚本来自动完成[8]。
2.2 窗体控件定位
窗体控件的精确识别与定位以及选择相对应的函数来实现模拟操作是实现自动化操控的关键。“Docking”是Sybyl-X软件对接窗体界面，主要包括文件路径选择、下拉列表的选择、复选框、按键等控件以及参数设置。由于AutoIT3只能识别标准的Windows控件，“Docking”的窗体控件属于非标准控件，其控件接口编号顺序每次启动都不一样，造成无法单纯依靠类和接口编号来精确定位相应控件。为了使脚本操控过程能准确定位相关控件，采用窗体控件相对坐标与控件函数相结合的方式进行定位操控[9-10]。利用“AutoIT3窗口信息工具”预先获取窗体标题和控件的相对坐标，通过编写自定义函数Dock_Win()来完成标靶蛋白和中药小分子文件的加载，图2展示了“Docking”窗口控件操控自定义函数代码和含义。, http://www.100md.com(李晓燕 李建志 李京忠)