基于Hadoop环境下蛋白质与配体分子对接模拟实验研究

蛋白质种类和小分子的数量过多,对于药物的模拟开发运算量巨大。而分子对接是研究新药的重要手段,因此提高分子对接实验系统的工作效率十分重要。分子对接主要目的是研究蛋白质受体和配体小分子之间的作用与联系。本文通过模拟实验,搭建了一个Hadoop平台,并利用Hadoop强大的并行计算能力对蛋白质(1ppe与1uy6)与多组数量不同的配体小分子进行对接,最后对工作过程进行了相应的比较与优化。实验结果表明,该系统可以有效提高对接效率,并且具有较好的稳定性和便利性。     

CAPRI第32～37轮竞赛中蛋白质复合物结构的预测和评估

为了探究蛋白质复合物的结构与相互作用,建立了蛋白质的分子对接方法,从2014年起参加蛋白质复合物结构预测竞赛的预测和打分竞赛.该方法首先采用结构模建方法预测单体蛋白质分子的结构,通过快速傅里叶变换进行全空间构象搜索.然后,优化蛋白质复合物构象,并采用全原子统计势函数进行评价.总结第32~37轮CAPRI竞赛结果发现,该方法在T104、T105、T111和T118比赛中挑选出了L_(RMSD)小于2.0×10~(-10)m的近天然结构.通过对比其他国际优秀课题组的方法,分析预测和打分比赛中取得的成绩和不足之处,并为后续的研究提出了改进方案与建议.     

基于CPU和GPU异构的蛋白质分子半柔性对接算法优化

分子对接是预测蛋白质复合物的有效手段。对于分子对接算法的优化旨在加速分子对接效率,降低计算成本,以及充分发挥计算资源的利用率。本文主要采用3个方案对半柔性对接算法进行优化：（1）方案一在CPU端进行优化;（2）方案二在方案一的基础上,利用CUFFT的移植工具CUFFTW为方案一提供部分GPU并行接口;（3）方案三利用GPU并行架构,通过CPU和GPU的协同处理,利用纯并行计算接口进行优化。3种方案对PDB code分别为1PEE,1B6C,4HX3和2SNI的测试蛋白进行结合态和自由态的对接,求得的最小均方根偏差L_RMSD小于5 Å,满足了复合物结构预测竞赛要求的中等精度结构标准,验证了对接结果的正确性。最后在保证结果正确性的前提下,测试了不同蛋白在不同方案下的运行速率;在保证不同蛋白对接效率相同的前提下,以1PPE为例,比较了不同方案下的对接速率。实验结果表明在同等旋转步长并保证程序运行结果正确性的前提下,最终的优化效果可提速近10倍,有效改进了半柔性对接算法的运行速率。     

计算机模拟技术在SARS-CoV-2病毒分子机制研究中的应用

由新型冠状病毒（SARS-CoV-2）引发的严重急性呼吸系统综合症到目前为止仍然是影响人类健康的重要问题，病毒突变体的不断出现给药物治疗以及疫苗设计带来了严重的挑战。因此，对于新冠病毒生命周期的分子机制及其突变逃逸机制的研究十分重要。包括分子动力学模拟在内的计算机模拟方法在病毒机制研究方面得到了广泛的应用，故对近年来模拟技术在SARS-CoV-2病毒研究方面的发展状况进行调查，特别探究了分子动力学模拟在刺突蛋白（S蛋白）及其突变体和ACE2以及中和抗体的结合中的应用。     

机器学习预测化合物的雌雄激素受体活性

预测一种化合物的雌雄激素受体的活性，对于避免暴露于环境中类似雌雄激素的化学物质是非常重要的。采用包括支持向量机、随机森林等多种机器学习方法，利用Binding Database数据库建立了预测活性的定量结构-活性关系（quantitative structure-activity relationship,QSAR）模型，并对模型进行验证与评估。评估结果发现，随机森林结合扩展连通性分子指纹对数据集预测准确率为0.83，其受试者工作特征曲线（receiver operating characteristic curve, ROC）得到的数据集曲线下面积（area under curve, AUC）为0.892，表明该模型具有广泛且良好的预测能力。该研究建立的活性预测模型可用于化合物的活性预测，为内分泌化合物的活性评估和风险管理提供参考。     

序列组装在蛋白质测序技术中的方法

从头测序技术是应用于蛋白质组学的测序方法。与其他测序技术相比，从头测序技术的优势是在不依赖数据库搜索和无需PCR扩增的基础上对DNA或者蛋白质进行测序。目前，从头测序技术也广泛应用于蛋白质组学领域。研究人员为了将测序技术所得的短序列reads进一步组装成一条完整的序列，就需要使用序列组装方法。首先，介绍了测序技术的发展背景、从头测序技术的概念以及序列组装算法的出现；其次，总结了基于Overlap-Layout-Consensus策略、de Bruijn图策略和Greedy策略的序列组装算法的具体概念和成果；最后，阐述了序列组装算法面临的挑战。     

HIV-1 gp41蛋白与其抑制剂NB-2的结合模式

为了设计以HIV-1跨膜蛋白gp41为靶点的抑制剂,采用分子对接、分子动力学模拟及自由能计算方法研究了gp41与其抑制剂NB-2的结合模式,利用从头药物设计方法,通过改造NB-2的结构,设计了有效的gp41选择性抑制剂,并用分子对接方法评价了这些新化合物的结合模式和能力.从分子对接结果得到2种主要的NB-2与gp41的结合模式.分子动力学模拟和自由能计算结果表明,结合模式1优于模式2,所以模式1是比较合理的结合模式.从结合模式1出发设计了103个新的化合物,这些化合物具有已知gp41抑制剂所没有的结构特征且大部分化合物比NB-2与gp41的结合自由能低.得到的结合模式合理解释了NB-2与gp41的相互作用.     

蛋白质分子机器结构的特性分析及去折叠研究

分子机器是指由分子尺度的物质构成且能行使某种加工功能的机器,主要构件是蛋白质等生物分子。三维空间结构决定了蛋白质的相关特性和功能,理解蛋白质的氨基酸（残基）序列如何折叠成特定的三维空间结构,即蛋白质结构的折叠机制及其特性对于分子机器的研究具有重要意义。因此,使用一种快速简单的研究蛋白质结构折叠机制信息的模拟方法很有必要。本文主要基于蛋白质的自然状态拓扑,采用高斯网络模型研究了蛋白质GB1,分析了其结构特性及其结构的展开过程,与相关实验和分子动力学模拟数据吻合良好,表明该弹性网络模型适用于蛋白质结构的研究。     

分子动力学模拟在药物与膜相互作用研究中的应用

药物与细胞膜的相互作用是决定药物在体内吸收、分布、代谢与排泄的关键因素之一,最终影响临床上的药效与毒副作用.对药物透膜过程的分子动力学模拟可在原子层面上提供药物与膜相互作用的丰富信息,从而指导药物分子的设计与优化以及载药体系如脂质粒的优化.从磷脂双分子层模型、全原子/联合原子模型方法及粗粒化模型方法、膜性质关键参数分析等方面展开介绍,并对系列药物分子与膜的相互作用分子动力学模拟应用实例进行了综述.