Evaluation of the docking algorithm based on tensor train global optimization

Abstract

Эффективность современной рациональной разработки новых лекарств зависит от точного моделирования связывания белка-мишени, ответственного за болезнь, с малыми молекулами (лигандами) — кандидатами в лекарства. Главный инструмент такого моделирования это программы докинга, осуществляющие позиционирование лигандов в белках-мишенях. Это позиционирование осуществляется в рамках парадигмы докинга, заключающейся в том, что лиганд связывается в белке в положении, соответствующем глобальному минимуму энергии системы белок-лиганд. Представлен новый алгоритм докинга на основе нового метода глобальной оптимизации с помощью тензорных поездов. Проведено тестирование соответствующей новой программы докинга на наборе 30 комплексов белок-лиганд с известной трехмерной структурой. Энергия системы белок-лиганд вычисляется с помощью силового поля MMFF94. Работа программы SOL-T сравнивается с результатами исчерпывающего поиска низкоэнергетических минимумов, выполненного программой докинга FLM на основе метода Монте Карло и с использованием больших суперкомпьютерных ресурсов. Показано, что программа SOL-T в 100 раз быстрее программы FLM и находит глобальный минимум энергии (найденный программой FLM) для 50% исследованных комплексов. Исследована работа программы SOL-T в зависимости от использованного ранга разложения с помощью тензорных поездов и показано, что при ранге 16 эффективность докинга с помощью SOL-T такая же, как и при ранге 64. Показано, что парадигма докинга выполняется не для всех исследованных комплексов белок-лиганд при использовании силового поля MMFF94. E ectiveness of modern rational new drugs development is connected with accurate modelling of binding between target-proteins responsible for the disease and small molecules (ligands) candidates to become drugs. The main modeling tools are docking programs for positioning of the ligands in the target proteins. Ligand positioning is realized in the frame of the docking paradigm: the ligand binds to the protein in the pose corresponding to the global energy minimum on the complicated multidimensional energy surface of the protein-ligand system. Docking algorithm on the base of the novel method of tensor train global optimization is presented. The respective novel docking program SOL-T is validated on the set of 30 protein-ligand complexes with known 3D structures. The energy of the protein-ligand system is calculated in the frame of MMFF94 force eld. SOL-T performance is compared with the results of exhaustive low energy minima search carried out by parallel FLM docking program on the base of Monte Carlo method using large supercomputer resources. It is shown that SOL-T docking program is about 100 times faster than FLM program, and SOL-T is able to nd the global minimum (found by FLM docking program) for 50% of investigated protein-ligand complexes. Dependence of SOL-T performance on the rank of tensor train decomposition is investigated, and it is shown that SOL-T with rank 16 has almost the same performance as SOL-T with rank 64. It is shown that the docking paradigm is true not for all investigated complexes in the frame of MMFF94 force eld.