Force Field

[컴퓨터를 이용한 신약개발] Force field
생명과학 신현길 (2018-04-09)

아래 사이트에서 해당 내용을 가져왔습니다. 참고하시면 좋겠습니다. 신현길님 감사합니다.
https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=292968&BackLink=L215Ym9hcmQvbGlzdC5waHA/Qm9hcmQ9bmV3cyZQQVJBMz0yMQ==

실제 단백질 구조는 고정되어 있는 것이 아니라 끊임없이 움직이고 있는데, 이러한 움직임은 ligand와 단백질간의 상호작용에도 영향을 미친다.

# Flexible Docking

이러한 단백질의 움직임을 시뮬레이션 하기 위한 목적으로 개발된 force field 들이 있는데,
force field를 적용해서 단백질 구조와 ligand 구조의 변화를 같이 변화시키는 docking 방법을 flexible docking이라 하고,

# Rigid Docking

단백질 구조를 고정시키고 계산하는 방법을 rigid docking이라 부른다.
(flexible docking이 꼭 force field를 사용해서 진행되는 것은 아니고 다른 방법들도 여러가지 존재하며, docking을 한 논문들을 보면 rigid docking을 수행한 경우가 대부분이다.)

Force field는 potential energy function과 각 함수에 사용되는 parameter set으로 구성된다.

1. Potential energy function

Potential energy function은 크게 bonded interaction과 nonbonded interaction으로 나눌 수 있다.

1.1. Bonded interaction

그림 1. Bonded interaction
Bonded interaction은 직접적으로 화학 결합을 하고 있는 원자 간의 상호작용을 계산하기 때문에 분자 내에서의 상호작용(intramolecular interaction)을 계산하는데 사용되며 bond stretching, angle bending, torsion, improper dihedral에 의한 상호작용을 합해서 계산한다. (그림1)

그림2. Cross term 예시
Cross term은 bond, angle, dihedral angle, improper dihedral angle을 조합해서 표현한 항을 의미한다. (그림2)

1.2. Nonbonded interaction

그림3. Nonbonded interaction
Nonbonded interaction은 직접적으로 화학결합을 하고 있지 않은 원자 간의 상호작용을 계산하기 때문에 분자 간의 상호작용(intermolecular interaction)을 계산하는데 주로 사용된다. (그림3) Electrostatic interaction과 Van der Waals interaction을 합해서 계산한다.

2. Parameter set

실제 force field를 이용해서 계산을 하면 입력된 분자구조에서 원자 쌍을 선택해서 에너지 계산이 진행되며 선택된 원자의 타입에 따라 다른 parameter가 선택되어 potential energy function을 계산하게 된다.

2.1. Atom typing (원자 타입 정의)

원자를 구분하는 방식을 atom typing 이라고 한다. 단순히 원자의 종류뿐 아니라 해당 원자의 주변에 위치한 원자들 종류 및 결합 방식에 따라 원자의 특성이 달라지기 때문에 원자는 주변의 화학적 환경에 따라 분류가 되며 각 원자 타입 별로 다른 parameter를 사용해서 계산이 진행된다. (예: amide group에 있는 carbonyl carbon과 carboxylate에 있는 carbonyl carbon은 서로 다른 타입) 원자 타입이 구체적일수록 계산이 정확해지지만 동시에 각각에 대한 parameter를 추가해야 하는 어려움이 발생한다.

2.2. Partial charge (부분 전하)

원자 타입과 별개로 각각의 원자들에 대한 부분전하가 할당이 되어야 계산을 할 수 있다. 각 원자 타입마다 미리 정의해 놓은 부분 전하를 할당하는 방법과 계산 시작과 동시에 전하를 일정한 규칙에 따라 할당하는 방법이 있다. 후자의 경우 초기 전하를 각 원자에 할당해준 뒤 결합을 하고 있는 원자의 타입에 따라 일정 전하를 나눠주면서 부분 전하를 결정하게 된다. 양자 계산을 통해 얻어진 부분 전하 값을 적용해서 계산을 하기도 한다.

Reference

1. Kenno Vanommeslaeghe et al., Molecular mechanics, Current pharmaceutical design, 2014, 20, 3281-3292

출처: [BRIC Bio통신원] [컴퓨터를 이용한 신약개발] Force field ( https://www.ibric.org/myboard/read.php?Board=news&id=292968 )