簡介
BRIDGE（Biomolecular Reaction and Interaction Dynamics Global Environment）是一個開源的網絡平臺，旨在為設計可靠的方法提供一個環境來進行可重復的生物分子模擬。它建立在著名的星系生物信息學平臺上，通過這種方式，BRIDGE在公共Web服務器上托管計算化學工具以供Internet使用，并使用Docker容器平臺為本地用戶提供獨立于機器和操作系統的可移植性。這種構造提高了分子模擬計算方法的可及性、可共享性和可重復性。
BRIDGE平臺可準備、模擬、分析和可視化分子模擬，特別是分子動力學模擬和自由能計算。該平臺通過常用的軟件，如NAMD、GROMACS和CHARMM，實現蛋白質的基本分子動力學模擬。BRIDGE可以用來建立和模擬生物大分子，從軌跡數據中進行構象分析，并對大規模蛋白質運動進行嚴謹的統計分析（圖1）。作者以典型的短蛋白纖維二糖水解酶I（CBH1）舉例，來展示通過BRIDGE平臺的工具來研究CBH1構象變化。使用拉氏圖計算寡糖配體關鍵糖苷鍵的ψ和φ二面角圖（圖1B）；接著計算蛋白質Cα原子的均方根偏差（RMSD）直方圖，從RMSD直方圖可以看出，其存在三種不同的構象（圖1C）；蛋白質構象變化可以使用統計分析模塊中的工具進行更詳細的研究。在本案例中，作者通PCA分析5 ns CBH1軌跡中具有統計意義的構象（圖1D）。?
圖 1. （A）BRIDGE的MD模擬界面概述；（B-D）CBH1蛋白構象變化的研究內容
圖片來源于：Bioinformatics
隨著，計算機輔助藥物分子設計的應用越來越廣，對于蛋白受體和配體的結合自由能的計算變得尤其重要。精確而快速的自由能計算手段將會大大提高藥物設計的效率，達到事半功倍的效果。目前關于自由能計算的方法很多，基本上可以分為基于煉金術（alchemistry）自由能計算（FEP，TI等）和基于反應坐標的自由能計算方法（MTD、Umbrella Sampling等）。小分子與受體的結合自由能（FE）可以分為計算一個小分子與受體的絕對結合自由能（ABFE）或一系列相關配體對受體的相對結合自由能（RBFE），其中RBFB計算具有速度和精度上的優勢，在基于配體結構的藥物優化設計中最常用。但當沒有參考結構時，或結構間的擾動在計算上難達到的，ABFE計算最有用。BRIDGE采用煉金術自由能計算方法計算自由能，同時通過MD或Monte Carlo模擬采集足夠的構象，由于計算過程也將熵貢獻考慮進來了，得到的結合自由能更準確。
Galaxy/BRIDGE可以在GitHub上開放訪問https://galaxy-compchem.ilifu.ac.za/）。用戶界面簡單明了（圖2），工具顯示在左側面板中，可以使用工具菜單頂部的上載圖標上載數據，而頂部菜單欄包含共享資源、用戶帳戶和其他信息。進度歷史記錄顯示在右側面板中，有關當前所選工具或數據集的信息顯示在中央面板中。
本文主要以案例的形式講述BRIDGE綜合自由能工具（應用程序）來計算絕（相）對自由能，預測配體親和力指導先導化合物的優化。
圖 2. Galaxy/BRIDGE的界面概述
圖片來源于：Bio-protocol
案例
首先以RBFE計算的工作流示例（圖3）。包括使用GROMACS工具進行FEP模擬的設置和說明，從“煉金術設置”工具中選擇結構和拓撲文件輸出，并定義所需的模擬參數?？梢苑譃樗膫€步驟（圖3B），（i） 能量最小化，（ii）NVT系綜平衡，（iii）NPT系綜平衡（iv）NPT系綜下的FEP模擬，這一過程是全自動的，并針對每個熱力學窗口執行。RBFE計算完成后，通過活性位點在水溶劑中的自由能變化得RBFE值，煉金術分析工具用來審閱輸出，并驗證模擬的收斂性，FEP模擬和窗口選擇的質量。一旦建立了協議，就可以共享連接所有設置、運行和分析步驟的工作流。配體在水中或受體活性位點的模擬，都可以在同一個工作流程中運行。工作流確保計算的可重復性，可以實現多配體-蛋白質結合實驗的高通量計算，并且工作流允許項目主管、合作者或文章評審者對模擬進行獨立驗證。
為了進一步說明BRIDGE如何協助于藥物發現，作者以CDK2蛋白的自由能計算為例。并且采用地理位置遙遠的資源，使用相同的工作流程計算，并將所得的RBFE數值結果進行合并（圖3C），重現了基準測試結果，其中配體RBFEs在1 kcal/mol的耐受范圍內，與實驗數據也匹配很好，說明BRIDGE不受地理位置的影響。
圖 3. (A)BRIDGE的界面; (B)?RBFE計算的工作流程; (C)基準測試結果
圖片來源于：JCIM
眾多周知，對于配體糖基轉移酶結合的MD模擬和自由能計算比大多數蛋白質-配體情況更具挑戰性。而在BRIDGE平臺中，糖基轉移酶建模方面的專業知識可以很容易地共享，使用者可以直接采用已經由專業人員創建的協議，不需要繁瑣的安裝等操作。
為了說明使用不同的自由能方法在開發藥物的優勢，作者計算了β-半乳糖苷α-2,3-唾液酸轉移酶I（ST3Gal-I）與潛在的三個抑制劑小分子的自由能（ΔΔG），并將計算結果與根據IC50值換算的實驗ΔΔG值進行了對比（圖4）。作者選擇的ST3Gal-I抑制劑具有高度柔韌性和帶電荷的磷酸鹽基團，尤其是IN3分子，由于分子柔性很大，ABFE計算需要大量的計算資源，并且計算收斂性差，盡管在NVIDIA Tesla V100上運行，都需要16天的時間。綜合ABFE和RBFE的結果表明，結合自由能按照IN3 < IN2 < IN1的順序增加，與先前報道的實驗結果一致。由于這三個分子之間的唯一區別是R基團，作者推測羧酸基團對小分子和蛋白的結合是必要的。三個分子中，IN1與蛋白結合最強，為了解釋這個原因，可以通過BRIDGE平臺上的工具來分析小分子與蛋白之間的相互作用特征（在本例中是氫鍵作用）以及對蛋白質進行PCA等分析。這些基本的工具和預先設計的工作流程都可以服務于先導化合物的優化。
圖 4. ST3Gal-I酶與三個抑制劑小分子的自由能計算過程與結果
圖片來源于：JCIM
小結
BRIDGE平臺的計算過程，結果，自由能計算分析等會自動保存在歷史記錄中，可用于共享方法，協議及數據，從而重現自由能模擬。作者以ST3Gal-I為例闡述了利用BRIDGE在先導化合物的發現和優化中的應用，可協助藥物的開發?？偟膩碚f，BRIDGE使蛋白質-配體結合自由能計算變得可訪問、可重復和可共享，可供新手和高級用戶以及地理位置分散的協作用戶使用。而且，BRIDGE利用工作流可以實現自由能高通量篩選方法的自動化。
參考文獻
Senapathi, Tharindu, et al. BRIDGE: An Open Platform for Reproducible ??High-Throughput Free Energy Simulations.?J. Chem. Inf. Model.2020
Senapathi, Tharindu, et al. Biomolecular Reaction and Interaction Dynamics Global Environment (BRIDGE). Bioinformatics. 2019 Sep 15;35(18):3508-3509