GlycoSHIELD：新软件为药物开发带来革命性变革

GlycoSHIELD 改变了蛋白质上糖链的建模方式，以其快速、用户友好和高能效的算法促进了药物开发，标志着绿色计算和医学研究取得了重大进展。由 GlycoSHIELD 生成的 GABAA 受体（灰色）在膜（红色）上的糖屏蔽（绿色）模型。资料来源：Cyril Hanus，Inserm，巴黎西特大学

细胞表面超过 75% 的蛋白质都被糖类覆盖。这些糖类分子在蛋白质周围形成了非常动态的保护罩。然而，由于糖的流动性和可变性，我们很难确定这些保护罩的行为方式，或它们如何影响药物分子的结合。

项目负责人、Dioscuri 翻译后修饰建模中心主任马特乌斯-西科拉（Mateusz Sikora）和他在克拉科夫的团队，以及德国美因河畔法兰克福马克斯-普朗克生物物理研究所（Max Planck Institute of Biophysics）的合作伙伴，与巴黎医学研究院（Inserm）、塔佩中央研究院（Academia Sinica）和不来梅大学（University of Bremen）的科学家合作，利用计算机解决了这一难题。他们的新算法 GlycoSHIELD 功能强大，可以快速而逼真地模拟蛋白质表面的糖链。与传统的仿真工具相比，GlycoSHIELD 可以减少几个数量级的计算时间和功耗，为绿色计算铺平了道路。

从数千小时到几分钟

糖保护层对蛋白质与其他分子（如治疗药物）的相互作用有很大影响。例如，冠状病毒尖峰蛋白上的糖层使天然抗体或疫苗诱导的抗体难以识别病毒，从而将病毒从免疫系统中隐藏起来。因此，糖屏蔽在药物和疫苗研发中发挥着重要作用。对其形态和动态进行常规预测可使药物研究受益匪浅。然而，到目前为止，利用计算机模拟来预测糖层结构只能在特殊的超级计算机上通过专家知识来实现。在许多情况下，需要数千甚至数百万小时的计算时间。

通过 GlycoSHIELD，Sikora 的团队提供了一种快速、环保的开源替代方案。"我们的方法减少了资源、计算时间和所需的专业技术知识，"Sikora 说。"现在，任何人都可以在几分钟内通过个人电脑计算蛋白质上糖分子的排列和动力学，而无需专业知识和高性能计算机。此外，这种新的计算方式非常节能。该软件不仅可用于研究，还有助于药物或疫苗的开发，例如癌症免疫疗法。"

糖做的拼图

研究小组是如何实现如此高的效率提升的呢？作者们创建并分析了一个包含数千种最可能的三维姿态的资料库，这些姿态都是人类和微生物蛋白质上最常见的糖链形式。通过长时间的模拟和实验，他们发现，要可靠地预测糖屏蔽，附着的糖不与膜或蛋白质的一部分发生碰撞就足够了。

该算法正是基于这些发现。"GlyoSHIELD 用户只需指定蛋白质和糖的连接位置。然后，我们的软件就会在蛋白质表面以最可能的排列方式拼出它们，"Sikora 解释说。"我们可以准确地再现尖峰蛋白的糖屏蔽：它们看起来与我们在实验中看到的一模一样！有了 GlycoSHIELD，现在就可以用糖信息来补充新的和现有的蛋白质结构。"科学家们还利用 GlycoSHIELD 揭示了 GABAA 受体上的糖模式，这是镇静剂和麻醉剂的一个重要目标。

由马克斯-普朗克协会发起的 Dioscuri 中心旨在帮助加强和扩大中欧和东欧的优秀研究成果。马特乌斯-西科拉（Mateusz Sikora）曾是马克斯-普朗克生物物理研究所的博士后研究员，自2023年5月起，他作为波兰克拉科夫雅盖隆大学（Jagiellonian University）翻译后修饰建模中心（Dioscuri Centre for Modelling of Posttranslational Modifications）的负责人，开始接受双边资助项目的资助。

马克斯-普朗克生物物理研究所理论生物物理系主任格哈德-胡默（Gerhard Hummer）作为他在德国的合作伙伴为他提供了支持，并为这项工作做出了贡献。在不到一年的时间里，西科拉已经凭借他的绿色算法取得了巨大成功，并帮助波兰成为一个具有吸引力和竞争力的研究基地。

编译自:ScitechDaily