Active learning guided drug design lead optimization based on relative binding free energy modeling

工作流程 生物信息学 计算机科学 配体效率 自由能微扰 计算生物学 分子动力学 生化工程 化学 机器学习 配体(生物化学) 工程类 计算化学 生物 生物化学 受体 基因 数据库
作者
Filipp Gusev,Evgeny Gutkin,Maria Kurnikova,Olexandr Isayev
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2022-krs1t
摘要

In silico identification of potent protein inhibitors commonly requires prediction of a ligand binding free energy (BFE). Thermodynamics integration (TI) based on molecular dynamics (MD) simulations is a BFE calculation method capable of predicting accurate BFE, but it is computationally expensive and time-consuming. In this work, we developed an efficient automated workflow for identifying compounds with the lowest BFE among thousands of congeneric ligands which requires only hundreds of TI calculations. Automated Machine Learning (AutoML) orchestrated by Active Learning (AL) in AL-AutoML workflow allows unbiased and efficient search for a small set of best performing molecules. We applied this workflow to select inhibitors of the SARS-CoV-2 papain-like protease. Our work resulted in predicting 133 compounds with improved binding affinity among which 16 compounds with better than 100-fold binding affinity improvement. The hit rate obtained here is better than that of traditional projects where molecule selection is guided by an expert medicinal chemist. We demonstrated that a combination of an AL protocol provides at least 20x the common brute force approaches.
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