Discovery Studio药物发现与生物大分子计算模拟平台

Discovery Studio™（简称DS），基于Windows/Linux系统，面向生命科学领域的新一代分子建模和模拟环境。它服务于生命科学领域的实验生物学家、药物化学家、结构生物学家、计算生物学家和计算化学家，应用于蛋白质结构功能研究，以及药物发现。为科学家提供易用的蛋白质模拟、药物的设计与优化工具。通过高质量的图形界面、经多年验证的科学算法以及集成的环境，DS将实验数据的保存、管理与专业水准的建模、模拟工具集成在一起，为研究队伍的合作与信息共享提供平台。

 

Discovery Studio的主要模拟功能包括：

  •  生物大分子：蛋白/核酸的序列分析、蛋白进化分析、蛋白质三维结构的预测与模拟、蛋白质结构表面电荷分析及pKa值预测、膜蛋白的结构预测与模拟、抗体的设计与分析、蛋白理性设计、虚拟氨基酸突变、二硫键预测、丙氨酸扫描、饱和突变、蛋白聚集效应预测、核酸的设计与模拟、蛋白（核酸）-蛋白（核酸）相互作用、X-ray晶体结构解析等；

  •  计算化学：分子力学计算和分子动力学模拟、量子力学/分子力学（QM/MM）计算等；

  •  基于靶标结构药物设计：配体-靶标相互作用（分子对接）、全新药物设计、me too/me better药物设计、分子对接、基于结构的虚拟筛选、基于片段的药物设计等；

  •  基于配体药物设计部分：完全基于配体的药效团设计、基于配体-受体复合物的药效团设计、化合物数据库的构建和筛选、药效团数据库的构建与保存、基于药效团数据库的反向找靶、定量构效关系（QSAR/QSPR）、构效关系分析（MMP）、虚拟组合化学库的设计与分析、类药性筛选、化合物构象搜索和分析、化合物ADMET性质预测等；

      基于上述模拟功能，Discovery Studio的应用涵盖药物、化学、生物三大学科，研究领域包括：疾病的发病机理研究、新药发现和设计、生物信息学、结构生物学、酶学、免疫学、病毒学、蛋白质工程、肿瘤研究等。

Discovery Studio功能模块简介

基本界面和显示模块

  •  Discovery Studio Standalone

  •  Discovery Studio Visualizer Client

  •  Pipeline Pilot Server

  •  Discovery Studio Visualizer

  •  ActiveX Control

蛋白质模建及模拟模块

  •  DS MODELER

  •  DS Protein Refine

  •  DS Protein Families

  •  DS Protein Health

  •  DS Sequence Analysis

  •  DS Protein Docking

  •  DS Biopolymer

  •  DS Aggregation

分子力学、分子动力学、分子力学/量子力学模拟模块

  •  DS CHARMm

  •  DS CHARMm Lite

  •  DS CFF （高级II类力场）

  •  DS MMFF （Merck Molecular Force Field）

  •  DS Analysis

  •  DS QUANTUMm

基于结构的药物发现和设计模块

  •  DS Flexible Docking

  •  DS LigandFit

  •  DS LibDock

  •  DS LigandScore

  •  DS CDOCKER

  •  DS GOLD interface

基于片段的药物设计模块

  •  DS Ludi

  •  DS De Novo Evolution

  •  DS MCSS

  •  DS Grow Scaffold

  •  DS Replace Fragment

基于药效团的药物发现和设计模块

  •  DS Catalyst Conformation

  •  DS Catalyst Hypothesis

  •  DS Catalyst Shape

  •  DS Catalyst Score

  •  DS Catalyst Structure Based Pharmacophore （SBP）

  •  DS Catalyst DB Build

  •  DS Catalyst DB Search

  •  DS De Novo Ligand Builder

  •  PCDB （PharmaCoreDB）

  •  PharmaDB

基于小分子的药物发现和设计模块

  •  DS QSAR，DS QSAR+

  •  DS DMOL3 Descriptor

  •  DS Library Design

  •  DS ADMET

  •  DS TOPKAT

生物大分子X-ray晶体结构解析模块

  •  DS X-RAY

 

基本界面和显示模块

  •  Discovery Studio Standalone

可视化界面，是利用Discovery Studio软件进行分子设计和模拟的基础，支持“服务器（server）-客户端（client）”安装在同一台机器上的运行模式。与Pipeline Pilot Server结合在一起，提供化学/生物学数据显示、动态变化展示、三维作图、动画的输出等显示功能，及许多其它模拟分析功能，如三维分子的构建、受体结合口袋的快速显示、基于MMP方法的SAR分析、基于化学反应进行片Me too/Me better药物设计、基于电子等排体替换的骨架跃迁以及二硫键突变位点预测。

 

  •  Discovery Studio Visualizer Client

“服务器（server）-客户端（client）”运行模式中、客户端的可视化界面，用于访问和使用服务器端的Discovery Studio软件。必须与服务器端配置的Pipeline Pilot Server协同工作，为用户提供数据、工作流程和计算资源的共享。

 

  •  Pipeline Pilot Server

软件的计算服务器端。

 

  •  Discovery Studio Visualizer

免费的分子结构显示和分析软件，包含Discovery Studio Visualizer Client的部分显示功能，但无法与计算服务器Pipeline Pilot连接。此产品通过注册下载获得。

 

  •  ActiveX Control

免费的分子三维结构显示插件。适用于Windows环境，该插件可以帮助用户在IE、Powerpoint中直接显示和分析分子的三维结构。此产品通过注册下载获得。

 

蛋白质模建及模拟模块

  •  DS MODELER

只要给出未知结构序列与另一个已知三维结构且具有一定同源性的蛋白，利用工业标准的快速同源模建方法，便可自动并快速预测蛋白结构。可预测的蛋白结构类型包括酶、抗体、跨膜蛋白。对于靶标发现及蛋白家族功能结构分析，MODELER是一个理想的解决方案。用MODELER还可以模拟蛋白突变，进行loop区模建及基于结构的比对并构建有配体结合的蛋白结构模型。结合Sequence Analysis模块，可以全自动完成抗体Fab区、Framework区以及全长抗体结构的模建。结合Discovery Studio里模拟及以结构为基础的药物设计的功能模块，用MODELER还可以深入研究蛋白结构及功能的关系。同时，MODELER程序支持并行计算。

 

  •  DS Protein Refine

利用CHARMm对模建好的蛋白质进行侧链和loop区的优化，提高蛋白同源模型的准确性。

 

  •  DS Protein Families

分析蛋白家族蛋白序列的保守模式以及在三维结构上保守残基的位置，可以在分子水平上更好地了解到蛋白功能机制。Protein Families简单易用的流程（protocols），也可一步步地引导用户进行分析，从蛋白家族的序列或结构比对，到进化踪迹分析。而进化踪迹分析包括用分层聚类的方法来建立蛋白家族系统树（phylogenetic tree）图以及把这些得到的功能注释信息画到你的三维结构上去。进行序列比对时，允许根据需要对比对结果添加约束，提高活性部位关键残基的比对效果。

 

  •  DS Protein Health

蛋白质三维结构合理性评价工具。Protein Health模块运用Profiles 三维方法，通过将三维结构的结构环境与特定氨基酸残基的优先外界环境相比较，获得相关结构性质与氨基酸序列信息之间的关系。通过Protein Health模块的分析，用户可以方便快速地找到蛋白质结构中不合理的区域。

 

  •  DS Sequence Analysis

与功能已知的其它蛋白序列进行比对，是确定蛋白生物功能的第一步。用Sequence Analysis可以让用户使用BLAST及PSI-BLAST算法来搜索本地数据库或者NCBI网上数据库，确定蛋白序列的同源区域。搜索结果在交互的报告格式里显示以方便进行进一步的分析及在其它Discovery Studio模块里面的使用。基于上述分析序列分析结果，可以进行进化树的构建和分析。Discovery Studio同时还支持抗体建模中CDR loop区的数据库搜索、识别和注释功能。

 

  •  DS Protein Docking

快速而准确的蛋白-蛋白复合物结构预测工具。Protein Docking采用经典可靠的ZDOCK算法预测蛋白-蛋白复合物结构。共包括ZDOCK、ZRANK、RDOCK三个计算模块。ZDOCK用于蛋白-蛋白刚性对接，RDOCK则基于CHARMm能量zei小化方法优化ZDOCK得到的结构。Discovery Studio中还提供Process Pose protocol等强大的分析工具（ZRANK），实现对ZDOCK结果进行包括聚类分析在内的分析功能，帮助用户方便快速地缩小范围，锁定感兴趣的复合物结构。

 

  •  DS Biopolymer

DS Biopolymer模块整合了Delphi功能，为用户提供操作简单易学且实用的模型搭建以及生物大分子静电势分析工具。DS Biopolymer可用于搭建和修饰蛋白质和小肽分子、将蛋白质复合物分成不同的组分、快速产生肽类或蛋白质分子的性质分析报告、计算大分子和小分子的静电势分布和溶剂化能以及蛋白氨基酸残基pKa值的计算等方面。DS Biopolymer产生的小分子以及生物大分子模型可以在Discovery Studio其他模块中进行进一步的分析。在X-ray晶体结构分析领域，该模块不仅可以用来够解析蛋白质模型（使用X-BUILD技术）与X-ray电子密度图的匹配性，还可以用来合理放置配体（使用X-LIGAND技术）的位置。

 

  •  DS Aggregation

预测抗体、蛋白、多肽等生物类型的药物在制造、生产过程的聚集效应，从而确定其稳定性。通过预测影响蛋白自聚集的氨基酸位点，来进行氨基酸突变，从而实现蛋白设计与优化。

 

分子力学、分子动力学、分子力学/量子力学模拟模块

  •  DS CHARMm

工业标准的分子力学及动力学程序。基于哈佛的CHARMM模拟引擎，CHARMm不断开发升级并增加zei新的功能。利用经典而强大的CHARMm计算引擎及CHARMm系列力场，进行分子动力学模拟，动态研究蛋白、核酸、糖类、脂质、多肽、小分子及相应的复合物等多种分子在不同环境和状态下的热力学及动力学特性。基于DS CHARMm还可以采用虚拟的丙氨酸扫描（computational alanine scanning）、饱和突变（Saturated Mutation）方法分析氨基酸突变对蛋白质热稳性、受体蛋白-配体亲和力的影响，从而快速高效地进行蛋白质设计与优化。在Discovery Studio中CHARMm也可应用于基于结构的药物设计模块。基于CHARMm的对接算法CDOCKER可以精确预测蛋白-配体相互作用关系，在此基础上，利用CHARMm还可以进行考虑药效团限制的分子对接。同时，通过熵的计算可以进一步提高MM-GBSA和MM-PBSA受体-配体结合自由能计算的准确性。用户可以使用CHARMm组件定制复杂的模拟流程，也可以将该流程与其它计算应用软件整合在一起使用。支持CHARMm、charmm36、charmm27、charmm22、charmm19力场，可模拟多种Poisson-Boltzmann （PB）和Generalized Born （GB）类型的隐形溶剂模型。支持并行计算。在DS4.0版本中又引入了NAMD模拟引擎，使得计算速度更快。

 

  •  DS CHARMm Lite

用CHARMm Lite预测配体与受体亲合力，可得到配体更加精确的打分及排序。CHARMm Lite也可用经过验证的CHARMm、CFF或MMFF力场及其它几个优化算法进行原位的配体优化，它的应用还可扩展到大量配体的高通量分析。所有的工作都可以在后台并行计算。

 

  •  DS CFF （高级II类力场）

第二类全原子力场，可以应用于蛋白、核酸、糖类、脂质、多肽等大部分生物分子及小分子结构的模拟研究。

 

  •  DS MMFF （Merck Molecular Force Field）

来自于从头计算和实验数据的第二类力场，专为准确处理构象能和非键相互作用而设计，用于配体或有机小分子的模拟研究。

 

  •  DS Analysis

分子动力学结果分析和显示模块。能够分析和显示蛋白质、蛋白质与配体复合物的分子动力学轨迹文件，包括对轨迹进行主成分分析，计算径向分布函数等。可以将蛋白质、蛋白质-配体复合物的轨迹文件以动态、曲线图和表格的方式表现出来。Analysis模块可以帮助用户很好地理解酶催化机制、受体激活以及细胞信号转导过程中分子构象与能量间的相互影响。在研究受体-配体相互作用时，能够对分子对接的结果进行快速聚类分析。

 

  •  DS QUANTUMm

使用量子力学/分子力学（QM/MM）方法可以从电子水平精确优化靶标蛋白-配体复合物中，结合位点处的构象和能量，计算精度高于单纯的力学优化。其中量化方法采用基于密度泛函理论的DMOL3程序，力学优化采用CHARMm。需要用户定义相应的QM区和MM区。

 

基于结构的药物发现和设计模块

  •  DS Flexible Docking

受体柔性对接工具（“体柔性对接工具（“e D对接工具），可以实现配体与受体双柔性对接，模拟配体与受体结合时的“诱导——契合“效应。Flexible Docking模块先对蛋白活性口袋的侧链产生多个构象，然后将配体对接到受体的活性口袋当中，zei后对得到的配体-受体复合物结构进行优化。Flexible Dockingzei大的优势在于准确，可以精细地研究配体-受体的相互作用信息，适合于作用机理研究。需要DS CHARMm， DS LibDock， DS Catalyst Conformation， DS Protein Refine模块支持。

 

  •  DS LigandFit

基于形状匹配的分子对接程序，采用模拟特卡罗方法对小分子的柔性进行采样。LigandFit模块可以方便快速地将小分子化合物对接到生物大分子的活性位点中，是一个快速、灵活的分子对接程序，可以考虑配体结合取向、结合构象以及形状匹配等多种因素。LigandFit在高通量虚拟筛选时可并行计算。同时具有设置interaction filter的功能。

 

  •  DS LibDock

快速的分子对接工具，适用于对大规模数据库进行快速精确的虚拟筛选。LibDock根据小分子构象与受体相互作用热区（Hotspot）匹配的原理将这些构象对接到受体的结合口袋当中，其zei大的优势在于速度快，可以并行运算，适合于进行大规模虚拟筛选，与DS Catalyst Conformation中的CAESAR等快速生成构象的方法结合使用更佳。

 

  •  DS LigandScore

采用经过验证的打分函数以及特定的描述符，评价受体-配体间的相互作用。通过对LigandFit对接结果的分析，可帮助用户确定结合模式方面可能存在的问题，区分正确或错误的结合构象，把不同结合构象的配体依次排序以供筛选或合成使用。可自定义参数，可将所有设置保存并与其他使用者共享。LigandScore在高通量的虚拟筛选时也可并行计算。

 

  •  DS CDOCKER

是基于CHARMm的对接程序，采用soft-core potentials以及optional grid representation将配体分子与受体活性位点进行对接。首先采用动力学的方法随机搜索小分子构象，随后采用模拟退火的方法将各个构象在受体活性位点区域进行优化，从而使对接结果更加准确。Dock Ligands （Pharmacophore Restraints and CHARMm）方法还可以在使用CHARMm力场进行对接的过程中考虑药效团的限制，这一功能的实现需要DS CHARMm和DS Catalyst Score的支持。

 

  •  DS GOLD interface

DS提供了GOLD程序的接口，并提供了设置interaction filter的功能。需要用户有GOLD软件才能使用。

 

基于片段的药物设计模块

  •  DS Ludi

全新药物分子设计工具。使用Ludi来发现新的具有潜在活性的化合物，可节省研究者大量的时间。Ludi强大的设计工具允许使用者在实验分析之前模拟筛选，并允许对已有的化合物进行改造。Ludi易于操作，它包含有drug-like片段库，同时也允许用户将自己的分子片段加入到片段库中。

 

  •  DS De Novo Evolution

在Ludi连接模式基础上发展而来的基于受体的小分子药物从头设计方法。在给定母核结构的情况下，DS De Novo Evolution可以自动地为研究人员设计潜在的与受体有高亲和力的小分子化合物，大大缩短了全新小分子药物发现及改造的周期。DS De Novo Evolution能够在一定分子骨架的基础上发现与受体结合位点结构和化学特征互补的全新小分子，并可以进行不同层次的优化，包括分子水平和片段水平，是设计Me-Better类药物分子的有力工具。同时使用者可以用试剂价格或象药性等原则来限定所设计连接点上的取代基，通过这种方法设计得到的分子可以是易于实验合成的或者是具有更好的药代动力学性质的。

 

  •  DS MCSS

基于片段的药物设计工具。可以将多个分子片段同时对接进入蛋白质的结合位点，寻找片段的zei佳结合位置区域，是强有力的全新药物设计工具，也可以用来表征和分析蛋白质结合位点处的特性。这一功能的实现需要DS CHARMm Lite。

 

  •  DS Grow Scaffold

基于药化反应生长片段工具。能够选取配体分子中某个原子或者某一个基团作为反应位点，选取经典的药化反应，如：酰胺合成反应、***合成反应。可选择性的采用MM-GBMV/SA模型优化配体分子和/或选取的部分蛋白分子侧链。采用独特的受体药效基因特征指纹的方法探测受体-配体相互作用。zei后根据蛋白口袋匹配特性枚举化合物并进行帕累托优化。

 

  •  DS Replace Fragment

基于电子等排体替换的骨架跃迁工具。可以在有受体蛋白结构的指导下进行或者脱离蛋白结构的需要单独进行。可选择性的采用MM-GBMV/SA模型优化配体分子和/或选取的部分蛋白分子侧链。采用独特的受体药效基因特征指纹的方法探测受体-配体相互作用。也可以选择性的采用用户自定义的分子描述符以基于结构相似性对分子进行排序和过滤。zei后根据蛋白口袋匹配特性枚举化合物并进行帕累托优化。

 

基于药效团的药物发现和设计模块

  •  DS Catalyst Conformation

多样、完全且快速的构象模型生成工具，可以选择采用Polling或CAESAR算法，也可采用系统搜索或随机方法生成构象，生成的构象可用于产生药效团模型或进行数据库搜索。

 

  •  DS Catalyst Hypothesis

对一组化合物进行基于特性结构的比对并自动生成药效团模型的工具。这些特性结构包括亲疏水性基团、氢键给体/受体和正/负电荷基团等。产生药效团模型时如果提供具体的活性数据，可以产生3D-QSAR药效团并用之来预测新化合物的活性，如果在产生药效团的过程中考虑排除体积，从而引入受体占有空间位阻的信息，精修后得到的药效团模型可以提高预测能力；产生药效团模型时如果不提供具体的活性数据，可根据化合物和药效团叠合、匹配的情况对候选分子或三维数据库搜寻结果的活性进行定性的评价。对于已知受体-配体结合模式的晶体结构复合物，用户可以基于该复合物真实的相互作用特性直接产生具有选择性的药效团模型。

 

  •  DS Catalyst Shape

用一个特定化合物的形状作模板，确定可能与此模板具有相似形状的化合物。该模块是对基于化学特征药效团搜寻方法的一个有效补充。

 

  •  DS Catalyst Score

提供了分子和药效团之间比较、叠合的工具，快速地评价或排序实验得到的或数据库中的化合物。

 

  •  DS Catalyst Structure Based Pharmacophore （SBP）

基于受体结构产生精准的药效团模型。SBP从受体位点的特性直接得到相互作用位点图，并且将这个信息转化成适用于快速三维数据库检索的药效团模型。这些相互作用位点图还可以进行编辑、分类，以确保只有zei重要的信息会被保留下来用于虚拟筛选。同时SBP中还可考虑受体活性位点处氨基酸残基的空间排布，使得通过虚拟筛选得到的分子不仅满足和受体结合位点化学特征上的互补，还可以在空间上很好地结合在活性位点空腔处。SBP引入了那些使用受体结构信息的zei佳方法，这些方法已经在高通量筛选的实验环境中所使用。Catalyst SBP模块还可以将配体分子一次与多个药效团模型同时进行匹配，从而为配体分子寻找可能的作用靶标或预测其选择性及可能的毒副作用。使用Catalyst SBP模块，用户可以方便地构建属于自己的药效团数据库。

 

  •  DS Catalyst DB Build

建立及管理化合物的三维结构数据库，它可以与MDL ISIS数据库建立联系。

 

  •  DS Catalyst DB Search

基于药效团进行数据库搜索

Discovery Studio药物发现与生物大分子计算模拟平台信息由北京创腾科技有限公司为您提供，如您想了解更多关于Discovery Studio药物发现与生物大分子计算模拟平台报价、型号、参数等信息，欢迎来电或留言咨询。

注：该产品未在中华人民共和国食品药品监督管理部门申请医疗器械注册和备案，不可用于临床诊断或治疗等相关用途