Quantitative structure-property relationship modeling algorithms, challenges and IT solutions
Ondřej Skřehota · 2010
V soucasnosti je dostupno mnoho experimentalnich a predikovaných dat o 3D strukturach organických molekul a biomolekul. Jednou z klicových metodik zpracovani je Quantitative Structure-Property Relationship (QSPR) modelovani. Tato metodologie popisuje molekuly skrze různe numericke hodnoty (zvane deskriptory), ktere obsahuji strukturalni charakteristiky molekul. Nasledně je deskriptorů využivano k pocitani vlastnosti molekul. QSPR modelovani se stalo velmi popularnim v chemickem, biologickem a farmaceutickem výzkumu. Hlavnim důvodem je, že predikce těchto vlastnosti je velmi narocna a QSPR modelovani poskytuje efektivni způsob odhadu těchto hodnot. Navic, vstupy pro QSPR modely jsou jsou molekularni struktury, ktere jsou snadno a volně dostupne pro mnoho molekul. Vzhledem k tomu, že QSPR modelovani je velmi mladým oborem, neni dostupný žadný obecný softwarový balicek pro automatizaci a zjednoduseni procesu tvorby QSPR modelu. Z tohoto důvodu jsme navrhli a vytvořili modularni a snadno rozsiřitelný software nazvaný QSPR Designer, který umožňuje automatizovat proces navrhu QSPR modelu a jeho evaluaci. Tento software dokaže nacist nebo vypocitat strukturalni vlastnosti molekul, použit je jako QSPR deskriptory, efektivně navrhout a parametrizovat QSPR modely, předpovědět fyziochemicke vlastnosti molekul a vyhodnotit modely. Kvalita a výkon aplikace QSPR Designer byla demonstrovana ctyřmi připadovými studiemi zabývajicimi se predikci pKa pro sadu 143 fenolových molekul. V prvni připadove studii jsme zpracovali velkou sadu deskriptorů (parcialni atomove naboje spoctene za pomoci kvantově-mechanických přistupů) a nalezli podmnožinu sady deskriptorů relevantnich pro QSPR modelovani. Druha připadova studie byla zaměřena na navrh, evaluaci a porovnani QSPR modelů pro pKa predikci za využiti vsech 75 postupů výpoctu nabojů. Nas nejlepsi model predikoval pKa ctvercovou hodnotou Pearsonova koeficientu R2 0,969. Ve třeti připadove studii jsme se pokusili o predikci pKa z empirických nabojů spoctených metodou EEM. Tato metoda je velmi rychla a byla implementovana přimo do aplikace QSPR Designer. Metoda EEM rovněž poskytla slibne výsledky (hodnota R2 0,907. Posledni připadova studie se věnuje analýze výkonu QSPR Designeru a ukazuje možnosti QSPR modelingu v realnem case.