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Cyclodextrins: Establishing building blocks for AI-driven drug design by determining affinity constants in silico

生物信息学 结合亲和力 元动力学 分子动力学 生物系统 化学 小分子 计算机科学 力场(虚构) 计算生物学 组合化学 计算化学 人工智能 生物 生物化学 受体 基因
作者
Amelia Anderson,Ángel Piñeiro,Rebeca García‐Fandiño,Matthew S. O’Connor
出处
期刊:Computational and structural biotechnology journal [Elsevier BV]
卷期号:23: 1117-1128 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.csbj.2024.02.011
摘要

Cyclodextrins (CDs) are cyclic carbohydrate polymers that hold significant promise for drug delivery and industrial applications. Their effectiveness depends on their ability to encapsulate target molecules with strong affinity and specificity, but quantifying affinities in these systems accurately is challenging for a variety of reasons. Computational methods represent an exceptional complement to in vitro assays because they can be employed for existing and hypothetical molecules, providing high resolution structures in addition to a mechanistic, dynamic, kinetic, and thermodynamic characterization. Here, we employ potential of mean force (PMF) calculations obtained from guided metadynamics simulations to characterize the 1:1 inclusion complexes between four different modified βCDs, with different type, number, and location of substitutions, and two sterol molecules (cholesterol and 7-ketocholesterol). Our methods, validated for reproducibility through four independent repeated simulations per system and different post processing techniques, offer new insights into the formation and stability of CD-sterol inclusion complexes. A systematic distinct orientation preference where the sterol tail projects from the CD's larger face and significant impacts of CD substitutions on binding are observed. Notably, sampling only the CD cavity's wide face during simulations yielded comparable binding energies to full-cavity sampling, but in less time and with reduced statistical uncertainty, suggesting a more efficient approach. Bridging computational methods with complex molecular interactions, our research enables predictive CD designs for diverse applications. Moreover, the high reproducibility, sensitivity, and cost-effectiveness of the studied methods pave the way for extensive studies of massive CD-ligand combinations, enabling AI algorithm training and automated molecular design.

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