Deep Learning in Drug Design: Protein-Ligand Binding Affinity Prediction

计算机科学 蛋白质配体 配体(生物化学) 药品 人工智能 计算生物学 药理学 生物化学 受体 化学 生物
作者
Mohammad Rezaei,Yanjun Li,Dapeng Wu,Xiaolin Li,Chenglong Li
出处
期刊:IEEE/ACM Transactions on Computational Biology and Bioinformatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:19 (1): 407-417 被引量:84
标识
DOI:10.1109/tcbb.2020.3046945
摘要

Computational drug design relies on the calculation of binding strength between two biological counterparts especially a chemical compound, i.e., a ligand, and a protein. Predicting the affinity of protein-ligand binding with reasonable accuracy is crucial for drug discovery, and enables the optimization of compounds to achieve better interaction with their target protein. In this paper, we propose a data-driven framework named DeepAtom to accurately predict the protein-ligand binding affinity. With 3D Convolutional Neural Network (3D-CNN) architecture, DeepAtom could automatically extract binding related atomic interaction patterns from the voxelized complex structure. Compared with the other CNN based approaches, our light-weight model design effectively improves the model representational capacity, even with the limited available training data. We carried out validation experiments on the PDBbind v.2016 benchmark and the independent Astex Diverse Set. We demonstrate that the less feature engineering dependent DeepAtom approach consistently outperforms the other baseline scoring methods. We also compile and propose a new benchmark dataset to further improve the model performances. With the new dataset as training input, DeepAtom achieves Pearson's R=0.83 and RMSE=1.23 pK units on the PDBbind v.2016 core set. The promising results demonstrate that DeepAtom models can be potentially adopted in computational drug development protocols such as molecular docking and virtual screening.
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