Гомологичное моделирование комплекса белка с лигандом¶

Традиционные ссылки на полезные ресурсы: ¶

• Уроки по работе с Modeller находятся здесь.

Цель данного занятия ознакомится с возможностями гомологичного моделирования комплекса белка с лигандом. В этом занятии мы будем пользоваться пакетом Modeller. Это программное обеспечение распространяется бесплатно для академических пользователей.

Вы будете работать с любым белком лизоцимом из Uniprot. Используя известную структуру лизоцима форели как образец, Вам необходимо построить модель комплекса Вашего белка с лигандом.

1. Загрузим модуль

import sys 
import modeller 
import _modeller
import modeller.automodel 

1. Зададим некторые параметры

env=modeller.environ()
env.io.hetatm=True

1. Скачаем белок заготовку

! wget http://www.pdb.org/pdb/files/1lmp.pdb

и последовательность

! wget http://www.uniprot.org/uniprot/PXXXX.fasta

1. Создадим объект выравнивание:

alignm=modeller.alignment(env)

и добавим последовательность и структуру

alignm.append(file='PXXX.fasta', align_codes='all',alignment_format='FASTA')
## создадим модель
mdl = modeller.model(env, file='ХХХХ.pdb', model_segment=('FIRST:'+'A', 'LAST:'+'A'))
## и добавим в выравнивание
alignm.append_model(mdl, atom_files='ХХХ.pdb', align_codes='1lmp')
## есть смысл поправить идентификаторы
alignm[0].code = '.....'

1. Делаем выравнивание и сохраняем:

alignm.salign()
alignm.write(file='all_in_one.ali', alignment_format='PIR')

1. Посмотрите содержимое all_in_one.ali, там всё хорошо?

1. Построим модель:

 ## Выбираем объект для моделирования 
 s = alignm[0]
 pdb = alignm[1]
 
 print s.code, pdb.code
 
 ## Создаем объект automodel
 a = modeller.automodel.automodel(env, alnfile='all_in_one.ali', knowns= pdb.co...... , sequence = s.code )
 
a.name='mod'+s.code
a.starting_model = 1
a.ending_model = 2
a.make()

1. Надо посмотреть результат:
   

   import nglview
   import ipywidgets
   w1 = nglview.show_structure_file('.....B99990001.pdb')
   w1
   

-----
А ГДЕ ЛИГАНД??
-----

1. Оказывается надо добавить три остатка лиганда к последовательности

Подсказки как сделать:

## Получить список остаков
alignm[n].residues
## Добавить в объект выравнивание последовательность из  строки
alignm.append_sequence(....

1. (Дополнительно) Поместите лиганд в другое место, переназначив объект automodel, это очень примерный код:
   

    class mymodel(modeller.automodel.automodel):
        def special_restraints(self, aln):
            rsr = self.restraints
            at = self.atoms
            for x,y in [('CG:83','O6:228')]:
            rsr.add(modeller.forms.gaussian(group=modeller.physical.xy_distance, 
                                            feature=modeller.features.distance(
                                            at[x],at[y]),mean=3.0, stdev=0.1))
    
   from modeller import *
   from modeller.automodel import *    
   a = mymodel(env, ...
   

и да подсказка: надо удалить рестрейны которые генерируются автоматически: ( можно через файл рестрейнов)

43 atoms in HETATM/BLK residues constrained
to protein atoms within 2.30 angstroms
and protein CA atoms within 10.00 angstroms

1. Доп. Найдите способ искать мутации для улучшения связывания по мотивам этого скрипта https://salilab.org/modeller/wiki/Mutate%20model

1. Гомологичное моделирование комплекса белка с лигандом #

   - Необходимо представить в отчёте результаты моделирования и результаты проверки качества структур.
   - Необходимо представить обсуждение результата.

1. Традиционные ссылки на полезные ресурсы: ##

   - Уроки по работе с Modeller [находятся здесь](http://salilab.org/modeller/tutorial/) VPN? или https://vsb.fbb.msu.ru/share/modeller/
   - [Colab](https://colab.research.google.com/drive/1Mld2l0DVzowppOm0947uE8sWWLj1HoMe)

Цель данного занятия ознакомится с возможностями гомологичного моделирования комплекса белка с лигандом. В этом занятии мы будем пользоваться пакетом Modeller. Это программное обеспечение распространяется бесплатно для академических пользователей.

Alphafold Design¶

Работу выполняем в среде Alphadesign

• Практикум по мотивам : https://github.com/sokrypton/ColabDesign

1. Загрузим быстрые пакеты для градиентов и линейной алгебры и ColabDesign
   

       
   import jax
   import jax.numpy as jnp
   from colabdesign.af.alphafold.common import residue_constants
   from colabdesign import clear_mem, mk_afdesign_model
   

1. Скачаем белок для модификации
   

       
   ! wget http://www.pdb.org/pdb/files/1l2y.pdb
   ! mkdir -p  /opt/alphadesign/
   ! curl -fsSL https://storage.googleapis.com/alphafold/alphafold_params_2022-12-06.tar | tar x -C /opt/alphadesign/
   

1. Зададим функцию потерь от радиуса инерции
   

       
   def rg_loss(inputs, outputs):
       positions = outputs["structure_module"]["final_atom_positions"]
       ca = positions[:,residue_constants.atom_order["CA"]]
       center = ca.mean(0)
       rg = jnp.sqrt(jnp.square(ca - center).sum(-1).mean() + 1e-8)
       rg_th = 2.38 * ca.shape[0] ** 0.365
       rg = jax.nn.elu(rg - rg_th)
       return {"rg":rg}
   

1. Зададим объект модели
   

       
   clear_mem()
   af_model = mk_afdesign_model(protocol="partial", data_dir='/opt/alphadesign/',
       loss_callback=rg_loss, # Это наша функция
       use_templates=False) 
   

1. Можно задать вес нашей функции
   

       
   af_model.opt["weights"]["rg"] = 0.1 
   

1. Теперь зададим степень насилия над PDB
   

       
   af_model.prep_inputs(pdb_filename="1l2y.pdb",
       chain="A",
       pos="1-7,15-19",       # Позиции, которые  мы хотим оставить неизменными
       length=30)          # Новый белок будет 30 аминокислот
   af_model.rewire(loops=[15]) # тут мы зададим размер петли между участками
   

2. Запуск
   

       
   af_model.restart(mode=["soft","gumbel","wildtype"])
   af_model.design_3stage(soft_iters=100, temp_iters=100, hard_iters=10)
   

1. Результаты
   

       
   af_model.save_pdb('afdes.pdb')
   af_model.plot_pdb()
   af_model.get_seqs()
   

- Оцените, что получилось. Выдвините предположение об предполгаемой стабильности пепетида

{{fnlist}}