Mit einem VR-Framework können Wirkstoffe simuliert und die Modelle zur Kooperation mit anderen Forschungsgruppen geteilt werden. Eingesetzt wird es für die Entwicklung von SARS-CoV-2 Medikamenten.
Eine Methode der Medikamentenforschung ist es, die Haupt-Protease eines Virus in ihrer Funktionsweise zu stören. Die Haupt-Protease ist ein Enzym, das für die Reproduzierfähigkeit eines Virus verantwortlich ist. Gesucht wird nach Enzym-Inhibitoren – Wirkstoffen, die möglichst fest an dieses Enzym binden und es in seiner Funktion hindern. Für diese Suche setzen Forscher Modellierungs- und Simulationssoftware ein. An der University of Bristol haben Wissenschaftler um Prof. Adrian Mulholland eine Simulations- und Modellierungssoftware entwickelt, die mit virtueller Realität (VR) arbeitet. »Wir haben demonstriert, dass sich mit virtueller Realität Virusproteine und die Bindung von Inhibitoren an Enzyme modellieren lassen«, sagt Prof. Mulholland, Erstautor der zugehörigen Publikation im Journal of Chemical Information and Modeling. Forschern stehe die Software zur Verfügung, um die Wirkungsweise von Enzymen und deren Inhibitoren zu untersuchen. Die Modelle, die in Mulhollands Arbeitsgruppe entwickelt werden, teile man bereits mit der Forschungsgemeinschaft, so der Professor.
Moleküldynamiken simulieren
Das entwickelte VR-Framework ermöglicht die Simulation von Molekülen – und auch die anschließende Interaktion, um die Wirkungsweisen von Medikamenten auf das Molekül zu ermitteln. Das Framework wird frei zur Verfügung gestellt (offener Quellcode), trägt den Namen »Narupa« und kann mit kommerziell verfügbarer VR-Hardware genutzt werden.
Innerhalb der Arbeitsgruppe von Prof. Mulholland erstellen die Forscher mit dem Framework ein 3D-Modell der Haupt-Protease von SARS-CoV-2 und visualisierten über iMD-VR-Technik (Interactive Molecular Dynamics Simulations in VR) die Bindung von möglichen Inhibitoren auf Molekularebene.
Neues Werkzeug für Institutsübergreifende Forschung
Als großen Vorteil der VR-Simulation sehen die Forscher die Möglichkeiten zur intuitiven Visualisierung von Molekülbindungen und der vereinfachten Zusammenarbeit mit anderen Forschungsgruppen. Die Rechenleistung für die Simulationen wird über Cloud-Systeme bereitgestellt. Auf sie können Arbeitsgruppen von verschiedenen Orten weltweit zugreifen und sich im gleichen virtuellen Labor zur Molekül-Modellierung treffen, obwohl sie in z.B. Berlin, Bristol und Tel Aviv sind. An dem Projekt ist auch das US-Unternehmen Oracle beteiligt. Es stellt Cloud-Dienste zur Verfügung, die auf den Forschungsbetrieb ausgelegt sind. Alison Derbenwick Miller, Vice President von Oracle for Research stellt den Unterschied zwischen der Entwicklung der Forscher aus Bristol und den traditionellen computergestützten Simulationsverfahren so heraus: »Computergestützte Modellierung von Wirkstoffen gegen das SARS-CoV-2 Spike-Protein waren enorm wichtig im Wettrennen gegen die Pandemie. Narupa stellt eine deutliche Weiterentwicklung dieses Ansatzes dar, indem es die VR-Technik in die Simulation von Moleküldynamiken mit einbezieht.«
Die Originalpublikation ist im Journal of Chemical Information and Modeling unter dem Titel erschienen: Interactive molecular dynamics in virtual reality (iMD-VR) is an effective tool for flexible substrate and inhibitor docking to the SARS-CoV-2 main protease.
Quelle:
Foto: An der University of Bristol wurde das VR-System Narupa für die Modellierung und Simulation von Proteinen entwickelt.
