本发明涉及计算机模拟生化反应过程技术领域，具体涉及一种使用计算机模拟金属配合物与dna相互作用的方法。
背景技术：
许多抗癌药物通常把dna作为重要的靶向目标，通过与dna相互作用从而影响癌细胞的一系列生理活动，比如dna的转录复制和蛋白质的合成等。抗癌药物依然对靶向dna缺乏高效性和特异性，探究抗癌药物与dna的相互作用是极其重要的。实验上通过uv-vis紫外可见光谱、圆二色光谱、熔点测定、黏度测定以及溶胶电泳等方法可以研究金属配合物与dna的相互作用，但是不能得出具体的结合构象和解释作用机理。由于实验研究具有一定的局限性，因此通过分子对接模拟对金属配合物与dna的相互作用进行研究，将在计算机辅助药物设计方面发挥巨大作用。
分子对接模拟就是配体分子识别受体分子活性结合的部位，根据能量互补性、几何互补性以及化学环境互补原理来评估配体分子与受体分子的相互作用效果，并且搜索配体分子与受体分子之间的最好结合构象。目前很多分子对接软件都需要在大型计算机服务器上运行，并且配体的分子结构不容易获得。因此基于以上情况，采用结合gaussian软件和autodock对接软件在普通计算机上对金属配合物与dna的相互作用进行模拟计算。首先对金属配合物在gaussian软件中进行结构优化，可以得到配体的准确结构，然后在autodock软件(包括autodock子程序和autogrid子程序)中使用更加优良的拉马克遗传算法对金属配合物与dna进行分子模拟对接，可以提高准确度，最后将对接结果进行排列分析。
技术实现要素：
本发明针对现有技术的不足，提供了一种使用计算机模拟金属配合物与dna相互作用的方法。本发明致力于采用gaussian软件和autodock对接软件在普通计算机上进行金属配合物与dna相互作用的模拟。首先对金属配合物在gaussian软件中进行结构优化，作为配体分子；然后在autodock软件中进行金属配合物与dna的分子对接。
本发明通过如下技术方案实现。
一种使用计算机模拟金属配合物与dna相互作用的方法，包括如下步骤：
(1)金属配合物的结构优化：在gaussian软件中，使用dft方法的b3lyp泛函并采用混合基组，对绘制的金属配合物结构进行几何构型优化，获得金属配合物的准确结构；
dft方法对金属配合物的几何结构优化可得到较好的结果，其中b3lyp泛函优化的几何结构比较合理；
(2)配体构象的搜索区域的构建：在autodock软件中，以dna作为受体分子，以环绕受体的活性结合位点构成格点盒子作为配体构象的搜索区域，并用不同类型的原子为探针进行扫描和计算格点能量以计算探针原子和受体之间的相互作用能；
(3)分子对接：结构优化后的金属配合物作为配体分子，运用autodock软件中的autogrid子程序为格点式搜索方法，在配体构象的搜索区域查找活性结合位点，使受体与配体的分子对接；最后对金属配合物与dna在autodock子程序中进行多次对接计算并且搜索最佳结合位置，将最终得到的对接结果进行分析。
进一步地，步骤(1)中，金属配合物在基态下最稳定，进行结构优化的金属配合物为处于基态的金属配合物。
进一步地，步骤(1)中，所述混合基组中，对包括氢、碳、氮和氧在内的轻原子使用6-31g**基组，对重金属原子使用lanl2dz基组。
进一步地，步骤(1)中，结构优化后的金属配合物保存为pdb格式文件。
进一步地，步骤(2)中，所述dna的晶体结构来源于蛋白质数据库，且模拟过程中的dna的结构删除结晶水和离子，获得的dna晶体结构不包含氢原子的坐标数据，添加所有的氢原子。
进一步地，步骤(2)中，所述配体构象的搜索区域包含整个dna分子结构，确保金属配合物均可与dna的任何部分相互结合。
进一步地，步骤(2)中，所述配体构象的搜索区域中，格点的间隔为默认值0.0375nm。
进一步地，步骤(2)中，所述不同类型的原子包括c、h和o三种原子
进一步地，步骤(2)中，所述计算格点能量，主要是由autodock软件中的autogrid子程序计算出。
进一步地，步骤(3)中，所述对接的计算方法为autodock软件中的拉马克遗传算法。
进一步地，步骤(3)中，所述对接过程在默认温度298.15k下进行。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
(1)本发明通过采用gaussian软件对金属配合物进行几何结构优化，而且可以绘制特定的配体结构，优化后的几何构型更准确合理；
(2)本发明的autodock对接软件采用拉马克遗传算法，该算法相比模拟退火算法以及其他传统算法有更高的效率，结果也更加可靠；
(3)本发明的autodock对接软件在普通计算机上即可运行，在windows系统和linux系统中均可安装，设备成本很低，且占用cpu核数和内存小，工作效率高；
(4)本发明的运行效率很高，即使是运行200个构象的计算也能在较短时间内完成，而且模拟结果可靠，有助于在生物化学、配位化学、生物医药等领域的广泛应用；
(5)本发明主要是针对分子间相互作用的计算，尤其是范德华力、氢键以及去溶剂化作用的计算精准度高，而金属配合物与dna相互作用能主要来自于这些作用的贡献；
(6)本发明的计算结果显示的对接信息很丰富，可以直接观察金属配合物与dna的结合构象，对接结果中所包含的结合自由能、分子间相互作用能、范德华能、氢键能、去溶剂化能、静电能、扭转能、最终总的内能和非键系统能等一系列能量被清楚地显示出来。
附图说明
图1为金属配合物与dna的对接模型图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此。
本发明具体实施例中配体构象的搜索区域是一个x×y×z的长方体盒子，且最大可设置为126×126×126。
本发明具体实施例中设置的遗传算法的搜索参数如表1所示。
表1遗传算法的主要参数设置
实施例1
使用计算机模拟金属锰咔咯配合物与dna的相互作用，在windows系统中运行，具体步骤如下：
(1)选择基态的金属锰咔咯配合物(四个吡咯通过三个亚甲基桥联的大环，中心配位金属锰原子)作为配体分子，绘制金属锰咔咯配合物的分子结构后在gaussian软件中进行几何构型优化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基组对金属锰咔咯配合物进行优化，在此对氢、碳、氮等一系列轻原子使用6-31g**基组，金属锰原子使用lanl2dz基组；在基态下对金属锰咔咯配合物进行几何结构优化，然后保存为mncor.pdb名称的文件，作为下一步分子对接的配体分子；
(2)对受体分子进行预处理：受体分子是从蛋白质数据库(例如http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下载的，pdb文件为3u2n.pdb；打开autodocktools对接软件，设置所有文件的工作目录，再将autogrid子程序和autodock子程序以及下载的pdb文件复制到该工作目录中；导入受体分子，然后去掉dna上的结晶水和离子，并添加所有的氢原子(x射线衍射获得的dna晶体结构不包含氢原子的坐标数据)，最后保存修改过的受体分子；
(3)对配体分子进行预处理：在菜单处导入pdb格式的配体分子，对该分子进行初始化，采取默认值，将其保存为含有原子坐标、autodock原子类型、电荷以及可扭转键等信息的mncor.pdbqt名称的文件；
(4)运行autogrid子程序：在菜单中选择之前准备好的的受体分子和配体分子文件，打开格点选项对话框设置格点盒子，将格子的大小设置为60×60×100，格点间隔为默认值
(5)运行autodock子程序：选择对接中的受体分子3u2n.pdbqt和配体分子为mncor.pdbqt，设置遗传算法的搜索参数(见表1)，进行200次构象搜索；采用系统默认值设置对接运行参数，输出拉马克遗传算法对接参数文件dock.dpf；启动autodock图形界面，修改autodock子程序、参数文件以及记录文件，进行对接计算并且搜索最佳结合位置，将最终得到的对接结果保存到记录文件dock.dlg；
(6)对接结果分析，打开对接记录文件dock.dlg，显示此日志文件中包含对接结果的分子构象以及数据：将dna分子载入到图形界面中，显示金属锰咔咯配合物与dna的对接构象和结合自由能；
对接的模型图如图1所示，图1显示金属锰咔咯配合物与dna主要结合在小沟位置。
对接结果形成的5个构象的结合自由能分析结果如表2所示。
表2结合自由能分析(单位为kcal·mol-1)
表2表明金属锰咔咯配合物与dna之间的相互作用主要来自于范德华力、氢键以及去溶剂化相互作用，静电相互作用的贡献很少。
将对接结果的分子构象进行聚类，以对结果进行分析和比较，聚类的结果如表3所示。
表3聚类结果(单位为kcal·mol-1)
表3显示结合自由能为-8.18kcal·mol-1的构象2具有最多的分子构象数量，说明金属锰咔咯配合物在构象2状态下最稳定。
实施例2
使用计算机模拟金属镓咔咯配合物与dna的相互作用，在windows系统中运行，具体步骤如下：
(1)选择基态的金属镓咔咯配合物(四个吡咯通过三个亚甲基桥联的大环，中心配位金属镓原子)作为配体分子，绘制金属镓咔咯配合物的分子结构后在gaussian软件中进行几何构型优化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基组对金属镓咔咯配合物进行优化，在此对氢、碳、氮等一系列轻原子使用6-31g**基组，金属镓原子使用lanl2dz基组；在基态下对金属镓咔咯配合物进行几何结构优化，然后保存为gacor.pdb名称的文件，作为下一步分子对接的配体分子；
(2)对受体分子进行预处理：受体分子是从蛋白质数据库(例如http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下载的，pdb文件为2gvr.pdb；打开autodocktools对接软件，设置所有文件的工作目录，再将autogrid子程序和autodock子程序以及下载的pdb文件复制到该工作目录中；导入受体分子，然后去掉dna上的配体、结晶水和离子，并添加所有的氢原子(x射线衍射获得的dna晶体结构不包含氢原子的坐标数据)，最后保存修改过的受体分子；
(3)对配体分子进行预处理：在菜单处导入pdb格式的配体分子，对该分子进行初始化，采取默认值，将其保存为含有原子坐标、autodock原子类型、电荷以及可扭转键等信息的gacor.pdbqt名称的文件；
(4)运行autogrid子程序：在菜单中选择之前准备好的的受体分子和配体分子文件，打开格点选项对话框设置格点盒子，将格子的大小设置为60×60×120，格点间隔为默认值
(5)运行autodock子程序：选择对接中的受体分子2gvr.pdbqt和配体分子为gacor.pdbqt，设置遗传算法的搜索参数(见表1)，进行200次构象搜索；采用系统默认值设置对接运行参数，输出拉马克遗传算法对接参数文件dock.dpf；启动autodock图形界面，修改autodock子程序、参数文件以及记录文件，进行对接计算并且搜索最佳结合位置，将最终得到的对接结果保存到记录文件dock.dlg；
(6)对接结果分析，打开对接记录文件dock.dlg，显示此日志文件中包含对接结果的分子构象以及数据：将dna分子载入到图形界面中，显示金属镓咔咯配合物与dna的对接构象和结合自由能；
对接的模型图参见图1，显示金属镓咔咯配合物与dna主要结合在小沟位置。
对接结果形成的5个构象的结合自由能分析结果如表4所示。
表4结合自由能分析(单位为kcal·mol-1)
表4表明金属镓咔咯配合物与dna的相互作用主要来自于范德华力、氢键以及去溶剂化相互作用，静电相互作用的贡献很少。
将对接结果的分子构象进行聚类，以对结果进行分析和比较，聚类结果如表5所示。
表5聚类结果(单位为kcal·mol-1)
表5显示结合自由能为-8.06kcal·mol-1的构象2具有最多的分子构象数量，说明金属镓咔咯配合物在构象2状态下最稳定。
实施例3
使用计算机模拟金属锰卟啉配合物与dna的相互作用，在windows系统中运行，具体步骤如下：
(1)选择基态的金属锰卟啉配合物(四个吡咯通过四个亚甲基桥联的大环，中心配位金属锰原子)作为配体分子，绘制金属锰卟啉配合物的分子结构后在gaussian软件中进行几何构型优化；采用dft方法中的b3lyp泛函以及混合基组对金属锰咔咯配合物进行优化，在此对氢、碳、氮等一系列轻原子使用6-31g**基组，金属锰原子使用lanl2dz基组；在基态下对金属锰卟啉配合物进行几何结构优化，然后保存为mnpor.pdb名称的文件，作为下一步分子对接的配体分子；
(2)对受体分子进行预处理：受体分子是从蛋白质数据库(http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do)上下载的，pdb文件为3u05.pdb；打开autodocktools对接软件，设置所有文件的工作目录，再将autogrid子程序和autodock子程序以及下载的pdb文件复制到该工作目录中；导入受体分子，然后去掉dna上的结晶水和离子，并添加所有的氢原子(x射线衍射获得的dna晶体结构不包含氢原子的坐标数据)，最后保存修改过的受体分子；
(3)对配体分子进行预处理：在菜单处导入pdb格式的配体分子，对该分子进行初始化，采取默认值，将其保存为含有原子坐标、autodock原子类型、电荷以及可扭转键等信息的mnpor.pdbqt名称的文件；
(4)运行autogrid子程序：在菜单中选择之前准备好的的受体分子和配体分子文件，打开格点选项对话框设置格点盒子，将格子的大小设置为60×60×100，格点间隔为默认值
(5)运行autodock子程序：选择对接中的受体分子3u05.pdbqt和配体分子为mnpor.pdbqt，设置遗传算法的搜索参数(见表1)，进行200次构象搜索；采用系统默认值设置对接运行参数，输出拉马克遗传算法对接参数文件dock.dpf；启动autodock图形界面，修改autodock子程序、参数文件以及记录文件，进行对接计算并且搜索最佳结合位置，将最终得到的对接结果保存到记录文件dock.dlg；
(6)对接结果分析，打开对接记录文件dock.dlg，显示此日志文件中包含对接结果的分子构象以及数据：将dna分子载入到图形界面中，显示金属锰卟啉配合物与dna的对接构象和结合自由能；
对接的模型图参见图1，显示金属锰卟啉配合物与dna主要结合在小沟位置。
对接结果形成的5个构象的结合自由能分析结果如表6所示。
表6结合自由能分析(单位为kcal·mol-1)
表6显示金属锰卟啉配合物与dna的相互作用主要来自于范德华力、氢键以及去溶剂化相互作用，静电相互作用的贡献很少。
将对接结果的分子构象进行聚类，以对结果进行分析和比较，聚类结果如表7所示。
表7聚类结果(单位为kcal·mol-1)
表7显示结合自由能为-7.47kcal·mol-1的构象2具有最多的分子构象数量，说明金属锰卟啉配合物在构象2状态下最稳定。