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规模化筛选:虚拟库与DNA编码库

当你想搜索数十亿分子却又不必逐一合成时,两种技术占据主导:计算机中的虚拟筛选,以及单个试管中的DNA编码库。本指南解释各自的工作原理,以及各自擅长什么。

虚拟筛选:先搜索,再合成

虚拟筛选用计算来对一个庞大的库排序,使你只合成和测试最有希望的那一小部分。当你拥有靶点的结构时,主力工具是分子对接:计算机把每个候选分子摆放在结合口袋内,再由一个打分函数估计它契合得有多好。当你没有结构但有已知活性分子时,则可以把候选分子与一个药效团模型——结合分子必须呈现的特征的抽象模式——进行匹配。

其吸引力在于覆盖范围:现代按需合成的目录收录了数十亿可合成分子,你无需拥有任何一个样品就能对它们逐一对接。问题在于诚实。打分函数是对结合的快速近似,而非测量;它平均排序得不错,但对许多单个分子是错的。虚拟筛选富集你的候选名单——但它不能为苗头盖章认证。每一个计算选出的分子,仍然必须被真正合成和测试。

DNA编码库:一管之中数十亿

DNA编码库(DEL)把组合化学推向极致。每个分子都构建在一条DNA链上,这条链像条形码一样记录其合成历史:每一个化学步骤都附加一个独特的DNA标签。由于标签能告诉你结构,你可以把数百万乃至数十亿个不同的化合物汇集到一个试管中,对固定化蛋白质一次性全部筛选。

  1. 用拆分-混合法合成库:每一步把混合物拆开,让每一份与不同的构建模块反应,附上对应的DNA标签,然后重新合并。
  2. 把整个混合库与固定化靶点一起孵育;洗掉所有不粘附的东西。
  3. 洗脱结合分子,用PCR扩增它们的DNA标签;测序以读出哪些结构被富集了。
  4. 重新合成富集程度最高的苗头(不带DNA),并在常规检测中确证其活性。

DEL以比任何实体筛选库都更低的成本覆盖更多的化合物。但其化学必须与DNA兼容,这限制了可用的反应,而且DNA标签本身也可能影响结合。最后一步是不可商量的:DEL的输出只是一个假说,直到不带DNA的分子被合成出来、并被证明能独立地具有活性为止。

选择——或组合——这些方法

这些方法是互补的,而非对立的。虚拟筛选最便宜,并且能基于结构或已知活性分子工作,但也继承了其打分的全部盲点。DEL触及可合成化学中最广阔的一片,但限制了反应类型,并需要一个你能固定化的蛋白质。经典高通量筛选在最接近真实检测的条件下测试实体化合物,但每个化合物的成本最高。如今许多团队把它们叠加使用:用对接来聚焦一个DEL,或用高通量筛选去确证一个虚拟苗头。每一次的决定因素都相同——你是否有结构、能否把蛋白质固定化,以及你负担得起合成什么。