基于粒子群算法骨性关节炎中药分子对接的研究

论文摘要

计算机辅助药物设计技术的快速发展在一定程度上加快新药设计的整体流程,进而有效提升药物研发乃至临床应用的效率。目前,计算机辅助中药分子设计仍是研究热点,本课题针对中药化合物与靶标之间的相互作用展开模拟研究与实验,力求探寻中药药物机理,为中药现代化研发发挥重要作用。分子对接作为计算机辅助中药分子设计的方法之一,从中药化合物细胞分子水平研究分子间相互作用的机理,为治疗疾病、开发新药以及临床验证提供必要的理论依据。本论文借助分子对接软件,根据合作单位福建中医药大学提供的治疗骨性关节炎药物分子信息为基本数据源,主要从以下三大部分完成其与对应蛋白质靶标分子在微观层面上的研究。首先,通过改进分子对接构象搜索算法,对治疗骨性关节炎的中药分子和其靶标进行对接。基于分子对接方法的原理,使用经验自由能评价函数,采用粒子群算法作为对接过程中优化搜索算法,同时,为保持粒子的多样性,避免陷入局部极小,算法通过与自适应的局部搜索策略相结合完成搜索。经过与常用对接搜索算法的比较,实验结果验证粒子群算法在中药分子对接构象搜索上的有效性。其次,为减少对接耗时,利用并行粒子群算法实现分子对接过程中构象搜索算法的并行化。结合单指令多数据流和主从模型的并行编程模式,使用MPI编程实现粒子群粗粒度并行化算法在构象搜索中的应用,通过与已作研究工作的比较和并行加速比和并行效率的分析表明对接效率有所改善。最后,为了推广分子对接并行化处理方法,在多个处理器上并行执行多个分子对接任务,结合并行粒子群算法提出一种混合并行对接模型,根据分子对接任务数和处理器数目灵活改变并行策略,并通过计算并行加速比和并行效率分析这种方法的实用性。本论文在改进分子对接软件AutoDock搜索算法基础上进行分子对接,经过此方法得到有效分子基团,可对其开展进一步的生物实验,从而为治疗骨性关节炎新药的研发提供有力参考。本论文研究重点是实现并分析粒子群及其并行算法在治疗骨性关节炎药物分子和其靶标对接过程中的有效作用,对中药有效成分群辨识的研究以及分子对接虚拟筛选提供有具有推广意义的计算机思路与方法。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 分子对接
• 1.2.1 对接应用领域
• 1.3 本论文研究内容
• 1.3.1 粒子群算法
• 1.3.2 对接并行化
• 1.4 本文内容组织
• 1.5 小结
• 第二章 分子对接
• 2.1 分子对接概述
• 2.2 分子对接原理
• 2.3 分子对接分类
• 2.4 分子对接主要研究的问题
• 2.4.1 评分函数
• 2.4.2 优化方法
• 2.5 典型分子对接方法
• 2.5.1 DOCK
• 2.5.2 AutoDock
• 2.6 小结
• 第三章 基于粒子群算法的分子对接设计
• 3.1 算法原理
• 3.2 问题分析
• 3.2.1 数学模型
• 3.2.2 具体实现
• 3.3 对接步骤
• 3.4 参数设置
• 3.5 实验过程及结果分析
• 3.5.1 治疗骨性关节炎的中药分子受体和配体
• 3.5.2 实验准备
• 3.5.3 对接步骤
• 3.5.4 实验结果及分析
• 3.6 小结
• 第四章 并行粒子群算法对接
• 4.1 并行粒子群算法的对接设计
• 4.1.1 粒子群并行化分析
• 4.1.2 并行PSO关键问题
• 4.2 具体实现
• 4.3 MPI基础知识
• 4.4 并行粒子群算法流程
• 4.5 对接流程及结果分析
• 4.6 并行性能分析
• 4.7 小结
• 第五章 基于任务并行的分子对接
• 5.1 概述
• 5.2 思路
• 5.3 并行性能测试
• 5.4 小结
• 总结与展望
• 总结
• 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文