引言

計算能力的提高與快速演算法的發展使得量子化學方法可以應用於生物大分子的計算。與此同時對此類大型系統的大量電子結構資訊進行處理也需要新穎的技術。反應性描述符是預測和合理化化學過程的替代方法。這些描述符是簡便的理論量，透過對聚合電子結構結果進行數學處理而生成。例如分子軌道（MO）係數和能量。使用最多的是概念密度泛函理論（CDFT），該理論將不同的反應性理論統一在一個理論框架中。雖然電子結構資訊可用於大型生物分子，但許多具有3D結構的酶並沒有關於催化過程的理論描述，與分子電子結構的獨特特徵有關的問題經常出現。大多數用於反應性描述符計算的方法無法用於生物大分子。

最近的研究表明：1：採用半經驗量子化學方法可以準確的獲得多肽的化學反應性資訊；2：對描述符的正確計算需要考慮HOMO-LUMO，而不僅僅是邊界軌道。3：針對大分子進行適當調整的反應性描述子能夠從理論上表徵某些酶的催化機理。但是流行的後處理計算化學程式並不適合於大分子的電子結構的計算。UCA-Fukui是用於計算常見CDFT描述符的專用軟體，但僅限於解析GAUSSIAN程式包的輸出，尚未經過大分子測試。PYGlobal是另一個用於執行這些計算的應用程式，可以同時實現多個結構的全域性數量的自動化功能以及簡化統計分析，但是，PYGlobal不會計算與生物結構最相關的區域性描述符。為了填補這一空白，我們開發了PRIMoRDiA，一種能夠準確有效地計算大分子反應性描述符的軟體。當前版本可輸出9個全域性描述符和14個區域性描述符，可以按原子、按殘差或作為高斯檔案輸出，所有輸出格式都可以透過圖形化軟體包來處理，該軟體包旨在探索大分子的電子和反應性資料。在這項工作中，我們詳細介紹了PRIMoRDiA的操作方法及主要功能。

PRIMoRDiA 方法

1.PRIMoRDiA是用C ++編寫的多執行緒共享程式。其可計算CDFT反應性描述符並適合大型系統。執行PRIMoRDiA時會自動生成其他資訊，例如總電子密度，分子軌道和分子靜電勢，是常用的後處理軟體不能做到的。

2.PRIMoRDiA程式碼可以分為三個功能塊。(i) 用於解析和儲存來自輸出檔案的分子資訊；(ii) 生成反應性描述符；(iii) 控制所有過程和輸出指令碼以進行資料視覺化。

3.HOMO-LUMO Band Fukui功能。處理大分子時，PRIMoRDIA實現了兩種結合前沿分子軌道的方法。第一種方法是能帶密度，第二種方法根據來自HOMO-LUMO間隙的能量差，為所考慮的每個分子軌道分配權重。

圖1. 原始資訊流程圖及其主要特徵

4.生物應用-酶促反應描述。為了測試PRIMoRDiA獲得大型生物系統化學反應性資訊的有效性，對酶促反應進行了預測。從MACIE資料庫檢索了參考資料，MACIE資料庫是一個致力於對已釋出的酶催化機制資料進行分類的網站。使用半經驗哈密頓量和線性比例縮放演算法結合量子化學計算，獲得了描述符計算所需的電子結構，但是，後續的分子動力學等可能會增加總體計算時間，是PRIMoRDiA大規模應用的瓶頸。為了驗證是否可以使用原始晶體學資料，生成了由不同處理級別（稱為L1，L2和L3）產生的幾何形狀，這些幾何形狀具有高的複雜性和計算成本，用於電子結構計算中，隨後是描述符計算。見圖2。圖3顯示了描述符根據MACIE正確分類殘基次數的百分比，每種靜電穩定劑的正確分類都適用於L1以外的任何預處理，但是隨著初級處理中複雜程度的提高，對其他類別的預測也逐漸變差。

圖2. 模擬流程圖

圖3. 分類殘基次數的準確性百分比

5.PRIMoRDiA還可生成指令碼。這些指令碼使用Pymol等圖形軟體包可生成有價值的資訊和清晰的圖形。這些影象將PRIMoRDiA處理的數學和數值資料轉換為圖形，可輕鬆一目瞭然地傳達相關的化學資訊。在大多數情況下，用分子動力學模擬最佳化結構會損害描述子的化學反應性預測，對蛋白質進行晶體學分析發現其活性位點具有過渡態，這表明，只要活性物質的精細結構，整個蛋白質的大規模運動可能與酶的催化特性無關。如圖4所示。

圖4. L3處理水平的1dnk結構的反應圖

6.SARS-CoV-2主要蛋白酶研究應用程式。 使用L1預處理對SARS-CoV-2主蛋白酶（PDB Code: 6LU7）進行研究，以檢視其存在如何改變位點的反應性。在圖5A，B中，殘基CYS143易受親核攻擊，並且確實是在蛋白酶的第一催化步驟中後與配體反應的殘基結合。HIS41失去親核性，在配體結合後反應性降低，從質子供體變為質子受體。圖5C，D中的區域性圖表明，靜電穩定主要由殘基HIS163和HIS164的主鏈完成。HIS41和CYS145中原子的區域性硬度也略有增加，可能作為輔助來穩定系統。

圖5. SARS-CoV-2主要蛋白酶的反應性描述符

總結

本文介紹了PRIMoRDiA軟體，透過使用CDFT反應性描述符，適當的計算方法以及指令碼的自動生成，以清晰，高質量的方式呈現資訊來有效地將大分子的電子結構轉換為有用的和可表示的化學資訊。此軟體有望使用更低得成本研究大型系統中的化學反應性。除此之外，該軟體是功能強大的解析器，能夠從電子結構中檢索資訊。

軟體下載地址

https://github.com/igorChem/PRIMoRDiA1.0v

參考文獻

Igor Barden Grillo, Gabriel A. Urquiza-Carvalho, and Gerd Bruno Rocha, PRIMoRDiA: A Software to Explore Reactivity and Electronic Structure in Large Biomolecules, J. Chem. Inf. Model. 2020, 60, 12, 5885-5890. DOI: 10.1021/acs.jcim.0c00655.