AutoDock

AutoDock

AutoDockは、分子モデリングシミュレーションの分野で特にタンパク質とリガンドのドッキング解析に用いられるソフトウェア群です。非営利目的であれば無償で利用できるオープンソースソフトウェアとして提供されており、研究者によって世界中で広く活用されています。

概要と歴史

AutoDockは、その登場以来、研究論文において最も頻繁に引用されるドッキングソフトウェアの一つとして知られています。2007年2月時点で1100報以上、2009年には1200報を超える論文がAutoDockに関する主要な文献を引用しており、その影響力の大きさがうかがえます。このソフトウェアは、World Community Gridによって推進されている、HIV/AIDSやCOVID-19に対する新しい治療薬の候補を探索する大規模プロジェクト、「FightAIDS@Home」や「OpenPandemics - COVID-19」の基盤技術としても利用されています。また、実際に医薬品開発にも貢献しており、メルク・アンド・カンパニー社が開発し、初めて臨床承認を得たHIV-1インテグラーゼ阻害剤の開発過程でも活用されました。

現在、AutoDockおよびその後継ソフトウェアは、スクリプス研究所の計算構造生物学センター（Center for Computational Structural Biology, CCSB）において、オルソン博士のチームによってメンテナンスが行われています。

主要プログラム

AutoDockソフトウェアパッケージは、主に二つのプログラムで構成されています。

AutoDock: 標的となるタンパク質の構造情報に基づき事前に計算されたグリッド上で、リガンド分子をドッキングさせてその結合位置や姿勢を探索するプログラムです。
AutoGrid: AutoDockによるドッキング計算に必要となる、タンパク質とリガンド間の相互作用ポテンシャルなどを表現した三次元グリッドマップを計算するためのプログラムです。

これらのプログラムを組み合わせることで、詳細なドッキングシミュレーションが実行されます。

改良版と派生ソフトウェア

AutoDockは継続的な改良が行われており、またオープンソースであることから多くの派生版や関連ツールが開発されています。

AutoDock Vina: AutoDockの重要な後継バージョンであり、ドッキングの精度と計算性能が大幅に向上しています。特に、マルチコアやマルチCPU環境を有効活用できる点が特徴です。AutoDockに必要だったAutoGridによるグリッド計算をソフトウェアが自動で行うようになったため、操作が簡便になりました。リガンドの結合範囲を「Grid Box」という直感的なパラメータ（中心座標とサイズ）で指定できます。2021年にリリースされたバージョン1.2系では、水分子を考慮したドッキング、多数のリガンドを扱うバッチモードの標準実装、既存のAutoDock4のスコアリング関数の選択肢、そしてmacOSやLinux環境でのPythonからの実行機能などが追加され、機能がさらに拡充されました。World Community Gridのような分散コンピューティング環境でも、AutoDock Vinaはその高速性が確認されています。
AutoDockFR (ADFR): レセプタータンパク質の構造変化を考慮する「誘導適合ドッキング」や、リガンドがタンパク質と共有結合を形成する「共有結合ドッキング」に特化した改良版です。関連ツール群と合わせた「ADFR software suite」として利用可能で、誘導適合や共有結合を含む複雑なドッキング解析を支援します。
AutoDock for GPUs: GPU（Graphics Processing Unit）の計算能力を利用してドッキング計算を高速化するために開発されたバージョンです。OpenCLやCUDAといった並列計算フレームワークに対応しており、CPUのみのAutoDock 4.2と比較して、CPUでは最大4倍、GPUでは最大56倍もの高速化が実現されたと報告されています。NVIDIAとの共同研究で開発されたCUDA版は、OpenCL版よりもさらに高速です。

プラットフォームと互換性

AutoDockソフトウェアは、Windows、macOS、Linuxといった主要なオペレーティングシステム上で動作します。Debian、Fedora、Arch Linuxなど、多くのLinuxディストリビューションではパッケージとして提供されているため、比較的容易にインストールできます。Windows版では、64ビットネイティブアプリケーションとしてコンパイルされており、浮動小数点演算の高速化が図られています。

サードパーティツール

オープンソースという性質から、AutoDockの機能や操作性を拡張する多くのサードパーティ製ツールやプラグインも開発されています。

smina: AutoDock Vinaのフォークで、特にスコアリング関数の開発やエネルギー最小化の機能が強化されています。
Off-Target Pipeline: 大規模な研究プロジェクト内でAutoDockを組み込むためのパイプライン構築を支援します。
Consensus Scoring ToolKit: AutoDock Vinaによるドッキング結果を複数の異なるスコアリング関数で評価し、コンセンサススコアリングを行うためのツールキットです。
VSLAB: 分子可視化ソフトウェアであるVMDからAutoDockを直接操作できるプラグインで、ドッキング設定や解析の操作性を向上させます。
PyRx: AutoDockを用いた仮想スクリーニングのための優れたGUI（Graphical User Interface）を提供するソフトウェアです。ドッキング設定ウィザードを備え、クラウドやHPCクラスターでのAutoDock Vina実行にも対応しています。
POAP: シェルスクリプトベースのツールで、リガンド準備からドッキング後の結果解析まで、仮想スクリーニングの一連のプロセスを自動化するのに役立ちます。
VirtualFlow: AutoDock Vinaを基盤として、計算クラスターやクラウド環境で超大規模な仮想スクリーニングを実行するためのプラットフォームです。数十億種類もの化合物を日常的にスクリーニングできる能力を持ちます。

FPGAアクセラレーション

一般的なプログラマブルチップであるFPGA（Field-Programmable Gate Array）をコプロセッサとして利用することで、AutoDockの計算をさらに高速化する試みも行われています。特定の実験製品（OMIXONなど）を用いた場合、標準的なCPUと比較して10倍から100倍の速度向上を達成したという報告があります。

これらのソフトウェアや技術は、分子ドッキングや仮想スクリーニングといった計算化学の手法を通じて、新しい機能性分子や医薬品候補の探索に大きく貢献しています。

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