摘要虚拟筛选VS与从头分子设计DN是识别、优化临床靶点先导化合物的核心计算手段。但DOCK6等主流分子模拟软件依赖命令行操作无终端使用经验的科研人员上手门槛高。为此本文开发全栈网页应用DOCKweb为各层次用户简化DOCK6全套操作流程。本工具基于React.js、Express.js等网页技术搭建交互式图形界面自动化完成计算环境配置与任务提交。用户无需本地下载编译DOCK6程序提交的全部计算任务均在德克萨斯高级计算中心TACC高性能集群执行彻底消除本地超算使用门槛。robert.rizzostonybrook.edu#分子建模 #网页应用 #计算机辅助药物设计 #DOCK6 #从头分子设计 #虚拟筛选 #图形用户界面软件架构与实现方案DOCKweb三层整体架构表1DOCKweb全套技术栈汇总图1DOCKweb三层架构示意架构分为前端图形界面、中间主机服务端、远端TACC超算端3部分1 前端界面用户登录、参数填写、任务提交、结果下载2 主机服务端PostgreSQL数据库存储用户文件与任务记录Nginx分发访问请求Express转发任务指令3 TACC超算集群Tapis框架创建SLURM调度脚本Docker容器运行DOCK6计算完成后回传结果至前端供用户下载Docker容器与DOCK6程序名称仅拼写巧合2者无关联。整套程序由Docker Compose编排多容器实例Nginx作为反向代理将访问分流至负载最低的网页容器用户文件、任务记录全部本地存入PostgreSQL数据库。主机端通过自定义API与前端、Tapis通信收到任务请求后生成SLURM脚本从Docker Hub拉取预配置镜像启动DOCK6计算。任务完成后用户可直接在前端下载压缩结果包。Tapis应用程序与DOCK6工具集表2DOCKweb内置Tapis任务程序参数DOCKweb页面导航功能图2 DOCKweb网页界面截图(a) DOCKweb首页包含登录、注册账号、教程入口、软件下载、开发者联系方式(b) 用户控制面板左侧导航栏区分功能程序与辅助工具右侧任务历史表格展示任务编号、任务名、程序类型、运行状态、创建时间、结果下载按钮。用户必须注册并完成邮箱人机验证才可保存文件与任务记录所有上传、生成文件在TACC服务器保存10天后自动清除。任务历史表可查看任务运行状态完成/运行中/等待/取消完成任务可下载全部结果压缩包内含3类文件夹① 任务调度日志② 用户原始输入文件③ 计算输出结果配体mol2、足迹文本、可视化PNG、核心输入.in参数文件可直接存档至实验记录本。典型工作流与各工具使用案例siteprep工具蛋白体系预处理图3 siteprep完整预处理流程示意基于PDB编号1A9UMAP激酶-SB2配体复合物演示全套预处理步骤(a) 无质子化蛋白PDB原始文件(b) 加氢、分配原子电荷后的蛋白mol2文件(c) 加氢、分配原子电荷的配体mol2文件经siteprep程序运行后输出3类关键文件(d) 网格遮挡文件GRID.bmp(e) 能量网格文件GRID.nrg(f) 对接球文件selected_sph。流程说明先通过UCSF Chimera处理原始PDB生成3类基础文件提交siteprep后程序依次调用dms蛋白表面生成、sphgen全域球生成、sphere_selector基于共晶配体筛选结合区球、grid能量网格计算4大辅助程序全部文件可下载复用。推荐新手使用平台默认参数全部任务运行结束后仍需核对日志排查报错。图4 预处理结果可视化校验Chimera可视化完整对接体系蓝色GRID.bmp网格包裹蛋白结合口袋青红色GRID.nrg能量点分布于空腔内部品红色对接球集中在配体核心结合区域全部网格框完整覆盖结合位点。建议提交对接计算前可视化校验文件匹配度。flexdock工具柔性配体虚拟筛选图5锚定-生长算法原理示意(a) 第1步将配体刚性片段锚单元沿对接球定向排布(b) 分层生长沿可旋转2面角逐层拼接配体侧链(c) 生成全部构象集合。flexdock是平台最常用虚拟筛选工具依托锚定-生长算法遍历配体构象输出能量最优结合姿态。支持ZINC数据库mol2格式配体库单次任务最多上传10万分子百万级文库需拆分多任务提交。建议先用小文库预测试避免超时长任务中断。denovo片段从头设计 libgen片段库生成图6 denovo与libgen工具工作原理上半部分denovo从头设计流程(a) 预存片段库(b) 靶蛋白结构(c) 片段锚定(d) 逐层拼接生成全新分子下半部分libgen自定义片段拆分流程(e) 批量mol2分子库(f) 识别刚性骨架(g) 拆分侧链、连接子、母核3类片段。denovo无需预设配体结构基于内置382个通用片段逐层搭建分子仅支持网格打分libgen可上传自有分子库自动拆分片段按出现频次筛选保障生成分子化学可合成。evolution遗传进化工具图7 DOCK6遗传算法完整流程(a) 整体迭代流程(b) 交叉操作母体分子沿公共2面角交换片段生成子代(c) 突变操作片段增删、替换、骨架修饰(d) 3类筛选策略精英保留、锦标赛筛选、轮盘赌筛选。evolution工具基于达尔文进化策略输入母体配体与片段库多代迭代优化分子结合能力无需对接球文件默认采用精英筛选支持自定义突变类型、分子量上限。图8 程序网页界面(a) flexdock参数填写界面可上传网格、对接球、多分子mol2文库设置构象采样上限、打分函数等全部对接参数。(b) denovo(c) footprint(d) evolution图9 MAP激酶虚拟筛选结果可视化(a) 原始共晶配体SB2结合构象绿色蛋白骨架橙色(b) 结合区对接球半透明品红(c) 筛选得分前1,000个小分子青色全部集中在网格框内(d) 排名前100分子氢键作用汇总可识别SB2未具备的新型互作残基LYS53、GLU71、ARG67等用于设计高亲和力衍生物。实操演示案例案例2denovo从头设计 footprint足迹比对图10 配体互作足迹对比(a) 原始晶体SB绿色与能量最小化SB品红的范德华、静电足迹2者残基互作高度重合验证体系可靠性(b) 最小化SB品红与denovo全新分子青色足迹对比2者骨架不同但核心结合残基完全一致证明从头设计可复刻原型分子结合模式。详细总结思维导图3层系统整体架构8大Tapis计算应用DOCKweb内置全部DOCK6功能分为功能类核心模拟、工具类预处理/后处理2类参考J Comput Aided Mol Des. 2026 Jul 6;40(1):175. doi: 10.1007/s10822-026-00855-w.DOCKweb: a web-based GUI platform for molecular modeling with DOCK6260706DOCKweb.pdf注AI辅助创作如有不当欢迎指出。内容仅供参考不构成任何建议。
分子模拟！全栈网页GUI系统
摘要虚拟筛选VS与从头分子设计DN是识别、优化临床靶点先导化合物的核心计算手段。但DOCK6等主流分子模拟软件依赖命令行操作无终端使用经验的科研人员上手门槛高。为此本文开发全栈网页应用DOCKweb为各层次用户简化DOCK6全套操作流程。本工具基于React.js、Express.js等网页技术搭建交互式图形界面自动化完成计算环境配置与任务提交。用户无需本地下载编译DOCK6程序提交的全部计算任务均在德克萨斯高级计算中心TACC高性能集群执行彻底消除本地超算使用门槛。robert.rizzostonybrook.edu#分子建模 #网页应用 #计算机辅助药物设计 #DOCK6 #从头分子设计 #虚拟筛选 #图形用户界面软件架构与实现方案DOCKweb三层整体架构表1DOCKweb全套技术栈汇总图1DOCKweb三层架构示意架构分为前端图形界面、中间主机服务端、远端TACC超算端3部分1 前端界面用户登录、参数填写、任务提交、结果下载2 主机服务端PostgreSQL数据库存储用户文件与任务记录Nginx分发访问请求Express转发任务指令3 TACC超算集群Tapis框架创建SLURM调度脚本Docker容器运行DOCK6计算完成后回传结果至前端供用户下载Docker容器与DOCK6程序名称仅拼写巧合2者无关联。整套程序由Docker Compose编排多容器实例Nginx作为反向代理将访问分流至负载最低的网页容器用户文件、任务记录全部本地存入PostgreSQL数据库。主机端通过自定义API与前端、Tapis通信收到任务请求后生成SLURM脚本从Docker Hub拉取预配置镜像启动DOCK6计算。任务完成后用户可直接在前端下载压缩结果包。Tapis应用程序与DOCK6工具集表2DOCKweb内置Tapis任务程序参数DOCKweb页面导航功能图2 DOCKweb网页界面截图(a) DOCKweb首页包含登录、注册账号、教程入口、软件下载、开发者联系方式(b) 用户控制面板左侧导航栏区分功能程序与辅助工具右侧任务历史表格展示任务编号、任务名、程序类型、运行状态、创建时间、结果下载按钮。用户必须注册并完成邮箱人机验证才可保存文件与任务记录所有上传、生成文件在TACC服务器保存10天后自动清除。任务历史表可查看任务运行状态完成/运行中/等待/取消完成任务可下载全部结果压缩包内含3类文件夹① 任务调度日志② 用户原始输入文件③ 计算输出结果配体mol2、足迹文本、可视化PNG、核心输入.in参数文件可直接存档至实验记录本。典型工作流与各工具使用案例siteprep工具蛋白体系预处理图3 siteprep完整预处理流程示意基于PDB编号1A9UMAP激酶-SB2配体复合物演示全套预处理步骤(a) 无质子化蛋白PDB原始文件(b) 加氢、分配原子电荷后的蛋白mol2文件(c) 加氢、分配原子电荷的配体mol2文件经siteprep程序运行后输出3类关键文件(d) 网格遮挡文件GRID.bmp(e) 能量网格文件GRID.nrg(f) 对接球文件selected_sph。流程说明先通过UCSF Chimera处理原始PDB生成3类基础文件提交siteprep后程序依次调用dms蛋白表面生成、sphgen全域球生成、sphere_selector基于共晶配体筛选结合区球、grid能量网格计算4大辅助程序全部文件可下载复用。推荐新手使用平台默认参数全部任务运行结束后仍需核对日志排查报错。图4 预处理结果可视化校验Chimera可视化完整对接体系蓝色GRID.bmp网格包裹蛋白结合口袋青红色GRID.nrg能量点分布于空腔内部品红色对接球集中在配体核心结合区域全部网格框完整覆盖结合位点。建议提交对接计算前可视化校验文件匹配度。flexdock工具柔性配体虚拟筛选图5锚定-生长算法原理示意(a) 第1步将配体刚性片段锚单元沿对接球定向排布(b) 分层生长沿可旋转2面角逐层拼接配体侧链(c) 生成全部构象集合。flexdock是平台最常用虚拟筛选工具依托锚定-生长算法遍历配体构象输出能量最优结合姿态。支持ZINC数据库mol2格式配体库单次任务最多上传10万分子百万级文库需拆分多任务提交。建议先用小文库预测试避免超时长任务中断。denovo片段从头设计 libgen片段库生成图6 denovo与libgen工具工作原理上半部分denovo从头设计流程(a) 预存片段库(b) 靶蛋白结构(c) 片段锚定(d) 逐层拼接生成全新分子下半部分libgen自定义片段拆分流程(e) 批量mol2分子库(f) 识别刚性骨架(g) 拆分侧链、连接子、母核3类片段。denovo无需预设配体结构基于内置382个通用片段逐层搭建分子仅支持网格打分libgen可上传自有分子库自动拆分片段按出现频次筛选保障生成分子化学可合成。evolution遗传进化工具图7 DOCK6遗传算法完整流程(a) 整体迭代流程(b) 交叉操作母体分子沿公共2面角交换片段生成子代(c) 突变操作片段增删、替换、骨架修饰(d) 3类筛选策略精英保留、锦标赛筛选、轮盘赌筛选。evolution工具基于达尔文进化策略输入母体配体与片段库多代迭代优化分子结合能力无需对接球文件默认采用精英筛选支持自定义突变类型、分子量上限。图8 程序网页界面(a) flexdock参数填写界面可上传网格、对接球、多分子mol2文库设置构象采样上限、打分函数等全部对接参数。(b) denovo(c) footprint(d) evolution图9 MAP激酶虚拟筛选结果可视化(a) 原始共晶配体SB2结合构象绿色蛋白骨架橙色(b) 结合区对接球半透明品红(c) 筛选得分前1,000个小分子青色全部集中在网格框内(d) 排名前100分子氢键作用汇总可识别SB2未具备的新型互作残基LYS53、GLU71、ARG67等用于设计高亲和力衍生物。实操演示案例案例2denovo从头设计 footprint足迹比对图10 配体互作足迹对比(a) 原始晶体SB绿色与能量最小化SB品红的范德华、静电足迹2者残基互作高度重合验证体系可靠性(b) 最小化SB品红与denovo全新分子青色足迹对比2者骨架不同但核心结合残基完全一致证明从头设计可复刻原型分子结合模式。详细总结思维导图3层系统整体架构8大Tapis计算应用DOCKweb内置全部DOCK6功能分为功能类核心模拟、工具类预处理/后处理2类参考J Comput Aided Mol Des. 2026 Jul 6;40(1):175. doi: 10.1007/s10822-026-00855-w.DOCKweb: a web-based GUI platform for molecular modeling with DOCK6260706DOCKweb.pdf注AI辅助创作如有不当欢迎指出。内容仅供参考不构成任何建议。
