マクロサイクルの設計を効率的かつ自動化する、新しいインシリコ・ワークフローのご紹介

Schrödinger は、サノフィと共同で、最近『Journal of Medicinal Chemistry』誌に「治療用途に向けたマクロサイクルの自動設計：低分子からペプチド、タンパク質まで」と題した論文を『Journal ofMedicinalChemistry』誌に発表した。本論文では、新規かつ多様なマクロサイクルを効率的かつ自動的に設計するための、新しいインシリコ・ワークフローの実装と応用について述べている。

我々は、この論文について議論するため、Sanofi社のアンドレアス・エヴァース博士（現在はMerck KGaA / EMD Seronoに移籍）とミヒャエル・ワグナー博士、ならびにSchrödinger のダン・シンディカラ博士と対談を行った。

この論文の新しい点や重要な点について教えてください。

アンドレアス：本論文では、所望の特性を持つマクロサイクルを創製するための合成戦略を自動的に生成・評価・提案する、まったく新しいワークフローについて述べています。ご存知のように、マクロサイクルや環状ペプチドは治療法としてますます注目を集めており、分子量が500～1500ダルトンの範囲にある数多くのマクロサイクルが成功した医薬品となっており、その中には経口投与が可能な例もいくつかあります。 我々は、マクロサイクル分子が、低分子化合物とより大きなバイオ医薬品との間の、医薬品分野における重要なギャップを埋めるものだと考えています。

我々の論文で詳述している通り、この手法は非常に有効であることが実証されており、低分子やペプチド、さらにはPROTACやタンパク質の環化にも応用可能です。これまでの本技術の応用例が示す将来性に、我々は大きな期待を寄せています。

それはとても興味深いですね。今回、Schrödinger とこのプロジェクトで協力することになった経緯を教えていただけますか？

マイケル：サノフィの「グループ 」である「Synthetic Medicinal Modalities」では、マクロサイクルを合理的に設計する方法を考案することに興味を持っていました。そこで、確立された化学反応や試薬を活かした環化反応の合成戦略を提案する手法を構築できないかと考えました。

アンドレアス：サノフィでは、長年にわたりさまざまなプロジェクトでSchrödingerの計算プラットフォームを活用してきましたが、マクロサイクルを研究するためのツールはあったものの、直鎖状の開始分子に対して異なる結合部位や候補となるリンカーを効率的にスクリーニングし、新しいマクロサイクルを自動的に設計するためのツールは存在しませんでした。 そこで私たちはダンに連絡を取り、私たちの構想について話し合いました。ダンはこの自動化されたワークフローの構築を支援してくれ、プロジェクト全体を通じて、私たちは緊密に連携して新しい手法の検証を行うとともに、技術の改善案も提案しました。

そのワークフローについて、もう少し詳しく教えていただけますか？

ダン：もちろん、私たちの統合的なアプローチの詳細は論文に記載されていますが、大まかに言えば、この図（下記参照）に示されているように、いくつかのステップから構成されています。

まずステップ1では、線状分子の生物活性コンフォメーションを出発点として使用します。結合部位は、自動的に特定されるか、あるいはユーザーによって指定されます。次にステップ2では、化学リンカーを生成します。これらは、利用可能な化学試薬などに基づいて明示的なリストとして提供されるほか、オプションとして、ワークフローがより小さなフラグメントを組み合わせることで自動的に生成することも可能です。 ステップ3では、各リンカーの完全な立体構造アンサンブルを生成し、ステップ4では、リンカーのアンサンブルを結合点にマッピングし、幾何学的に実現不可能な好ましくない環化反応を除去します。最後に、環化されたリガンドを、立体構造および／またはエンタルピー評価によってランク付けすることができます。このアプローチでは、Primeをはじめとする各種Schrödinger ソフトウェアの機能を活用しました。 Desmond、および Glideなどのxml-ph-0000@deepl.internalソフトウェアに含まれる特徴量を活用しました。

また、ヒトCREB結合タンパク質のKIXドメインに関する遡及的 の研究で示されているように、我々のアプローチを用いれば、段階的に二環構造を生成することも可能であることを指摘しておきたい。我々は調査を行った結果、このインシリコ環化アプローチにより、既知の二環構造体を自動的に生成できることを確認した。この事例は、熱的および化学的
変性に対する耐性を高めるためのタンパク質設計において、我々の手法が有効であることを示している。

アンドレアス：私たちは、生成された提案の合成実現可能性を確保することに特に重点を置いています。この目的のために、市販の化学試薬に基づいたリンカーの明確なリストを作成しました。しかし、このリストは、特定の環化反応や試薬に対応させるために、ユーザーが容易に修正することも可能です。 さらに、あらかじめ定義された環化リンカーを指定する代わりに、少数の反応性「ブリーディングフラグメント」からインシリコでリンカーを構築するオプションも組み込みました。これらのフラグメントを組み合わせ、列挙することで、リガンド-受容体 複合体の幾何学的制約に適合させることができます。その結果、アルゴリズムは合成上実現可能な多様なリンカー鎖のセットを提案することになります。

この手法の成果はどうでしたか？　主な利点は何だとお考えですか？

アンドレアス：我々は、医薬品開発において注目されるさまざまな標的やモダリティに対して、このアプローチの妥当性を検証するため、いくつかの前向き研究および遡及的 研究を実施し、実験結果と極めて良好な一致が確認されました。また、このワークフローにより、従来手作業で行わなければならなかった煩雑な作業の多くが自動化され、化合物空間 を、結合部位やリンカーの候補として、より広範かつ体系的に探索できるようになりました。

ダン：私たちのアプローチには「合成知能」が組み込まれており、新規分子を生成するだけでなく、その合成に必要な化学試薬のリストも生成します。 合成化学者と連携しながら、ユーザーは、例えば特定の環化反応に焦点を当てたり、手元にある、あるいは迅速に入手可能な試薬のみを考慮したりすることで、試薬リストを絞り込んだり、拡張したりすることができます。そうすることで、生成された設計案が容易に合成できることを保証しています。

創薬活動において、これらのツールを日常的に活用すると思いますか？

マイケル：その通りです。実際、論文でも示した通り、この技術を2つのプロジェクト――ペプチド（GLP-1/グルカゴン受容体 のデュアルアゴニスト）と低分子化合物（TAFIa阻害剤）――で前向きに活用しました。どちらのケースでも、新規かつ高活性な分子を設計することができました。また、設計案に基づいて分子を容易に合成できるという点も、医薬品化学者から高く評価されています。 そのため、このアプローチは現在、環化によって活性 、固有の安定性、あるいはその他の特性の面でメリットが得られる分子を対象とするすべての創薬プログラムにおいて、標準的な手法として採用されています。

これまで、合成が容易な環状分子を効率的に提案できるようなワークフローは存在しなかったことを踏まえると、創薬プログラムにおけるサイクルタイムを大幅に短縮できると確信しています。

望ましい特性を持つ、合成が容易なマクロサイクルを提案することに成功したことはさておき、この新技術の可能性について、他に何か興味深い点はありますか？

マイケル：低分子やペプチドよりも大きなシステムを対象とした「遡及的 」研究での成功を踏まえ、このアプローチは、PROTACやタンパク質といった他のモダリティへの応用においても大きな可能性を秘めていると考えています。例えば、バイオセラピーやバイオテクノロジー分野での応用を目的としたタンパク質・酵素の設計研究において、しばしば重要な目標となる熱安定性の向上などに活用できるでしょう。現在、当社は社内のいくつかのプロジェクトでこのアプローチを適用しており、初期段階では大きな成果を上げています。