Quantum Chemical Approach for In Silico Drug Design

Abstract

Computational approaches have become an established and valuable component of pharmaceutical research. Computer-aided drug design aims to reduce the time and cost of the drug development and also to bring deeper insight into the inhibitor binding to its target. The complexity of biological systems together with a need of proper description of non-covalent interactions involved in molecular recognition challenges the accuracy of commonly used molecular mechanical methods (MM). There is on the other side a growing interest of utilizing quantum mechanical (QM) methods in several stages of drug design thanks to increased computational resources. This doctoral thesis's topic is the QM-based methodology for the reliable treatement of intermolecular interactions. It consists of eight original publications devided into three topics and an accompanying text that aims to emphasize selected outcomes of the work. Firstly, the nature of nonclassical non-covalent interactions - so called σ-hole bonding - is studied by high-level QM methods. The strength and origin of halogen-, chalcogen- and pnicogen bonded model systems in extended datasets are accurately explored by coupled cluster QM method (CCSD(T)/CBS) and symmetry adapted perturbation theory (SAPT). The second part is devoted to three pharmaceutically...

Výpočetní metody jsou nedílnou součástí moderního farmaceutického výzkumu. Počítačový návrh léčiv si klade za cíl snížit čas a náklady spjaté s vývojem léčiva a také detailněji porozumět vazbě inhibitoru k danému biologickému cíli. Kvůli komplikovanosti biologických systémů a potřebě správného popisu nekovalentních interakcí nutných k molekulárnímu rozpoznávání je přesnost běžně používaných molekulově mechanických (MM) metod na hraně spolehlivosti. Na druhou stranu zde vzrůstá tendence používání kvantově mechanických (QM) metod v různých fázích vývoje léčiv díky rostoucím výpočetním možnostem. Tato disertační práce se zabývá aplikací kvantově mechanických metod pro věrný popis mezimolekulových komplexů a jejich interakcí. Tato práce zahrnuje osm původních publikací rozdělených do tří témat a doprovodný text, jenž si klade za cíl zdůraznit některé závěry plynoucí z této práce. V první řadě je vysoce přesnými kvantově mechanickými metodami studována povaha neklasických nekovalentních interakcí, tzv. vazebné interakce pomocí sigma díry. Síla a původ halogenové, chalkogenové a pniktogenové vazby v modelových systémech z rozšířených databází molekul jsou zkoumány přesnou metodou vázaných klastrů (CCSD(T)/CBS) a symetricky adaptovanou poruchovou teorií (SAPT). Druhá část se věnuje třem farmaceuticky...