Targeting BACE1 Inhibitors: In Silico Drug Discovery — From Database Screening to MD Validation
Bulgini — Politecnico di Torino 修士論文 (指導: Prof. Tuszynski) — 2026年4月
🎯 DrugBank 3,819化合物をBoltz-2 SBVSでスクリーニング → 上位27化合物をGROMACS/MM-GBSAで検証 → BACE1安定結合候補1化合物同定
① BACE1とアルツハイマー病 — 標的の背景

BACE1（β-サイト APP切断酵素1）はアミロイド前駆体タンパク質（APP）を切断し、アルツハイマー病（AD）の原因物質であるアミロイドβ（Aβ）産生の律速酵素。活性部位に触媒二分子Asp32-Asp228を持ちアスパルチルプロテアーゼに分類される。

BACE1はフラップ領域（Tyr71-Thr72ループ）の柔軟性が高く古典的ドッキングでの精度が限界
臨床試験済みBACE1阻害剤（verubecestat等）は神経系副作用で失敗 → 新規足場が必要

→ Boltz-2 co-foldingでフラップ柔軟性を考慮した結合ポーズを予測しDrugBank由来の安全性実績化合物から候補選定

② 化合物ライブラリ構築
DrugBankシード
臨床開発段階（Phase I–III）＋FDA承認薬をシードとして使用
PubChem類似性拡張
Tanimoto≥0.85でPubChem REST APIから類似化合物を取得
3,819
Lipinski/Veber フィルタ後のスクリーニング化合物数
DrugBank + PubChem 類似性: ~10,000+ Lipinski/Veber フィルタ: 3,819化合物 Boltz-2 上位27化合物 MD検証: 1確定
③ Boltz-2 co-folding SBVS — スコアリング

入力: BACE1配列（UniProt P56817）+ リガンドSMILES → Boltz-2がタンパク質-リガンド複合体を同時予測（co-folding）

confidence_placing × 0.2 + affinity_placing × 0.8 = combined score（小さいほど良）
  • 触媒二分子Asp32-Asp228へのポーズ目視確認
  • 複合スコアで3,819化合物をランキング
  • 上位27化合物をMD検証へ選択
Combined Scoreランキング（上位10、低いほど良） 0.185 0.220 0.248 Compound rank 1–6 of 3,819
④ GROMACS MD + MM-GBSA 検証プロトコル
力場設定
AMBER99sb-ildn ＋ SPC216水モデル
リガンド電荷: AM1-BCC (antechamber)
MDプロトコル
EM → NVT (300K) → NPT (1bar) → 本番 10 ns
計算コスト: ~6-7h/GPU/system
MD プロトコル EM 最急降下 NVT 300K, 100ps NPT 1bar, 100ps 本番MD 10 ns RMSD 概念図（安定化合物） — 安定候補 -- 不安定候補 RMSD Time (ns)
⑤ 結果：MM-GBSA評価と最終候補
評価指標安定候補 (確定)有望候補群
MD安定性（10 ns）全期間安定途中でコンフ変化
MM-GBSA ΔG明確に負（良好）やや不利
RMSD推移収束・安定大きな揺らぎあり
Asp32-Asp228相互作用維持一部で喪失
起源DrugBankクリニカルPubChem拡張
MM-GBSA ΔG 分布（上位27化合物） 負（結合有利）← ΔG → 正（結合不利） ★ ★ = 最終選定（明確な安定結合体）
⑥ Boltz-2計算コストと実用性
3.32 min
Boltz-2 計算コスト/化合物
~6-7 h
GROMACS 10 ns MD/GPU/system
計算コスト比較（3,819化合物フル処理） Boltz-2 ~212h GPU MD×27 ~180h GPU 古典FEP×27 数千h → Boltz-2で大幅スクリーニング短縮後にMDで精密化する2段階が有効
⑦ 限界点・今後の展望
実験的IC50/Ki測定未実施（完全計算研究）
10 ns MDはBACE1フラップ開閉を捉えるには短い可能性あり
Boltz-2スコアと実測活性の校正（calibration）が未実施
今後の展望
  • in vitro IC50測定で計算スコアを外部検証
  • REMD/Extended Sampling で長時間コンフォーマーをカバー
  • OpenFF力場でAM1-BCCより精密なリガンドパラメータ付与
  • lib/docking へのBoltz-2複合スコアインターフェース実装
  • GitHub: github.com/Bulgio/drug_discovery_pipeline
Bulgini, M. (2026). Targeting BACE1 inhibitors: In Silico Drug Discovery Approach. Politecnico di Torino (指導: Prof. J.A. Tuszynski) ｜ GitHub: https://github.com/Bulgio/drug_discovery_pipeline ｜ Boltz-2: https://github.com/boltz-community/boltz