qMol: Efficient Molecular Queries Using Fragment-Based Reduced Graphs
Zhou, Ke, Zhang, Jin, Wu, Pan, Wang, Xiao, Zhang & Ji — J. Chem. Inf. Model. (2025), Application Note | DOI: 10.1021/acs.jcim.5c02195
🎯 分子をリング中心フラグメントの reduced graph に縮約し、トポロジー摂動とノード単位制約で類縁体を高速・解釈可能に検索する Web サーバ
① 背景と課題

創薬初期のヒット探索では類似性検索が SAR by catalogue や scaffold hopping を支える。2D フィンガープリント(ECFP/MACCS)、3D 形状(ROCS)、グラフ系(SmallWorld、Gillet らの reduced graph、Fragment Network)が発展してきた。

多くの 2D/3D 手法は「ブラックボックス」で、ユーザーの事前知識(必須ウォーヘッド・環系・Hbond モチーフ)を検索に明示的に組み込めない
小さな環の融合・分離でも reduced graph トポロジーが大きく変わり、厳密マッチングだと関連類縁体を取りこぼす

→ フラグメントをノードとする reduced graph + 構造摂動 + ノード制約で、大域骨格と局所化学特徴を同時に細かく制御

② 手法概要
分子 (RDKit)

リング優先フラグメント化
(短側鎖 len<3 は併合 / ring-ring 単結合を切断)

reduced graph (ノード=FragID, エッジ=結合)

構造摂動 (ring fusion/split/relocation/linker)

ANNOY 近傍 → ノード別集合の積集合
qMol
Python + RDKit + ANNOY / 公開サーバ qmol.xundrug.cn

フラグメント類似度:linking vector 1本=140次元 fuzzified topological feature(7原子タイプ×最大20結合)。2本以上=feature × exit vector(リング-リングは CAVEAT 7次元 d/α1/α2/φ、混在は ×0.5 ペナルティ)。

③ 計算化学パイプラインへの応用
  • lib/docking: reduced graph 索引を LBVS フィルタ/前段スクリーナーとして実装。ノード制約で warhead 保持
  • lib/molgen: MolgenYaml の制約条件にフラグメント・トポロジー縛りを追加し scaffold hopping 生成
  • lib/docking: ProLIFCalculator の薬理特徴とフラグメント feature を連携した SAR 解析
  • lib/fep: 検索で得た類縁体を MMGBSAEngine/DockFEP の評価候補に流す上流フィルタ
実装ギャップ: フラグメント化器・140次元 fuzzified feature・CAVEAT exit vector・ANNOY 索引・摂動ユーティリティが lib に未実装
④ 主な結果 (a) 10億規模での検索時間スケーラビリティ
0s 250 500 496s 95s 10M 100M 1B ChemFP 1.6 (ECFP4) qMol 平均クエリ時間 vs DB サイズ

10M では ChemFP が高速(0.3s vs 4s)だが、1億→10億で ChemFP は 61→496s に急増。qMol は 38→95s と緩やかで大規模スケーラビリティに優れる。

④ 主な結果 (b) LIT-PCBA での濃縮性能 (EF1%)
6 qMol 勝 2 同等 7 ECFP4 勝 15 ターゲットの勝敗 (EF1%)

非バイアス LIT-PCBA(15 標的・活性 7,844 / 不活性 407,381)。qMol は 6 標的で ECFP4 超、2 標的で同等、7 標的で劣り、総合では ECFP4 と同等で相補的と結論。

④ 主な結果 (c) 制約付き実検索の実証

SV40 Large T 抗原阻害剤(化合物3)と HDAC1 阻害剤(化合物13)で実検索を実証。

IC50 = 30 μM
摂動検索で回収した化合物8 が実測活性(PubChem AID 1903)
warhead 100%保持
HDAC1: ヒドロキサム酸ノードを固定 + Hbond アクセプタ制約
環数 1/2/3 を指定
ノードB の縮合環数を変えて狙い通りの類縁体を取得

→ ノード単位制約で必須ファーマコフォアを保持しつつ局所多様化できることを直接実証。

⑤ テイクホームメッセージ
  • フラグメント reduced graph で大域トポロジーと局所化学特徴を同時制御、AI 埋め込みより解釈可能
  • 構造摂動(ring fusion/split/relocation/linker insertion)でscaffold hopping 的検索を実現
  • 10 億化合物を約 1〜2 分で検索、ChemFP より大規模スケーラビリティ良好
  • ECFP4 と相補的:6/15 標的で上回り、併用で互いを補える
限界: 半数近い標的で ECFP4 に劣り単独最強ではない。小規模 DB では従来法が高速。閾値・摂動ルールはヒューリスティック。