IMPECCABLE: An Integrated Workflow of AI, Physics-Based FEP & Experiment — Discovery of Nanomolar-Potent Inhibitors
⚗️ Computational Chemistry DOI: 10.26434/chemrxiv.15002535
Bhati, Wan, Loeffler, Klähn, Bieniek … Coveney (UCL/SGC/AstraZeneca) · ChemRxiv 2026 · WDR91 KD 352 nM · Frontier/Aurora Exascale
① IMPECCABLEワークフロー全体像
① SST サロゲート 1B→10k ② Docking 精密ポーズ Pose Opt. ③ ESMACS GAL Hit ID 10rep×4ns ④ TIES GAL Lead Opt 5rep×13λ REINVENT (生成AI) RNN prior (hit) / Libinvent (lead) AiZynthFinder 合成可能性スコア UQ (不確実性 定量化) WDR91 結果: 出発 KD 6 µM → KD 352 nM (20倍向上) 5合成ステップ・6件合成テスト・SPR + DSF + X線で確認 計算効率: vHTS ~1000倍 | Hit ID ~5倍 | Lead Opt ~8.5倍 | 全工程約25時間 (Frontier) ZINC22 (370億件) を256ノードAuroraで40分スクリーニング可能
② 計算効率:従来手法との比較
化合物数の比較(対数スケール) 1k 10k 100k 1M 1B 1B 1M vHTS ×1000倍 50k 10.5k Hit ID ×5倍 5.1k 600 Lead Opt ×8.5倍 従来 IMPECCABLE
③ 物理ベースFEP手法の詳細

ESMACS(Absolute BFE)

アンサンブル10レプリカ × 4 ns。UQ付き ΔG でGALヒット同定ループを駆動。ff14SB/GAFF2/TIP3P, NAMD3。25→10レプリカでスループット確保。

TIES(Relative BFE)

MCS Tanimoto (閾値0.4) で摂動ネットワーク構築。5レプリカ × 13λウィンドウ × 4 ns = 260 ns/リガンド。AM1-BCC-ELF10電荷でコンフォーマー依存性低減。

WDR91 Compound 10 結合様式

①ベンズアミドNH ↔ Thr532主鎖CO(H結合)②ピラゾール環が Arg462 cation-π + Thr532-Lys533 アミド-π のサンドイッチ(活性クリフ原因)③Cl↔Cys503 カルコゲン結合(弱)

lib/fep ESMACS lib/fep TIES UQ担保
④ 主な結果 (a) SST サロゲートスループット
スクリーニング速度比較 1000 2000 3000 RegGO 100/s SST 3100/s ★31× Aurora 256ノード: ZINC22 (370億件) を 40分でスクリーニング完了 化合物/秒 (A100 GPU, 単体)
④ 主な結果 (b) WDR91 親和性向上の推移
KD 推移(WDR91, GAL最適化) 1 µM 100 nM 10 µM 6 µM 出発Mol1 ≥6 µM 購入20件 ≥6 µM 合成12件 ~1 µM GAL選択 352 nM Mol10 ★ 1 µM ×20↑
⑤ ケムインフォマティクスへの実装指針

lib/docking → SST サロゲート統合

UniDockRunner の前段に SSTSurrogateScreener を追加。SMILES Transformer + BPE で ZINC 全体を高速スクリーニングし上位 10k のみドッキングへ送る(~1000倍効率化)。

lib/fep → ESMACS/TIES アンサンブル FE

MMGBSAEngine をアンサンブル化し UQ つき ΔG 出力を実装。10レプリカ並列実行で信頼性の高い予測を提供。DockFEP に TIES の MCS 摂動ネットワーク構築機能を追加。

lib/molgen → GAL オーケストレーター

MolgenYaml のスコアリング関数に FE フィードバックと AiZynthFinder 合成スコアを組み込み多目的 GAL ループを構築。REINVENT との連携で活性・合成容易性を同時最適化。

lib/docking SST lib/fep ESMACS lib/molgen GAL
𝕏 投稿用 AI(REINVENT生成)×物理FEP(ESMACS/TIES)×実験を統合したIMPECCABLEで、WDR91に352 nMナノモルバインダーを発見。SST Transformerが37億件を40分スクリーニング。UQ付きFEPが予測を実行可能に。