AI がタンパク質との「鍵と鍵⽳」の結合と 相互作⽤を保った薬候補分⼦を設計 ―拡散モデルを⽤いた創薬AI「DiffPharma」を開発―

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2026-04-24 東京科学大学

東京科学大学の研究グループは、タンパク質との結合様式を維持したまま新規薬候補分子を設計できる創薬AI「DiffPharma」を開発した。拡散モデルを用い、水素結合や疎水相互作用などを「相互作用粒子」として組み込み、結合ポケット内で三次元分子を直接生成する手法を確立。評価では既知分子と高い相互作用類似度(最大0.9)を達成し、従来手法を上回る性能を示した。さらにSARS-CoV-2メインプロテアーゼに対して、既存阻害剤と同等以上の結合性を持つ候補分子を創出した。本技術は創薬の探索効率を大幅に高め、新規化学空間からの薬剤開発を加速する可能性がある。

AI がタンパク質との「鍵と鍵⽳」の結合と 相互作⽤を保った薬候補分⼦を設計 ―拡散モデルを⽤いた創薬AI「DiffPharma」を開発―
図1. 創薬研究における鍵と鍵穴モデル

<関連情報>

拡散モデルを用いた相互作用制約付き3D分子生成により、創薬のための構造ベースのファーマコフォアモデリングが可能になる Interaction-constrained 3D molecular generation using a diffusion model enables structure-based pharmacophore modeling for drug design

Masami Sako,Nobuaki Yasuo & Masakazu Sekijima
npj Drug Discovery  Published:02 March 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s44386-026-00040-x

Abstract

A key challenge in structure-based drug design is generating three-dimensional molecules while preserving essential protein-ligand interactions. We propose DiffPharma, a structure-based pharmacophore modeling framework based on a conditional diffusion model, to generate molecules that satisfy specified interaction constraints. The proposed method incorporates a semantic fusion architecture that integrates multiple interaction-specific neural networks, each designed to capture distinct molecular interactions such as hydrogen bonds and hydrophobic interactions. Experimental results demonstrate that DiffPharma achieves a residue-level interaction similarity of up to 0.9, significantly outperforming baseline models. To assess the method’s generalizability, ligands were generated for AKT serine/threonine kinase 1 and serine β-lactamase, successfully preserving key interaction features. The effectiveness of the method is demonstrated through a practical case study targeting the SARS-CoV-2 main protease. Molecular dynamics simulations indicate that the generated molecules maintain both structural stability and key interactions comparable to those of a bioactive reference ligand. In addition, the molecular mechanics generalized Born surface area (MM/GBSA) calculations based on MD trajectories suggest that several generated molecules may exhibit relatively favorable binding tendencies compared with the reference. The implementation of the DiffPharma, including code and an execution environment on Google Colab, is available under the MIT license at GitHub: https://github.com/sekijima-lab/DiffPharma.

生物化学工学
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