Deep learning for drug design : modeling molecular shapes

Abstract

Designing novel drugs is a complex process which requires finding molecules in a vast chemical space that bind to a specific biomolecular target and have favorable physio-chemical properties. Machine learning methods can leverage previous data and use it for new predictions helping the processes of selection of molecule candidate without relying exclusively on experiments. Particularly, deep learning can be applied to extract complex patterns from simple representations. In this work we leverage deep learning to extract patterns from three-dimensional representations of molecules. We apply classification and regression models to predict bioactivity and binding affinity, respectively. Furthermore, we show that it is possible to predict ligand properties for a particular protein pocket. Finally, we employ deep generative modeling for compound design. Given a ligand shape we show that we can generate similar compounds, and given a protein pocket we can generate potentially binding compounds.

El disseny de drogues novells es un procés complex que requereix trobar les molècules adequades, entre un gran ventall de possibilitats, que siguin capaces d’unir-se a la proteïna desitjada amb unes propietats fisicoquímiques favorables. Els mètodes d’aprenentatge automàtic ens serveixen per a aprofitar dades antigues sobre les molècules i utilitzar-les per a noves prediccions, ajudant en el procés de selecció de molècules potencials sense la necessitat exclusiva d’experiments. Particularment, l’aprenentatge profund pot sera plicat per a extreure patrons complexos a partir de representacions simples. En aquesta tesi utilitzem l’aprenentatge profund per a extreure patrons a partir de representacions tridimensionals de molècules. Apliquem models de classificació i regressió per a predir la bioactivitat i l’afinitat d’unió, respectivament. A més, demostrem que podem predir les propietats dels lligands per a una cavitat proteica determinada. Finalment, utilitzem un model generatiu profund per a disseny de compostos. Donada una forma d’un lligand demostrem que podem generar compostos similars i, donada una cavitat proteica, podem generar compostos que potencialment s’hi podràn unir.