Binder Screening (pH-dependent)

简介

Binder Screening (pH-dependent) 是一个用于筛选 pH 敏感型 binder 序列的结构分析工具。该工具基于 pH_score、ddG_elec、氢键能量以及 HIS-带电残基配对分析，对输入的 target-binder 复合物结构进行多维度评估。

核心思想
该模块主要通过以下指标进行筛选：

• pH Score：基于组氨酸氢键模式评估界面 pH 敏感性。
• ddG Elec：使用 OpenMM 计算不同 pH 条件下的静电结合能变化。
• Hydrogen Bond Energy：分析 binder 内部 HIS-HIS、HIS-LYS、HIS-ARG 氢键网络的稳定性。
• HIS-Charged Residue Pairs：统计 HIS 与目标区域阳离子或阴离子残基的空间邻近关系。

该工具支持 PDB、CIF 和 mmCIF 格式输入，适用于界面 HIS 筛选、埋藏氢键网络筛选以及反向设计筛选等场景。

参数说明

Input Files

输入结构文件，必选参数。支持单个文件、目录或压缩包输入，可接受 .pdb、.cif、.mmcif 格式，以及 .zip、.tar.gz、.tgz 压缩包。

Binder Chains

Binder 链 ID，例如 A,B。与 Binder Residues 二选一。

Binder Residues

Binder 残基范围，例如 A:1-50,B:30 或 1-50,60-80。与 Binder Chains 二选一；未指定链名且多个链含相同残基编号时会报错。

Target Chains

Target 链 ID，格式与 Binder Chains 相同。未指定 Target Chains 和 Target Residues 时，默认使用除 binder 外的所有残基作为 target。

Target Residues

Target 残基范围，格式与 Binder Residues 相同。未指定 Target Chains 和 Target Residues 时，默认使用除 binder 外的所有残基作为 target。

Strategy

筛选策略，默认值为 interface。

• interface：界面 HIS 筛选策略，使用 pH_score、ddG_elec 过滤和 HIS-阳离子残基配对计数。
• network：埋藏网络筛选策略，检测 binder 内部 HIS 氢键网络能量。
• reverse：反向界面 HIS 筛选策略，使用 ddG_elec 和 HIS-阴离子残基配对计数，不计算 pH_score。
• both：同时运行 interface 和 network 两种筛选策略。

Minimize Method

结构能量最小化方法，默认值为 openmm，适用于所有筛选策略。

• openmm：使用 OpenMM 内置 LocalEnergyMinimizer，速度较快，但结果不完全可复现。
• capped-sd：自定义 capped steepest descent 优化，包含三阶段流程：冲突消除、氢原子与侧链弛豫、全原子优化，结果可复现。

Charged Cutoff

Target 带电残基附近 binder 残基的距离阈值，默认值为 6.0 Å。仅用于 interface 和 reverse 策略。

Interface Cutoff

界面残基距离阈值，默认值为 6.0 Å。仅用于 interface 和 reverse 策略。

ddG Elec Threshold

ddG_elec 阈值，默认值为 0.0 kcal/mol。仅用于 interface 和 reverse 策略。
在 interface 策略中，ddG_elec >= threshold 表示通过筛选，即低 pH 下静电排斥增强。
在 reverse 策略中，ddG_elec <= threshold 表示通过筛选，即低 pH 下静电吸引增强。

Skip ddG Elec

是否跳过 ddG_elec 计算。仅用于 interface 策略。reverse 策略不支持跳过 ddG_elec，因为该指标是反向筛选的核心指标。

Min HIS Count

HIS-带电残基配对的最小数量，默认值为 1。仅用于 interface 和 reverse 策略。
在 interface 策略中，统计 HIS 附近的 target 阳离子残基 K、R、H。
在 reverse 策略中，统计 HIS 附近的 target 阴离子残基 D、E。

Buried SASA Ratio

埋藏残基 SASA 比例阈值，默认值为 0.2。当残基 SASA 比例，即实际 SASA / 标准氨基酸 SASA，低于该阈值时，该残基被认为是埋藏残基。仅用于 network 策略。

Network HBond Distance

网络氢键距离阈值，默认值为 3.5 Å。仅用于 network 策略。当 HIS 受体原子 ND1/NE2 与配对供体原子之间的距离低于该阈值时，记录为氢键。供体原子包括 ARG NH1/NH2/NE、LYS NZ 或 HIS ND1/NE2。

HBond Energy Threshold

氢键能量阈值，默认值为 -0.5 kcal/mol。仅用于 network 策略。当 binder 内部以 HIS 为受体、HIS/ARG/LYS 为供体的最强氢键能量低于该阈值时，结构通过筛选。

结果说明

输出结果包括：

其中 {strategy}_top5_{basename}_pH{N}.pdb 信息如下：

1. top5 规则：按各策略排序规则取每种策略排名前 5 的 passed PDB 结构。interface 按 ddG_elec 降序，设置 Skip ddG Elec 时按 pH_score 降序；reverse 按 ddG_elec 升序；network 按 best_hbond_energy 升序。
2. 命名格式：{strategy}_top5_{basename}_pH{N}.pdb，其中 {strategy} 为 interface、network 或 reverse，{basename} 为结构文件名去掉 .pdb 后的名称。interface 和 reverse 每个结构包含 _pH5 与 _pH7 两套，最多 5×2=10 个；network 每个结构仅输出 _pH7，最多 5 个；both 即 interface + network，最多 15 个。
3. 通过筛选的结构不足 5 个时，按实际数量输出。

其中 interface_screening_summary.csv 包含信息如下：

其中 network_screening_summary.csv 包含信息如下：

其中 reverse_screening_summary.csv 包含信息如下：

参考文献

• Ahn G, et al. 2025, Computational design of pH-sensitive binders, bioRxiv, DOI: https://doi.org/10.1101/2025.09.29.678932