分子模拟和建模
蛋白质建模和化学信息学
基于结构的药物设计
药效团建模
开发环境
计算化学/药物设计综合软件
MolecularOperatingEnvironment
MOE(MolecularOperatingEnvironment)分子操作环境，是由化学计算集团公司ChemicalComputingGroupInc.开发
的针对制药和生命科学的综合软件系统。MOE是一个综合的应用环境和技术开发平台，集可视化、模拟和应用开
发于一体。MOE在统一的操作环境下能通过分子模拟、蛋白质结构分析、小分子数据处理以及蛋白质与小分子对
接研究等应用工具全方位支持药物设计。
图形用户界面
MOE的图形用户界面（GUI）为各种运行平台（从PC到工作站）的用户提供统一的工作环境。菜单和控制面板可
根据用户需要定制，用户工作环境也可随意设置。主窗口包括了小分子、氨基酸片段库、核酸和糖类的构建器以
及SMILES格式的输入界面。MOE提供多种显示功能，如分子表面形状、蛋白质二级结构和氢键等等。MOE同样支
持硬件三维视图。
分子数据库管理
数据库有一种基本格式，MDB(MolecularDatabase),可以高效地处理计算化学中的大量数据，并且能让用户以
Excel表格形式快速访问。它可以保存分子动力学、构象搜索、库设计、QSAR等结果，然后用统计和图表的方式分
析。
开发环境
MOE中大部分应用程序均是用SVL语言编写，并且源代码是公开的。使用SVL文本编辑器，用户可轻易的访问程序
内容并修改算法或参数；同样，用户也可以编写其自身需要的应用功能。SVL程序和脚本可在不同的硬件上运
行。
制药及生命科学研究的最佳分子设计环境
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分子构建及结构可视化
分子能量优化
分子动力学模拟及分子间相互作用分析
分子柔性叠合，共同骨架和共同特征发现
定量构效关系(QSAR)分析
骨架置换，“结构-活性”关系分析
分子构象搜索
分子属性计算、结构相似搜索、统计分析
高精度同源建模（单体、多聚体、抗体）
变异结构预测
保守结构及相互作用分析
结构质量评价
活性位点预测分析
基于结构的药物分子设计
受体-配体相互作用分析
分子表面可视化及特性分析
基于“受体-配体”相互作用的药效特征提取
基于活性化合物结构叠合的保守药效特征建模
基于大批量化合物活性数据的自动药效团建模
高效的SVL语言开发环境
用户定制化开发
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分子建模和模拟
MOE内部的有机化学结构表示方法和灵活的框架体系为分子建模和计算化学提供了可靠的基础。直
观的分子编辑器、文件格式处理、验证力场选择、强大的建模应用程序及用户定制性都使得MOE成为
工业中最具灵活性的分子建模环境。
分子显示和操作环境
分子建模
●分子结构显示
无论生物大分子、有机小分子，还是水分子、金属离子，在MOE
里都能以非常精美的图像展示给用户。MOE支持各种形式的分子
结构渲染方法，同时还支持红蓝、QuadBuffer主动三维立体显示
技术，让您能够身入其境的观察和操作分子。
●相互作用显示
MOE里可以直观地观察分子间相互作用，例如氢键、盐键、疏水
相互作用、PI-PI相互作用等。您既可以看到大分子内部的氢键
网络，也可以看到受体-配体间重要的相互作用。
●氨基酸\碱基序列显示
序列编辑器可以让您方便地查看蛋白或核酸的序列。在这里可以选中特定的残
基，进行渲染、修改或其它操作。水分子、配体、离子等同样可以在序列编辑器
里显示并操作。
●批量分子结构数据显示
数据库浏览器DBV可以批量地导入分子结构及其他相关数据。在这里，分子结构以
在MOE主窗口里同样的方式显示，并可以缩放、旋转。
●分子构建与数据输入/输出
使用一系列分子架构器可以创建或编辑小的化学分子、蛋白质、碳水化合物、DNA和晶体结构。分子结构信息和其他
各种数据均能以多种标准化文件格式进行输入和输出。使用SD管道命令行工具可直接对SD文件进行化合物过滤、描
述符计算和结构绘制。
●多种分子复杂体系构建
可以向蛋白、核酸、有机分子中加入溶剂分子及离子。可以设定周期性边界条件，或添加其他约束以表征晶体衍射
结构。
●大分子质子化(Protonate3D)
氢原子的坐标对于正确地计算分子能量、相互作用、分子力学优化、分子动力学模拟、分子对接等应用都有重要的
意义。通常由实验手段得到的生物大分子结构都不包含氢原子坐标，因此需要根据溶剂环境和条件进行正确的计算
和模拟以确定，Protonate3D正是为此目标而设计。使用Protonate3D功能，只需简单地设定温度、pH值和盐浓度
等条件，即可对一个大分子结构进行质子化(加氢）计算。
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●分子力学优化
MOE含有一个整合的开放式参数的多处理器力场引擎。主要包括AMBER`89/`94/`99,CHARMM22/27,MMFF94(s),
OPLS-AA和Engh-Huber模型的参数。除了目前可以实现的三种大规模能量最小化算法，还可以添加距离、角度、扭
转角等参数。
●构象分析
对分子进行构象分析，是进行很多计算，例如药效团搜索的基础。MOE提供了
多种方法让用户进行构象分析：
SystemSearch系统构象搜索
StochasticSearch随机构象搜索
LowModeMD低能量高频率模式分子动力学模拟
ConformationImport基于片段的高通量构象搜索方法
通过对已知和预测的配体进行三维结构比对（或结构重叠）来推测生物活性的结
构需求。这一功能在无法获得受体分子的精确结构信息时格外有用。MOE采用了
包含所有原子的灵活性比对程序，将力场以及基于形状的Gaussian描述和药效基
团特征的三维结构相似性函数结合起来产生一组小分子所有可能的比对结果。
●小分子柔性叠合
●分子动力学模拟
MOE自带动力学模拟引擎。NVE、NVT、NPT和NPH分子动力学模拟方法可被引
入使用，并可选择对原子固定和边界进行设定。此外，MOE还带有和著名动力
学模拟软件NAMD接口，免去了NAMD用户进行分子准备和后续结果分析的繁琐
劳动。
MOE提供了主流的从头计算法，半经验算法和密度泛函编码，如GAMESS、Gaussian、ADF和MOPAC的应用接口。并
使用图形界面来配置运算和显示结果，如电子密度云、分子轨迹图、能量层次图表及其他属性。使用MOE/smp可进
行化合物集合的并行计算。
●量化计算
使用衍射模拟可对气态、无定型的液态、粉末状或者单晶体构像在X射线，质子或电子衍射实验中的结果进行预测。
并对各种结构因子数据以不同亮度的点图显示。
●衍射模拟
分子模拟
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化学信息学及高通量发现
MOE内嵌的方法可以应用于大批量分子属性计算、建模和模拟。分子属性计算、定量构效关系模型建
立、指纹图谱、聚类和多样性分析均可以应用于高通量的化合物筛选分析。
定量构效关系(QSAR)
“结构-活性”报告(SAReport)
在MOE里，您可以计算超过300种分子描述符，包括:拓扑指标、结构特征、能量状
态指标、物化属性（例如LogP、分子量和摩尔反应率）、拓扑极性表面积以及CCG
特有的范德华表面积描述符，用于生物活性和ADME性质预测。描述符还可以用来进
行分类、聚类、过滤和构建预测模型。使用MOE内嵌的SVL语言可以添加您自己定制
的描述符。
●分子描述符
可以使用线性、概率和决策树方法来构建QSAR/QSPR模型。CCG独一无二的二元QSAR是从高误差数据构建”pass/
fail”模型的理想方法。线性模型包括PCR和PLS方法，可用于生物活性和ADME性质评估。
●QSAR建模
SAReport包括成熟的分析方法，帮助科学家确认重要的化合物组，以便更为有效地决定合成方向。在一个药物
发现项目中，随着实验数据的增加，对于科学家和管理者而言，跟踪信息通常会很困难。SAReport将信息统一
在一个框架下，以便科学家和管理者作出更好的决策。
MOE的范德华表面积（VSA）描述符是logP、摩尔反应率和部分电荷属性基于原子
表面积的描述符。这些描述符之间内部关联较弱，却与许多物理化学属性有高度
关联。这些描述符基于2D连接表格，是高通量筛选QSAR的完美选择。
●范德华表面积(VSA)描述符
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分子相似性搜索
虚拟化合物库设计
基于描述符、构象和分子指纹图谱可以进行相似性搜索和多样性子
集选择。指纹图谱系统的选择包括：2、3、4点2D或3D药效团指纹图
谱和MACCS特征指纹图谱。
采用“逆向合成”原则分析大批量化合物，并从中生成分子片段。
使用产生的片段，可以在从头合成方法指导下，构建新颖的化学结
构，这些化学结构同时具有更好的可合成性。定义重原子平均值和
方差可以控制随机生成结构的大小分布。应用drug-like\lead-like原
则，或QSAR/QSPR预测模型，或3D药效团模型，可以过滤分子以
便适合从头虚拟筛选。
●组合库枚举
●集中组合库设计
自动生成2D分子结构图
MOE里可以使用组合库枚举器构建中等规模的组合库。该模块支持
对称取代、肽取代、对称取代、肽段取代、双钩连接、环生成以及
手性。枚举的化合物输出到一个MOE分子数据库（MDB文件）中，
随后可以查看并分析。
采用基于产物的方法进行集中库的设计，根据作为活性化合物部分
可能性高低对反应物进行排序。排序原则可以基于线性或二元
QSAR、指纹图谱、药效团、指纹图谱或者综合模型。采用蒙特卡洛
技术避免了枚举遍历，特别在非常大的虚拟库设计中，可以有效进
行反应物排序。
采用独一无二的算法快速生成符合出版要求的2D小分子结构图。此算法经过一个包含70,000化学结构数据集的
验证。用户可以在一个数据库中计算每个分子的2D分子结构图，也可以在ASCII模式下导入SMILES字符串为每个
分子生成2D分子结构图。
SD流水线命令工具
直接操作SD文件，进行2D结构图生成，酸/碱质子化态，数据库过滤、排序和描述符计算等操作。将不满足一系
列过滤原则（例如lead-like、反应基团、drug-like等）数据记录移除，将SD文件中数据记录进行排序，删除重复
数据。计算描述符并将结果直接输出到SD文件或文本文件中。
●逆向合成分析(RECAP)
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蛋白建模与生物信息学
MOE平台中经过CASP验证的蛋白质同源建模功能强大且直观易用。无论是高级专家或普通用户都能
轻松掌握它的使用方法。强大的同源结构识别、序列比对技术和模型修正方法使得蛋白质序列到三
维结构高质量预测这一过程准确可行。
蛋白建模
●蛋白结构家族数据库
蛋白质数据库PDB中存储的蛋白质结构数据常常因为长期积累的格
式错误而难以访问。CCG对所有的PDB数据进行了处理，修正了很多
常见的错误并生成了一个“净化”版本的PDB数据库。“净化”后的数据
库经详尽反复的结构聚类处理后生成蛋白质结构家族数据库。
利用氨基酸序列构建同源模型。将一个或多个蛋白质模型中经实验
证实了的构成蛋白质骨架结构的片段按统计学方法拼接起来，然后
从旋变异构体结构库中选择适合的侧链构象，最后使用AMBER`89/
`94/`99、CHARMM22/27或者Engh-Huber力场理论中的能量最小化原
则对生成的蛋白质结构模型进行修正。MOE可以进行多聚体建模和
有配体、辅基存在下的“诱导-契合”建模。
●蛋白同源建模
●抗体建模
MOE采用特殊优化的抗体建模方法。抗体序列上的每一个框架区以
及Loop区都可以在一个丰富的抗体结构数据库当中找到与之匹配的
最佳模板。从而保证了抗体建模的高效与精确。
●氨基酸残基突变与侧链构象探索
MOE平台中的旋转异构体探索器（Rotamer
Explorer）可用于发现氨基酸侧链构象。这一工
具能够预测蛋白质三维结构中氨基酸结构的
突变结果。它使用基于能量的打分函数对可能
的旋转异构体进行排序并利用MOE的图形界
面进行可视化分析。
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蛋白结构分析与评价
●蛋白3D结构叠合和结构家族保守性分析
●蛋白折叠模式识别
这一分析可用于理解关联蛋白质结构（或者同源序列）的保守区域特
征和差异情况。通过蛋白质结构家族的三维结构叠合分析，用户可深
入了解那些在序列比对中常常无法检测到的结构，如保守的几何结
构、水分子、盐桥、氢键、疏水接触点和二硫键。利用结构和序列的
系统树可去除家族以外的蛋白质，提高比对的质量。
运用折叠模式识别方法来搜索蛋白质结构家族数据库可以鉴定相关
的蛋白家族。该检索方法使用FastaA型局部比对算法确定折叠模式，
并使用该蛋白质家族中的成员对结果进行测试。测试方法选用的是
全局的多重比对算法和Z值显著性检验方法。检索结果显示，即使同
源关系较远的折叠模式也能被有效识别，几乎没有假阳性结果（与两
两配对式检索结果不同）。使用MOE/smp计算机集群技术进行折叠
模式的并行检索可以及时识别全基因组的蛋白质折叠模式。
利用统计学方法，以来自X射线的晶体数据质量对预测到的蛋白质结
构的可靠性进行评价。利用诊断工具，如RamachandranPlots、Chi
Plots和StereochemicalReport等，能够轻易的识别并分离出预测到的
蛋白质结构中需要进一步分析处理的区域。
●结构质量评价
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已知大分子晶体结构数据能够成为发现活性配体很有价值的信息。MOE提供多种应用功能观察和理
解活性位点和受体—配体相互作用的具体信息。这些应用功能可以用来优化配体或筛选配体数据
库寻找候选药物。
基于结构的药物设计
多种基于结构的药物设计方法
将小分子对接到大分子结合位点中。您可以提供一个小分子
构象库，或者MOE也可以根据包含溶剂影响的势能函数实时
生成小分子构象数据库。结合模式根据LondondG打分来估
算其结合亲和力。您也可以选择使用药效团来约束生成的结
合模式，以满足已知重要的相互作用。
●配体-受体对接
●LigX:交互式配体设计优化工具
LigX是一个用于活性位点配体3D结构的优化的流水线式的操
作界面。有一系列专门的按钮提供结构的准备、活性位点的
分析、分子性质及结合位点亲和力的计算、配体的修饰和优
化的命令。用户可以在LigX模式下实时看到配体分子的分子
量、LogP、极性表面积、应力能、结合亲和力等信息。LigX
对计算化学家和药物化学家都有很好的使用价值。
通过一个基于Edelsbrunner的α形状的快速几何算法，
可以检测出“蛋白-配体”和“蛋白-蛋白”之间潜在
的结合位点。根据可及疏水接触表面，可以对大分子
结构上的每个位点进行排序。这些活性位点可以采
用“假原子”形象地显示并表征出来，用于对接计算
或者作为全新配体设计的起点。
●活性位点检测
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●骨架置换
采用药效团连接注释来进行分子骨架置换或仿制药设计项目。连接
药效团注释能指示出候选的骨架分子，以及潜在的R基团替代位
置。在保留连接几何方式的前提下，用户可以在特定的骨架或连接
片段数据库中搜索，从而可以找到新颖的化学骨架。为了保留已知
的相互作用或体积约束，用户可以添加附加的药效团特征。
●片段生长与连接
通过晶体结构解析或计算机模拟可以发现与受体活性位点具有较好
结合的活性片段。同样可以采用药效团注释方法来进行片段的连接
与生长设计。用户可以添加体积约束或相互作用约束来缩小搜索范
围。这是一种进行全新药物设计的有效方法。
●MedChem转化
MedChem转化是用于发现新的化合物的方法。这种方法通过对已
存在的配体设置转换规则而产生新化合物。典型的转换方式可能是
通过交换官能团，或者改变全部或部分的独特的环状结构而保留其
他的配体结构。这种方法能够迭代循环使用，不断的累积从而改变
初始的结构。如果受体已知，还可以使用分子力场方法优化来产生
各种各样的结合模式，并使用对接评分。
●BREED：3D配体生成器
BREED把遗传学算法中的“交叉重组”思想用于产生新的分子结
构。新的分子通过已知配体分子的部分交换结合而成。用户可以
通过指定QSAR的描述符、模型或药效团来过滤限制小分子的生成
结果。如果受体是现成的，小分子能够像对接计算那样通过结合
位点而生成。因此，BREED能够当成一种部分基于配体、部分基
于受体的方法来使用。
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利用“蛋白--配体”相互作用图谱能很容易的确定活性位
点的极性、疏水、酸性和碱性残基。可以看到暴露在溶剂
中的配体原子，与配体原子有紧密接触的残基，以及骨架
和侧链上氢键供体和受体的相互作用。
●2D活性位点速写图
●分子表面图
分子表面图是一个用于活性位点分析的集成应用工具。构
建分子表面、预测接触倾向性、并绘制静电分布图。可以
选择各种各样方式来为分子表面着色，例如温度因子、口
袋、ACTIVELP和静电势能。
●PLIF：“蛋白-配体”相互作用指纹图谱
PLIF将小分子化合物与蛋白残基之间的相互作用如范德华
接触、氢键、盐键等以指纹图谱(Fingerprint)的形式来
表征。通过叠合一批“蛋白-配体”复合物结构分析可以
得到重要残基及重要相互作用的信息，并以此建立模型，
作为设计和筛选的基础。
●多片段搜索
多片段搜索是一种定位特定化学基团在受体结合位点合适
位置的集合方法。先将大量相同的化合物片段填充在大分
子活性位点中，然后用能量最小化方法来优化片段的位
置。随后将产生的片段位置进行聚类并打分（考虑溶剂影
响），最后输出到数据库以便进行下一步的观察和分析。
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MOE的药效团建模是一种强大的产生并利用3D几何信息进行新颖活性化合物搜索的方法，特
别是当缺乏受体结构信息的时候。药效团方法使用一种概括化的配体代表方法和几何约束，
可以避免2D方法引起的结构和化学类别偏差。
药效团建模
药效团模型构建
从分子叠合或复合物结构出发，使用交互式编辑器
构建3D药效团查询模型。应用药效团查询过滤构象
数据库，满足药效团模型的即为确定活性化合物候
选。可以使用药效特征布尔表达式，或包含体积、
排斥体积、包括体积等形状约束，或可选的SMARTS
化学样式等方式来优化查询。
●药效团查询编辑器
根据一批叠合好的活性化合物来建议可能的药效团
模型。保守药效团建模计算需要一批叠合好的分
子，根据容忍半径、保守打分门槛值、以及保守打
分模式来确定保守药效团。当手头有一批高活性分
子时，保守药效团建模特别有效。
●保守药效团建模PharmacophoreConsensus
从一批输入化合物(可能伴有活性数据)出发，考虑所有可能的离散几何和药效特征表达的组合，来构建药
效团模型。采用特殊的构建策略来避免重复尝试。用户可以强制约束药效特征数目并可以加入定制的表
达式。根据已知活性化合物、统计意义上的活性分子富集以及构象匹配中原子叠合度这些指标对每个药
效团模型进行打分。得分值以及高分药效团模型对应的分子叠合结果输出到MOE分子数据库(MDB文件)
中，可以进一步分析。
●药效团鉴别PharmacophoreElucidation
药效团搜索
采用MOE的高通量构象搜索方法ConformationImport可以构建构象数据库用于虚拟筛选。Conformation
Import是并行、基于片段的方法。分子被分解为相互重叠的片段，每个片段都进行严格的随机构象搜
索。片段构象通过叠合重叠原子迅速组装起来。
●高通量构象搜索
快速搜索化合物构象数据库，找出满足药效团模型的分子构
象。可以一次搜索多个数据库，或者搜索指定范围的分子，或
是搜索对接结果。MOE里的药效团搜索支持部分匹配、对称匹配
以及关键特征定义匹配。
●药效团搜索
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除了图形界面应用外，MOE还提供了开发工具箱可以让用户修改已有的应用功能，或是创建新的生
命科学领域的应用功能。分子模拟专家、应用程序开发者以及普通用户可以通过共享MOE这同一个
软件系统而获益。由应用程序开发者编写的功能可以由分子模拟专家验证，随后发布给普通用户
在图形界面或网页界面下使用。
开发环境及系统需求
●科学向量语言(SVL)
SVL是MOE内嵌的命令语言、脚本语言和应用程序
开发语言。SVL是"化学敏感"计算机编程语言，
有超过1000个特定的函数可以进行化学结构及相关
分子对象的分析与操作。SVL是一种简洁的高级语
言，通常的SVL程序要比同等功能的C或Fortran程序
小10倍以上。SVL源代码编译成“字节码”形式，
随后可以在基本运行环境里解译，因此SVL程序本
质上可以在各种不同的计算机硬件及操作系统间兼
容运行。
MOE/batch是一种MOE运行环境，针对于不需要图形界面的批量或后台运算。此模式下，所有的MOE非图形功
能都可用。MOE/web技术用来创建MOE程序的浏览器界面。
●集群计算
MOE/smp分布式计算技术是标准MOE程序的一部分。多台计算机可以使用MOE/smp技术来进行大规模计算。计
算机可以是异质的，比如笔记本、工作站、多处理器机群，或运行各种不同的操作系统，都可以很容易放在一
起完成一个MOE任务。MOE/smp同样使用SVL编程，因此编写并行应用程序也很容易。
MOE/web应用环境可以用于大规模发布MOE应用程序或定制SVL程序给普通用户使用。例如药物化学家可以通过
简单的网页或SOAP应用来使用这些功能。MOE/web随MOE一起发布，并可以进行定制化开发。
●MOE/web：浏览器和SOAP应用
●网络资源(HTTP/FTP)和TCP-IP接口
用户可以从因特网，或通过FTP，或通过HTTP网络服务下载文件，或通过JDBC直接访问第三方数据库服务器(例
如Oracle、DB2)等方式来访问数据资。MOE包括内嵌的程序，可以从RCSBPDB数据库或关系数据库下载最新的数
据。同样，用户也可以编写SVL程序与已有的应用程序或库建立接口。
开发环境
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●后台运算
计算化学家·实验研究者
普通使用方式
针对不同的用户，以及不同的使用需
求，MOE有多种使用方式：
计算化学家
特殊使用方式
实验研究者
MOE/web:浏览器及SOAP调用
MOE/smp:大规模并行计算
计算化学家
第三方程序调用
计算化学家·实验研究者
量化计算
分子动力学模拟
分子对接
相似性搜索，等等
系统需求
硬件架构操作系统图形显示
IntelWindowsXP/Vista/7OpenGL
Linux(glibcversion2.3.xorlater)OpenGL/X11
MacOSXv10.5orlaterOpenGL/X11
Mac/PowerPCMacOSXv10.5orlaterOpenGL/X11
SiliconGraphicsIRIX6.5.4orlaterOpenGL/X11
SunMicrosystemsSolaris8orlaterOpenGL/X11
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为了实现完整的图形显示效果和红蓝三维立体效果，需要OpenGL2.1以上版本，并带有GLSLshader。
康昱盛科技有限公司
电话：+86-21-54975000
传真：+86-21-64326060-8004
E-mail:marketing@cloudscientific.com
http://www.cloudscientific.com
康昱盛科技有限公司是一家专门提供生物制药领域科学信息整体解决方案的
公司。公司由一批多年从事科学咨询、服务以及产品研发的科学家于2009年创
立。经过多年的技术积累并得益于我们与国内顶级科研机构的紧密合作，我们拥
有一支一流的技术服务团队和资深的专家咨询团队，针对生物医药领域的各种公
司、学术机构以及政府部门，提供从生物信息学、化学信息学、药物设计、代谢
与毒性预测到临床前、临床的数据分析以及管理等一系列国际领先的科研软件产
品、平台以及成熟的科学信息解决方案。我们致力于用世界最先进的科学信息
技术以及服务增强您的研发能力、加速您的研发进度、提升您的价值，让您的科
研以最经济有效的方式走在世界的最前列。
地址：上海市徐汇区广元西路55号上海交通大学基因组学楼302/304室
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