Среда, 21 февраля, 2024
ДомойХимияНавигация по молекулярному лабиринту: «свобода дизайна» при вычислительном создании химических соединений

Навигация по молекулярному лабиринту: «свобода дизайна» при вычислительном создании химических соединений

- Advertisement -

Графическое изображение процесса рационального молекулярного проектирования, который включает в себя поиск молекул с желаемым набором свойств «иголкой в ​​стоге сена». Фото: Леонардо Медрано Сандонас из Университета Люксембурга; фоновое изображение от rawpixel.com на Freepik

Используя методологии, основанные на данных, исследователи определили «свободу дизайна» в молекулярных структурах из-за слабой корреляции в квантово-механических свойствах. Это открытие в сочетании с машинное обучениеможет произвести революцию в молекулярном дизайне и открытии лекарств.

Исследование удивительно обширного пространства молекул и материалов с использованием подходов, основанных на данных, вдохновило бесчисленные академические и промышленные инициативы по поиску фундаментальных взаимосвязей, существующих между структурными характеристиками молекул и их физико-химическими свойствами. Несмотря на значительный прогресс в этой области, всестороннее понимание этих сложных взаимосвязей – даже в более управляемом секторе CCS, охватываемом малыми молекулами – все еще отсутствует, несмотря на решающую важность и высокую актуальность таких молекул в химической и фармацевтической науке. .

«Раскрытие сложных взаимосвязей между молекулярными структурами и свойствами не только предоставит нам инструменты, необходимые для исследования и характеристики молекулярного пространства, но также значительно расширит наши возможности рационального проектирования молекул с целевым набором физико-химических свойств», — говорит Александр Ткаченко, профессор кафедры теоретической химической физики Кафедра физики и материаловедения в Университете Люксембурга.

Слабые корреляции обеспечивают «свободу дизайна»

В статье под названием «’Свобода дизайна» в пространстве химических соединений: на пути к рациональному in silico дизайну молекул с заданными квантово-механическими свойствами», опубликовано в престижном журнале. Химическая наукаОдним из ключевых выводов является то, что большинство квантово-механических свойств малых молекул слабо коррелируют.

«Хотя поначалу можно было бы рассматривать это открытие как вызов рациональному молекулярному дизайну, мы утверждаем, что наш анализ подчеркивает внутреннюю гибкость – или «свободу дизайна», – которая существует в CCS, где, кажется, очень мало ограничений, препятствующих молекуле одновременно проявляя любую пару свойств или множество молекул, обладающих общим набором свойств», — говорит Роберт ДиСтазио-младший, профессор теоретической химии Корнелльского университета.

Поиск оптимальных путей в химическом пространстве

Чтобы изучить, как эта внутренняя гибкость будет проявляться в процессе молекулярного проектирования, который часто включает в себя одновременную оптимизацию множества физико-химических свойств, авторы использовали оптимизацию по множеству свойств по Парето для поиска молекул с одновременно большой молекулярной поляризуемостью и электронной щелью. актуальность для идентификации новых молекул для полимерных батарей. Авторы нашли пути в химическом пространстве, состоящие из нескольких неожиданных молекул, связанных структурными и/или композиционными изменениями, что отражает свободу в рациональном проектировании и открытии молекул с заданными значениями свойств.

«Потенциально интересным следующим шагом было бы использование этих оптимальных по Парето структур в сочетании с мощными подходами машинного обучения для создания надежных многоцелевых структур для систематической навигации в до сих пор неисследованных химических пространствах», — объясняет профессор Ткаченко.

Последствия для парадигмы молекулярного дизайна

«Демонстрируя, что «свобода дизайна» является фундаментальным и новым свойством CCS, наша работа имеет ряд важных последствий в области рационального молекулярного дизайна и компьютерного открытия лекарств. Во-первых, мы надеемся, что эта работа побудит сообщество химических наук задуматься о том, как такую ​​внутреннюю гибкость можно использовать для расширения доминирующей парадигмы в процессе перспективного молекулярного дизайна. Мы также надеемся, что эта работа позволит добиться существенного прогресса в решении обратной задачи молекулярного дизайна, в которой нужно найти молекулу (или набор молекул), соответствующую заданному набору свойств», — объясняет доктор Леонардо Медрано Сандонас, постдокторант-исследователь. в группе теоретической химической физики Университета Люксембурга.

Сочетание идей, полученных в результате этой работы, с передовыми подходами машинного обучения может помочь в разработке эффективных стратегий высокопроизводительного скрининга новых молекул, адаптированных к конкретному применению, что является важным направлением исследований в группе профессора Ткаченко.

Ссылка: «’Свобода дизайна» в пространстве химических соединений: на пути к рациональному в кремнеземе дизайн молекул с целевыми квантово-механическими свойствами» Леонардо Медрано Сандонас, Йоханнес Хоха, Брайан Г. Эрнст, Альваро Васкес-Маягойтиа, Роберт А. ДиСтазио-младший и Александр Ткаченко, 18 августа 2023 г., Химическая наука.
DOI: 10.1039/D3SC03598K

Исследовательская группа использовала высокопроизводительные вычислительные ресурсы Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), пользовательского центра Управления науки Министерства энергетики США.

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме