AI- og NMR-spektroskopi bestemmer atomernes konfiguration på rekordtid

Mange lægemidler fremstilles i dag som faste stoffer i pulverform. Men for fuldt ud at forstå, hvordan de aktive ingredienser vil opføre sig en gang inde i kroppen, forskere skal kende deres nøjagtige struktur på atomniveau. For eksempel, måden molekyler er arrangeret inde i en krystal har en direkte indflydelse på en forbindelses egenskaber, såsom dets opløselighed. Forskere arbejder derfor hårdt på at udvikle teknologier, der nemt kan identificere de nøjagtige krystalstrukturer af mikrokrystallinske pulvere.

Et hold af EPFL-forskere har nu skrevet et maskinlæringsprogram, der kan forudsige, på rekordtid, hvordan atomer vil reagere på et påført magnetfelt. Dette kan kombineres med nuklear magnetisk resonans (NMR) spektroskopi for at bestemme den nøjagtige placering af atomer i komplekse organiske forbindelser. Dette kan være til stor fordel for medicinalvirksomheder, som nøje skal overvåge deres molekylers strukturer for at opfylde krav til patientsikkerhed. Deres forskning er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Halsbrækkende hastigheder med AI

NMR-spektroskopi er en velkendt og yderst effektiv metode til at sondere magnetfelterne mellem atomer og bestemme, hvordan naboatomer interagerer med hinanden. Imidlertid, fuld krystalstrukturbestemmelse ved NMR -spektroskopi kræver ekstremt kompliceret, tidskrævende beregninger, der involverer kvantekemi - næsten umulige for molekyler med meget indviklede strukturer.

Men programmet udviklet på EPFL kan overvinde disse forhindringer. Forskerne trænede deres AI-model på molekylære strukturer taget fra strukturelle databaser. "Selv for relativt simple molekyler, denne model er næsten 10, 000 gange hurtigere end eksisterende metoder, og fordelen vokser enormt, når man overvejer mere komplekse forbindelser, " siger Michele Ceriotti, leder af Laboratory of Computational Science and Modeling på EPFL's School of Engineering og medforfatter til undersøgelsen. "For at forudsige NMR -signaturen af ​​en krystal med næsten 1, 600 atomer, vores teknik – ShiftML – kræver omkring seks minutter; den samme bedrift ville have taget 16 år med konventionelle teknikker."

Dette nye program vil gøre det muligt at bruge helt andre tilgange, der vil være hurtigere og give adgang til større molekyler. "Dette er virkelig spændende, fordi den massive acceleration i beregningstider vil give os mulighed for at dække meget større konformationelle rum og korrekt bestemme strukturer, hvor det bare ikke tidligere var muligt. Dette sætter de fleste af de komplekse nutidige lægemiddelmolekyler inden for rækkevidde, " siger Lyndon Emsley, leder af Laboratory of Magnetic Resonance på EPFL's School of Basic Sciences og medforfatter til undersøgelsen.

Programmet er nu gratis tilgængeligt online. "Alle kan uploade et molekyle og få sin NMR -signatur på få minutter, " siger Ceriotti.