Ученые создали цифрового «помощника» на основе искусственного интеллекта, который в 180 раз ускорил поиск новых химических реакций. Всего за несколько часов вместо нескольких лет алгоритм проанализировал десятки тысяч превращений, а отобранные им варианты химикам удалось проверить экспериментально всего за неделю. В результате авторы открыли ранее неизвестные реакции, которые могут быть полезны для создания новых противоопухолевых препаратов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Angewandte Chemie International Edition.
Для производства современных лекарств, умных материалов, эффективных удобрений и многих других продуктов ученые постоянно ищут новые химические реакции. Это крайне трудоемкий и медленный процесс, поскольку специалисты тратят месяцы и годы, чтобы из тысяч возможных комбинаций реагентов и условий получения выбрать те, что подойдут под конкретную задачу. Поэтому необходим способ автоматизировать и упростить такой поиск.
Исследователи из Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН (Москва) под руководством известного ученого, академика РАН Валентина Ананикова доказали, что можно сократить многолетний процесс открытия химических реакций всего до одной недели, если специалистам будет помогать цифровой «со-эксперт».
В качестве примера такого инструмента авторы создали компьютерный алгоритм, обученный правилам, по которым идет реакция циклоприсоединения. Это превращение для сборки сложных молекул в виде циклических структур, которые лежат в основе некоторых антибиотиков, противоопухолевых средств и других лекарств.
Чтобы проверить, как работает цифровой «помощник», химики дали ему проанализировать набор данных о свойствах и строении 134 тысяч молекул. Опираясь на него, инструмент автоматически сгенерировал 31 тысячу возможных реакций циклоприсоединения. Затем он всего за несколько часов выбрал 205 наиболее реалистичных превращений, которые не требуют дорогих и редких реактивов, а также протекают в обычных условиях.
На следующем этапе специалисты выбрали четыре самые многообещающие реакции для лабораторной проверки, и в двух из них удалось получить новые полезные продукты. Интересно, что фрагменты синтезированных молекул встречаются в противоопухолевых препаратах, поэтому новые реакции могут использоваться для их создания. Ученые также улучшили эти превращения, выбрав наиболее удобные и доступные исходные вещества для эксперимента. В результате анализ, который потребовал бы около 3,5 лет непрерывной работы, был выполнен за неделю.
«Предложенный нами цифровой помощник берет на себя тяжелую и объемную работу по первичному анализу, а человек принимает творческие решения на уже проработанном пространстве данных. Наше исследование демонстрирует, что даже без дорогостоящих роботизированных лабораторий возможно существенно ускорить открытие новых реакций, опираясь на доступные вычислительные инструменты и экспертный опыт. В дальнейшем мы планируем расширить эту методологию на другие химические процессы и сделать универсального ИИ-со-эксперта для химии», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валентин Анаников, доктор химических наук, заведующий лабораторией металлокомплексных и наноразмерных катализаторов Института органической химии имени Н.Д. Зелинского РАН.
Ранее ученые разработали дешевый катализатор на основе простейших солей никеля и фотоактивной добавки. С его помощью авторам удалось создать и описать более 250 продуктов, среди которых оказались молекулы-предшественники лекарств, пестицидов и других полезных соединений.
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм. Подписывайтесь на канал РНФ в национальном мессенджере MAX.