باستخدام نهج قائم على البيانات، اكتشف الباحثون "حرية التصميم" في الهياكل الجزيئية التي تنتج عن الارتباطات الضعيفة في الخواص الميكانيكية الكمومية. هذا الاكتشاف، إلى جانب التعلم الآلي، يمكن أن يحدث ثورة في التصميم الجزيئي واكتشاف الأدوية.

وصف رسومي لعملية التصميم الجزيئي العقلاني، والتي تنطوي على "إبرة في كومة قش" للبحث عن الجزيئات ذات الخصائص المطلوبة. مصدر الصورة: ليوناردو ميدرانو ساندوناس، جامعة لوكسمبورغ؛ صورة الخلفية مقدمة من موقع Rawpixel.com على Freepik

لقد ألهم استخدام الأساليب المعتمدة على البيانات لاستكشاف المساحة الشاسعة من الجزيئات والمواد عددًا لا يحصى من المجتمعات الأكاديمية والصناعية للبحث عن العلاقات الأساسية الموجودة بين السمات الهيكلية الجزيئية وخصائصها الفيزيائية والكيميائية. على الرغم من التقدم الكبير الذي تم إحرازه في هذا المجال، إلا أنه لا يزال هناك نقص في الفهم الشامل لهذه العلاقات المعقدة، حتى في مجال الكيمياء والمواد الكيميائية الأكثر قابلية للإدارة، والجزيئات الصغيرة، على الرغم من الأهمية الحاسمة والأهمية العالية لهذه الجزيئات في جميع أنحاء العلوم الكيميائية والصيدلانية.

وقال ألكسندر تكاتشينكو، أستاذ الفيزياء الكيميائية النظرية في قسم الفيزياء وعلوم المواد في جامعة لوكسمبورغ: "إن الكشف عن العلاقة المعقدة بين التركيب الجزيئي والخصائص لن يزودنا بالأدوات اللازمة لاستكشاف وتوصيف الفضاء الجزيئي فحسب، بل سيحسن بشكل كبير قدرتنا على تصميم الجزيئات بشكل عقلاني مع مجموعة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية المستهدفة".

الارتباط الضعيف يجلب "حرية التصميم"

في ورقة بحثية بعنوان ""حرية التصميم" في فضاء المركبات الكيميائية: نحو تصميم عقلاني في السيليكو للجزيئات ذات الخصائص الميكانيكية الكمومية المستهدفة" المنشورة في مجلة العلوم الكيميائية المرموقة، هناك نتيجة مهمة وهي أن معظم الخواص الميكانيكية الكمومية للجزيئات الصغيرة لا ترتبط إلا بشكل ضعيف.

قال روبرت دي ستاسيو جونيور، أستاذ الكيمياء النظرية في جامعة كورنيل: "في حين قد ينظر المرء في البداية إلى هذا الاكتشاف باعتباره تحديًا للتصميم الجزيئي العقلاني، فإن تحليلنا يسلط الضوء على المرونة المتأصلة في احتجاز الكربون وتخزينه، حيث يبدو أن هناك بعض القيود التي تمنع الجزيء من إظهار أي زوج من الخصائص في نفس الوقت، أو التي تمنع العديد من الجزيئات من مشاركة مجموعة من الخصائص."

العثور على أفضل مسار في الفضاء الكيميائي

تتضمن عملية التصميم الجزيئي عادةً التحسين المتزامن للخصائص الفيزيائية والكيميائية المتعددة. لاستكشاف كيف ستنعكس هذه المرونة المتأصلة في عملية التصميم الجزيئي، استخدم المؤلفون طريقة باريتو للتحسين متعدد الخصائص للعثور على جزيئات ذات قطبية جزيء كبير وفجوة إلكترونية. هذه مهمة تصميمية تتعلق بتحديد جزيئات جديدة لبطاريات البوليمر. وجد الباحثون عدة مسارات غير متوقعة عبر الفضاء الكيميائي الذي يربط الجزيئات من خلال التغييرات الهيكلية و/أو التركيبية، مما يعكس حرية التصميم العقلاني واكتشاف الجزيئات ذات قيم الخصائص المستهدفة.

يوضح البروفيسور تكاتشينكو: "الخطوة التالية المثيرة للاهتمام هي الجمع بين هياكل باريتو المثالية وطرق التعلم الآلي القوية لإنشاء إطار موثوق متعدد الأهداف للتنقل المنهجي للفضاء الكيميائي غير المستكشف حتى الآن".

التأثير على نماذج التصميم الجزيئي

"من خلال إثبات أن "حرية التصميم" هي خاصية أساسية وناشئة لتقنية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه، فإن عملنا له سلسلة من الآثار المهمة في مجالات التصميم الجزيئي العقلاني واكتشاف الأدوية الحسابية. أولاً، نأمل أن يشكل هذا العمل تحديًا لمجتمع العلوم الكيميائية للنظر في كيفية استغلال هذه المرونة المتأصلة لتوسيع النموذج السائد في عمليات التصميم الجزيئي المتقدمة. " الكيمياء النظرية، جامعة لوكسمبورغ "نأمل أيضًا أن يحقق هذا العمل تقدمًا كبيرًا في حل مشاكل التصميم الجزيئي العكسي، حيث يحاول المرء العثور على جزيء (أو مجموعة من الجزيئات) يتوافق مع مجموعة من الخصائص المستهدفة"، يوضح الدكتور ليوناردو ميدرانو ساندوناس، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة الفيزياء.

إن الجمع بين الأفكار المكتسبة من هذا العمل وأساليب التعلم الآلي المتقدمة سيساعد في تطوير استراتيجيات فعالة للفحص عالي الإنتاجية للجزيئات الجديدة لتطبيقات محددة، وهو اتجاه بحثي بارز لمجموعة أبحاث البروفيسور تيكاتشينكو.