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学术经纬《自然》子刊：提速一万倍！新型AI算法如何探秘药物晶体结构？


药明康德AI/报道
近日 ， 来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的科学家们建立了一个名为ShiftML的机器学习程序 ， 用来预测分子中的原子在磁场中的移动状况 。 这项研究发表在了《Nature Communications》上 ， 表明AI可以帮助化学家们用比传统建模方法更快的方式 ， 来破解晶体的分子结构 。
如今的许多药物都是以粉末状固体的形式生产出来的 。 但是 ， 要想充分了解药物中的活性成分进入体内之后会如何表现 ， 科学家们需要知道它们的确切原子结构 ， 通常会采用核磁共振和密度泛函理论相结合的技术 。
核磁共振技术通常用于探测原子之间的磁场 ， 并确定相邻原子之间是如何相互作用的 。 然而 ， 通过核磁共振测定完整的晶体结构 ， 需要极其复杂且非常耗时的量子化学计算 ， 这对于结构非常复杂的分子而言难度非常大 ， 同时需要配合密度泛函理论（DFT）技术来进行计算工作 。 DFT技术使用复杂的量子化学计算来映射特定区域内的电子密度 ， 这个过程中需要进行非常大量的计算 。
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本文插图

▲ShiftML在几分钟内计算出某一原子的结构（图片来源：Michele Ceriotti / EPFL）
为了优化这个过程 ， 研究人员开发出了一个名为ShiftML的机器学习工具 ， 可以用更快的速度来完成计算工作 ， 并且在某些情况下可以像DFT程序一样准确地执行 。 研究人员利用来自Cambridge Structural Database的数据对ShiftML进行了训练 ， 其中2000个化合物结构用于对ShiftML的训练和验证 ， 另外500个用于对其进行测试 。 该数据库包含数千种化合物计算得出的DFT化学位移 ， 其中每一个化合物都由不到200个原子组成 。 研究人员表示 ， 即使对于相对简单的分子 ， ShiftML的计算速度也比现有的方法快了将近1万倍 。
对于更加复杂的化合物 ， 这一优势将会更加明显 。 举例来说 ， ShiftML对一个分子的化学位移进行计算 ， 这个分子由86个原子构成 ， 其化学元素和可卡因相同 ， 但排列成了不同的晶体结构 。 整个计算过程花费的CPU时间不到一分钟 。 相比之下 ， 使用DFT技术计算同样一个分子的化学位移 ， 需要的CPU时间大约为62至150小时 。
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▲该研究论文共同作者之一、来自瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的化学教授Lyndon Emsley博士（图片来源：EPFL官网）
研究小组希望未来的ShiftML可以用来辅助药物设计工作 。 “这项研究是非常令人兴奋的 ， 因为大幅度加速计算时间可以让我们能够覆盖更大的构象空间 ， 并准确界定那些以前无法确定的结构 ， ”研究论文的共同作者之一、EPFL的化学教授Lyndon Emsley博士表示：“ShiftML可以让现代的大多数复杂药物分子触手可及 。 ”
如今 ， ShiftML已经可以开源使用 ， 任何人都可以在平台上上传分子 ， 并获得其核磁共振特征 。
参考资料：
[1] AI and NMR spectroscopy determine atoms configuration in record time. Retrieved November 5, 2018, from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-10/epfd-aan102918.php
【学术经纬《自然》子刊：提速一万倍！新型AI算法如何探秘药物晶体结构？】[2] AI can predict the structure of chemical compounds thousands of times faster than quantum chemistry. Retrieved November 5, 2018, from https://www.theregister.co.uk/2018/10/30/ai_can_predict_the_structure_of_chemical_compounds_thousands_of_times_faster_than_quantum_chemistry/


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