Många läkemedel tillverkas idag som fasta pulver i pulverform. Men för att helt förstå hur de aktiva ingredienserna kommer att bete sig en gång inuti kroppen, forskare behöver veta deras exakta struktur på atomnivå. Till exempel, hur molekyler är ordnade inuti en kristall har en direkt inverkan på en förenings egenskaper, såsom dess löslighet. Forskare arbetar därför hårt med att utveckla teknologier som enkelt kan identifiera de exakta kristallstrukturerna hos mikrokristallina pulver.

Ett team av EPFL-forskare har nu skrivit ett maskininlärningsprogram som kan förutsäga, på rekordtid, hur atomer kommer att reagera på ett applicerat magnetfält. Detta kan kombineras med kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för att bestämma den exakta platsen för atomer i komplexa organiska föreningar. Detta kan vara till stor nytta för läkemedelsföretag, som noggrant måste övervaka sina molekylers strukturer för att uppfylla kraven på patientsäkerhet. Deras forskning har publicerats i Naturkommunikation .

Häftiga hastigheter med AI

NMR-spektroskopi är en välkänd och mycket effektiv metod för att sondera magnetfälten mellan atomer och bestämma hur närliggande atomer interagerar med varandra. Dock, Bestämning av full kristallstruktur med NMR-spektroskopi kräver extremt komplicerad, tidskrävande beräkningar som involverar kvantkemi – nästan omöjliga för molekyler med mycket intrikata strukturer.

Men programmet som utvecklats vid EPFL kan övervinna dessa hinder. Forskarna tränade sin AI-modell på molekylära strukturer hämtade från strukturella databaser. "Även för relativt enkla molekyler, denna modell är nästan 10, 000 gånger snabbare än befintliga metoder, och fördelen växer enormt när man överväger mer komplexa föreningar, " säger Michele Ceriotti, chef för Laboratory of Computational Science and Modeling vid EPFL:s tekniska högskola och medförfattare till studien. "För att förutsäga NMR-signaturen för en kristall med nästan 1, 600 atomer, vår teknik – ShiftML – kräver ungefär sex minuter; samma bedrift skulle ha tagit 16 år med konventionella tekniker."

Detta nya program kommer att göra det möjligt att använda helt andra tillvägagångssätt som kommer att vara snabbare och ge tillgång till större molekyler. "Det här är verkligen spännande eftersom den massiva accelerationen i beräkningstider kommer att tillåta oss att täcka mycket större konformationella utrymmen och korrekt bestämma strukturer där det inte tidigare var möjligt. Detta sätter de flesta av de komplexa moderna läkemedelsmolekylerna inom räckhåll, säger Lyndon Emsley, chef för Laboratory of Magnetic Resonance vid EPFL:s School of Basic Sciences och medförfattare till studien.

Programmet är nu fritt tillgängligt online. "Vem som helst kan ladda upp en molekyl och få dess NMR-signatur på bara några minuter, säger Ceriotti.