Fig. 1. Representationer av en monteringsväg, genom att ta adenin som exempel. (A) En av de många sammansättningsvägarna för adenin (det visar sig vara den kortaste, enligt vår MC-algoritm, förklaras senare). Monteringspoolen (visad inuti de streckade rutorna) utvecklas med varje monteringssteg. Färgerna anger vilka två monteringsbyggstenar som används för att göra den nya (observera att färgschemana är oberoende för varje steg). (B) Nyckelstegsrepresentationen av monteringsvägen. (C) Den gemensamma processen för varje nyckelmonteringssteg, som används för att räkna fram multiset-representationen. (D) Multiset-representationen av denna monteringsväg. Strängt talat, det ska skrivas som {[1]1, [2]1} där den upphöjda "1" är multipliciteten av detta assemblybyggblock, det är, efter att ha avbokat, det visas en gång på vänster sida av (C), men för enkelhetens skull, vi skriver bara uttryckligen ner multipliciteten när den inte är 1. Kredit:DOI:10.1126/sciadv.abj2465
En ny metod för att utforska kemiska rymden kan bidra till att skapa vetenskapliga genombrott inom områden inklusive läkemedelsdesign och upptäckt, dess skapare säger.
Konceptet, känd som monteringsteori, beskrivs i en ny artikel som publicerades i dag i tidskriften Vetenskapens framsteg av ett team från University of Glasgows School of Chemistry.
Monteringsteori tillåter forskare att förvandla molekyler till molekylära träd, som ett släktträd som identifierar föräldrarna och avkomman, och tekniken kan verifieras experimentellt och beräkningsmässigt.
Laget, ledd av professor Lee Cronin, använde sammansättningsteori för att utforska det kemiska rummet – termen som forskare använder för den stora poolen av potentiella kombinationer av molekyler och kemiska föreningar.
Varje känd kemikalie har en unik position i det kemiska rummet. Vissa, som DNA, har utvecklats naturligt genom evolutionen, medan andra, som många mediciner, har skapats genom experiment i laboratorier.
Sammansättningsteori ger forskare förmågan att bryta ner molekyler i sina beståndsdelar, och att hitta nya sätt att kombinera dem med andra molekyler som har liknande delar.
Processen är analog med att bryta ner ord i bokstäver, blanda sedan bokstäverna för att skapa nya ord. Det erbjuder kemister ett mer strukturerat tillvägagångssätt för att upptäcka nya molekyler, vilket ofta kräver tidskrävande försök och fel innan användbara kombinationer hittas.
I tidningen, teamet beskriver hur de använde sitt assembly-teoretiska tillvägagångssätt för att utforska den klass av droger som kallas opiater – kraftfulla men beroendeframkallande smärtstillande medel som kan vara dödliga när de missbrukas.
Nya former av opiater som är lika effektiva för att behandla smärta men mindre potentiellt farliga skulle kunna erbjuda läkarna nya metoder för patientvård.
På en dator som kör deras monteringsteorialgoritm, teamet grupperade nio naturliga och syntetiska opiater tillsammans. Systemet bröt molekylerna i mindre delar som kallas sammansättningspooler och utforskade kombinationer av poolerna tills en väg kunde hittas som kunde bygga upp alla opiater i gruppen.
Genom att ta de delar som är gemensamma för alla opiatsammansättningsträdvägar, teamet kunde uppfinna nya opiater genom att kombinera delarna på lite olika sätt för att behålla molekylens övergripande form, men utforska nya arkitektoniska typer.
På det här sättet, upptäcktsprocessen kan utforska nya potentiella läkemedelstyper, men behåll några av de nyckelfunktioner som krävs för att läkemedlet ska vara aktivt. Ytterligare utforskning i framtiden kan leda till utvecklingen av nya typer av smärtstillande medel som är mindre beroendeframkallande.
Professor Cronin sa:"Kemiskt utrymme är inte bara stort - det är häpnadsväckande stort. Det finns fler potentiellt drogliknande molekyler att utforska än det finns stjärnor i det observerbara universum.
"Vad monteringsteorin ger oss är en hjälpande hand för att navigera i det kemiska utrymmet genom att arbeta baklänges från kända molekyler. Genom att bryta ner dem i deras beståndsdelar, vi kan utveckla vår förståelse för hur de skapades och hur de kan kombineras för att skapa nya föreningar.
"Det tar bort mycket av gissningarna som har kännetecknat kemiprocessen fram till nu, och potentiellt skulle kunna effektivisera processen att utveckla nya föreningar för användning inom medicin. Vi är särskilt glada över de potentiella nya opiatkandidater som denna teknik har hittat."
Lagets tidning, med titeln "Utforska och kartlägga kemiskt utrymme med molekylära sammansättningsträd, " publiceras i Vetenskapens framsteg .
