Åtta föreningar förutspåddes att fluorescera med en ny metod för att designa molekyler. Av de åtta visade sig sex fluorescera under ultraviolett ljus (fem visade; C, D, E, F, G), inklusive en förening som inte tidigare rapporterats (ej visad). Kredit:M. Sumita et al. Distribueras under en CC BY-4.0-licens
RIKENs kemister har visat ett kraftfullt sätt att designa molekyler för att uppfylla fördefinierade specifikationer genom att använda det för att skapa sex fluorescerande föreningar. Denna metod, som kombinerar maskininlärning och kvantkemi, lovar att spara kemister mycket tid på att tillverka och testa föreningar i labbet.
Det konventionella tillvägagångssättet för molekylär design är att börja med en molekyl som har egenskaper nära de önskade och sedan försöka förbättra den genom att trial and error. Detta kan vara en tidskrävande och hit-and-miss-affär, eftersom det inte finns någon garanti för att den slutliga molekylen är den bästa.
Kemister har länge velat vända situationen så att de börjar med önskade egenskaper och sedan söker igenom alla möjliga molekyler efter en som passar. Men en begränsning har varit att data bara finns för en liten bråkdel av alla molekyler.
Nu har Masato Sumita från RIKEN Center for Advanced Intelligence Project och hans medarbetare visat en ny strategi som gör det möjligt att söka i universum av molekyler utan att behöva tillverka varje förening individuellt.
De använde en de novo molekylgenerator, som använder maskininlärning för att föreslå en molekyl baserat på de önskade egenskaperna. En simulator som utför kvantkemiska beräkningar användes sedan för att förutsäga molekylens egenskaper. Cykeln upprepades upp till en specificerad beräkningstid.
För att demonstrera kraften i detta tillvägagångssätt använde teamet sin metod för att söka efter molekyler som avger fluorescerande ljus vid våglängder som är synliga för det mänskliga ögat. Efter fem dagar av siffror, kom datorn med mer än 3 600 kandidatmolekyler. Teamet valde ut åtta av dem att syntetisera och fann att sex av dem var fluorescerande – inklusive en förening som aldrig tidigare rapporterats.
"Det här är första gången en de novo molekylgenerator kombinerad med kvantkemiberäkningar har använts för att upptäcka fluorescerande molekyler", säger Sumita. "Jag blev mycket förvånad över den höga framgångsfrekvensen för metoden - 75 % av de åtta kandidatmolekylerna fluoreserade när vi gjorde dem i labbet."
Sökandet efter en fluorescerande molekyl var ett rigoröst test för metoden eftersom fluorescens, till skillnad från enklare molekylära egenskaper som ljusabsorption, är en process i flera steg, vilket gör det svårt att förutsäga utifrån molekylstruktur.
Sumita och hans team publicerade sina resultat i Science Advances . De tänker nu tillämpa sin metod på andra kemiska egenskaper och försöka använda den för att optimera mer än en egenskap samtidigt. + Utforska vidare
