Usando uma abordagem baseada em dados, os pesquisadores descobriram “liberdade de design” em estruturas moleculares que resulta de correlações fracas nas propriedades da mecânica quântica. Esta descoberta, combinada com a aprendizagem automática, poderá revolucionar o design molecular e a descoberta de medicamentos.
Descrição gráfica do processo de design molecular racional, que envolve uma busca "agulha em um palheiro" por moléculas com propriedades desejadas. Crédito da imagem: Leonardo Medrano Sandonas, Universidade de Luxemburgo; imagem de fundo fornecida por rawpixel.com no Freepik
A utilização de métodos baseados em dados para explorar o vasto espaço de moléculas e materiais inspirou inúmeras comunidades académicas e industriais a procurar as relações fundamentais que existem entre as características estruturais moleculares e as suas propriedades físico-químicas. Embora tenham sido feitos progressos significativos neste campo, ainda falta uma compreensão abrangente destas relações complexas, mesmo no campo mais administrável da química e das substâncias químicas, moléculas pequenas, apesar da importância crítica e da elevada relevância destas moléculas em todas as ciências químicas e farmacêuticas.
Alexandre Tkatchenko, Professor de Física Química Teórica no Departamento de Física e Ciência dos Materiais da Universidade de Luxemburgo, disse: "Revelar a relação complexa entre estrutura e propriedades moleculares não só nos fornecerá as ferramentas necessárias para explorar e caracterizar o espaço molecular, mas também melhorará muito a nossa capacidade de projetar racionalmente moléculas com uma gama de propriedades físico-químicas específicas. "
Correlação fraca traz “liberdade de design”
Em um artigo intitulado "'Liberdade de design' no espaço de compostos químicos: Rumo ao design racional in Silico de moléculas com propriedades mecânicas quânticas direcionadas" publicado na prestigiada revista Chemical Science, uma descoberta importante é que a maioria das propriedades mecânicas quânticas de moléculas pequenas são apenas fracamente correlacionadas.
Robert Di Stasio Jr., professor de química teórica na Universidade Cornell, disse: "Embora inicialmente se possa ver esta descoberta como um desafio ao design molecular racional, a nossa análise destaca a flexibilidade inerente do CCS, no qual parece haver poucas restrições que impedem uma molécula de exibir qualquer par de propriedades ao mesmo tempo, ou que impedem que muitas moléculas compartilhem uma gama de propriedades."
Encontrando o melhor caminho no espaço químico
O processo de design molecular geralmente envolve a otimização simultânea de múltiplas propriedades físico-químicas. Para explorar como essa flexibilidade inerente será refletida no processo de design molecular, os autores usaram o método de otimização de múltiplas propriedades de Pareto para encontrar moléculas com polaridade de macromolécula e lacuna eletrônica. Esta é uma tarefa de design relacionada à identificação de novas moléculas para baterias poliméricas. Os autores encontraram vários caminhos inesperados através do espaço químico conectando moléculas através de mudanças estruturais e/ou composicionais, refletindo a liberdade de projetar racionalmente e descobrir moléculas com valores de propriedades direcionados.
O professor Tkatchenko explica: "Um próximo passo potencialmente interessante seria combinar essas estruturas ótimas de Pareto com métodos poderosos de aprendizado de máquina para estabelecer uma estrutura multiobjetivo confiável para a navegação sistemática do espaço químico até então inexplorado."
Impacto nos paradigmas de design molecular
"Ao demonstrar que a 'liberdade de design' é uma propriedade fundamental e emergente do CCS, nosso trabalho tem uma série de implicações importantes para os campos do design molecular racional e da descoberta computacional de medicamentos. Em primeiro lugar, esperamos que este trabalho desafie a comunidade da ciência química a considerar como esta flexibilidade inerente pode ser explorada para estender o paradigma dominante nos processos avançados de design molecular. " Química Teórica, Universidade do Luxemburgo “Esperamos também que este trabalho faça progressos substanciais na resolução de problemas de desenho molecular inverso, em que se tenta encontrar uma molécula (ou um conjunto de moléculas) que corresponda a um conjunto de propriedades alvo”, explica o Dr. Leonardo Medrano Sandonas, investigador de pós-doutoramento no Grupo de Física.
A combinação dos insights obtidos com este trabalho com métodos avançados de aprendizado de máquina ajudará a desenvolver estratégias eficazes para triagem de alto rendimento de novas moléculas para aplicações específicas, uma direção de pesquisa proeminente do grupo de pesquisa do Professor Tekatchenko.